1、基于 AMESim 的油气弹簧台架建模与仿真研究摘要：利用仿真软件LMS Imagine.Lab AMESim，研究了液压缸、液压腔、蓄能器和固定液压孔的数学模型，建立了油气弹簧的台架模型，在不同频率的正弦波激励下仿真，分析了油气弹簧的位移特性和速度特性，保证仿真模型的精度，验证了所建立仿真模型的正确性。油气弹簧台架建模与仿真对车辆平顺性影响的研究奠定了理论基础。关键词：数学模型；AMESim；油气弹簧；仿真Modeling and simulating of hydro-pneumatic spring based on AMESimAbstract: Using simulation so
2、ftware LMS Imagine.Lab AMESim, hydraulic cylinders, hydraulic chamber, accumulator and hydraulic hole fixed mathematical model are studied and the hydro-pneumatic spring simulation model is established. At the different frequency sine wave excitation, it is analyzed the hydro-pneumatic spring displa
3、cement characteristics and speed characteristics that ensure the accuracy of the simulation model and verify the correctness of the simulation model. Modeling and simulating the hydro-pneumatic spring ,it provides the prerequisitefor vehicle ride impact study. Key words: Mathematical Model; AMESim;
4、Hydro-pneumatic spring; simulation1 引言油气悬挂的关键部件油气弹簧，是以可压缩的气体作为气体弹簧和减震元件合在一起的弹性元件。油液作为中间介质，起传递作用力和衰减震动的作用。具有非线性的工作特性，随着所传递作用力的增加，刚度也急剧增大，这样就避免了非悬挂部分对车体的撞击，大大提高了车辆的行使平顺性。油气弹簧为变刚度弹簧，可通过调整蓄能器的压力改变弹簧特性，使油气悬架具有极好的行驶平顺性。油气弹簧凭借其优越的非线性特性和良好的减振性能，在各种车辆上的应用越来越广泛。随着人们要求的不断提高，增加车辆载荷、提高车辆行驶速度，改善油气弹簧在更高压力下作业的动态密封性
5、能，延长其使用寿命和准确设计其减振性能参数，已经成为研究油气弹簧系统的主要问题。 2 油气弹簧 AMESim 模型的建立2.1 液压缸数学模型在 AMESim 软件中，液压系统与机械系统通过液压缸相互连接，液压缸的图形符号如图 1 所示。图 1 液压缸图形符号液压缸的当前长度和体积计算公式如下：405Lx2()prVD其中： 为端口 4 的位移； 为静平衡位置时液压缸的长度； 为端口 5 的位移； 为x0xxpD活塞的直径； 为活塞杆的直径。rD端口 1 的流量： 2154(v-)()prQD其中： 为端口 5 的速度； 为端口 4 的速度。v根据端口 2 的输入力、端口 2 的压力以及弹力来
6、计算端口 5 的力：251+()4prFD端口 4 的力： 2431()pr2.2 液压腔的数学模型液压腔和液压缸需要搭配使用，液压腔在 AMESim 中的图形符号如图 2 所示。图 2 液压腔图形符号根据流量和总体计算压力的导数的公式如下： 110()()=+iBpqdtv其中： 是体积弹性模型。2.3 蓄能器数学模型蓄能器在 AMESim 中的图形符号如图 3 所示。图 3 蓄能器图形符号蓄能器的功能主要是储存油液的压力能，在一般的液压系统中，它的作用主要是在短时间内大量供油，并且吸收液压冲击和压力脉冲，还可以维持系统压力。本文中主要作为弹簧的弹性元件。在 AMESim 内，有以下参数需要
7、设定：蓄能器初始体积 ；蓄能器初始压力 ；绝热指数 ；0V0p1.4m对于绝热过程： 0mpV对于等温过程： 0当蓄能器内的气体体积变成初始体积的 1/1000 时，蓄能器被认为完全充满了液压油，相应的最大压力为： 5max0(1)mp/气体与油液混合，气体变成了油液的一部分，存在液体中。当蓄能器内的油液被完全放出来时，蓄能器被认为完全充满了氮气，相应的最小压力为： min0p0V当蓄能器含有一部分液体和气体时 outp10mV=dptt510outout outmpV=-outdq其中： 为蓄能器的出口压力； 为蓄能器内部的气体瞬时压力； 为蓄能器内部outppV的气体瞬时体积； 为蓄能器内
