资本的故事读后感:汽车空气悬架高度控制阀动力学模型的研究

汽车空气悬架高度控制阀动力学模型的研究

    1 前言

    近年来，随着人们生活水平的不断提高和我国高速公路的迅速发展，对汽车悬架系统的性能提出了更高的要求，特别是对车辆乘坐舒适性、高速行驶的平顺性以及操纵稳定性的要求也越来越高，因此空气悬架在各种车辆上得到广泛应用。与普通钢板弹簧悬架相比，空气悬架既可延长车辆的使用寿命，又可提高整车的舒适性，对于载货车还可以降低车轮的动载荷，大大减少车辆对路面的破坏程度；而对于特种车辆和专用车辆还可以按需要对车辆的车身高度进行调节。

    高度控制阀是空气悬架系统的重要组成部分，其作用是保证车辆在任何静载荷下与路面保持一定的高度，而且空气弹簧的优势也只有在采用了高度控制阀的情况下才能充分体现。文献[2]、[3]中均指出，车身高度控制技术是空气悬架设计的关键技术之一，因此需要对高度控制阀的动力学特性有更深刻的认识，这将促进空气悬架产品的开发和建模，进而提高动力学仿真计算水平，改善车辆的动力性。

    2 高度控制阀介绍

    2.1高度控制阀组成

    高度控制阀（以下称高度阀）分为机械式和电磁式，按组成分为带延时机构和不带延时机构。考虑到目前国内空气悬架多采用机械式高度阀，因此针对带延时机构和不带延时机构的两种机械式高度阀进行研究。

    延时机构由缓冲弹簧和油压减振器组成，其作用是：在车辆运行时的正常振动中，保证空气弹簧的高度虽有变化但不起进、排气作用；而当静载荷变化或以极低频率振动时，保证空气弹簧进行充、排气，以使在汽车正常的振动中高度阀的进、排气阀不会频繁地打开，从而减少压缩空气的浪费。在使用不带延时机构的高度阀时，车辆在运行过程中高度阀的进、排气阀不断地关闭，空气消耗量大，为此一般在空气通道上设置一节流孔，或在排气通道外加一长橡胶软管，以便限制空气流量，避免空气中的水分和灰尘堵塞小孔。图1为带延时机构的高度阀结构示意图，图2为不带有延时机构的高度阀结构示意图。

    2.2高度阀工作原理

    带延迟机构的高度阀工作原理：车体荷重增加时，车体下降，空气弹簧压缩，控制杆被推向上方，摆动臂开始转动，缓冲弹簧被扭动而发生的弹力带动主轴支架与油压减振器中产生的阻尼力相抗衡；摆动臂转动一定时间后，进气阀打开，风缸中的压缩空气冲开逆止阀，通过贯通本体的空气通道流向空气弹簧；车架恢复到一定高度后，控制杆会返回平衡位置，此时进气阀被关闭，压缩空气关断。当车体荷重减少时，车体上升，空气弹簧伸长，与荷重增加时情况相反，控制杆被拉下，经过一段时间后排气阀打开，空气弹簧内的空气被排出。

    不带延迟机构的高度阀工作原理：车体荷重增加时，车体下降，空气弹簧压缩，控制杆被推向上方，凸轮转动带动活塞顶开进、排气阀，风缸中的压缩空气通过一段节流通道流人空气弹簧；车架恢复到一定高度后，控制杆会返回平衡位置，此时进气阀被关闭，压缩空气关断。当车体荷重减少时，车体上升，空气弹簧伸长，与荷重增加时情况相反，控制杆被拉下，进、排气阀打开，空气弹簧内的空气经节流通道和活塞内的通道排出。3高度阀的动力学模型  对高度阀的性能而言，一般要考虑如何控制车体高度的恢复时间，即车辆在停车过程中，由于旅客上、下车而使静载荷变化后，车体调整到原来高度所需的时间，以及如何减少车辆在运行过程中由于车体振动而引起的压缩空气消耗量。高度控制阀的主要特