8、部气体初始压力； 为蓄能器内部气体初始体积； 为0 0Voutq蓄能器出口油液流量。通过上述的方程可以求出任意时刻蓄能器内部的压力和体积。2.4 固定液压孔数学模型采用固定液压孔来模拟阻尼孔，其图形符号如图 4 所示。 图 4 固定液压孔图形符号用户需要设置参数，参数“index of hydraulic fluid” 指的是液压油的参数，该流体类型由一个图标示意图定义。参数“parameter set for pressure drop”指的是压降的参数设定，它在以下情况时可以被选择，等效面积可以用“压降/ 流量”或者“液压孔直径/最大流动系数”的方式进行计算。 用户必须提供流动特性从层流到
9、湍流变化的临界流量值。在大多数情况下，这个无量纲数可以保持默认值为 1000。然而，对于复杂的孔(粗糙 )，临界流量可以低至 50， 而对于很光滑孔可以高达 50000。3 油气弹簧的 AMESim 台架模型仿真3.1AMESim 台架模型在 AMESim 中建立的油气弹簧台架模型如图 5 所示。图 5 油气弹簧在 AMESim 中的模型油气悬挂系统在实际工况下受到的激励为随机信号，响应也比较复杂。为了仿真分析的方便，在进行台架仿真时采用输入激励信号为正弦信号，正弦信号表达式为： ()sin(2)xtAft其中： 为正弦信号的幅值； 为正弦信号的频率； 为时间。Af3.2AMESim 仿真结果
10、 为了了解油气弹簧的位移特性和速度特性，我们对活塞杆施加不同频率正弦波信号激励，频率分别取 0.2Hz、0.5Hz、1Hz 和 1.5Hz。则正弦波激励下油气弹簧的位移、速度特性如下图所示。图 6 油气弹簧的位移特性（0.2Hz） 图 7 油气弹簧的速度特性（ 0.2Hz）图 8 油气弹簧的位移特性（0.5Hz） 图 9 油气弹簧的速度特性（ 0.5Hz）图 10 油气弹簧的位移特性（1Hz） 图 11 油气弹簧的速度特性（1Hz ）图 12 油气弹簧的位移特性（1.5Hz） 图 13 油气弹簧的速度特性（ 1.5Hz）从图中可以看出，随着频率的增大，活塞杆所受的力与位移的关系逐渐明显，示功图
11、越来越显著。当油气弹簧的活塞运动频率很低时，它的移动很慢，这时候产生的阻尼力非常小，活塞杆受到的力基本上是气体被压缩产生的力，图中载荷和位移的关系基本呈指数为 1.25 的趋势增长，说明仿真比较成功。当油气弹簧活塞运动频率变大时，它的速度在增加，阻尼作用越来越明显，示功图的两条线的距离逐渐拉大，说明阻尼阀产生的力起到了作用，可以看出复原行程与压缩行程的力明显不对称。4 结论本文在AMESim中建立了油气弹簧的数学模型，并进行了台架仿真，从仿真结果中可以看出，模型建立正确，能够反映油气弹簧本身的位移特性和速度特性，进而为油气弹簧的设计研究起到一定的指导作用，油气悬挂模型的建立和仿真为车辆平顺性影
12、响的研究奠定了理论基础。参考文献：1付永领.AMESIM 系统建模和仿真：从入门到精通M.北京：北京航空航天大学出版社，2006.2付永领，齐海涛.LMS Imagine Lab AMESim 系统建模和仿真实例教程 M. 北京：北京航空航天大学出版社，2011.3付永领，祁晓野.LMS Imagine.Lab AMESim 系统建模和仿真参考手册 M. 北京：北京航空航天大学出版社，2011.5Guo Konghui,Chen Yuhang,Yang Yehai.Modelingand simulation of a hydro-pneumatic spring basedon intern
13、al characteristicscInternational Conference Mechanic on Automation and Control EngineeringPiscataway,USA:IEEE,2011:5910-59154郭孔辉，徐文立，徐达伟.基于 AMESim 的新型油气弹簧建模与仿真J.江苏大学学报，2012，33（5）：497-501.6Rideout G,Anderson R J.Experimental testing and mathematical modeling of the interconnected hydra-gassuspension systemcSAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，2003：0119-0312.7边楠.一种互连式油气悬挂特性研究D.北京理工大学硕士学位论文，2014.作者信息：朱兴高（北京市海淀区中关村南大街 5 号北京理工大学机械与车辆学院，100081，18810328092，）杨聪彬（北京市海淀区中关村南大街 5 号北京理工大学机械与车辆学院，100081，13581718260， ）
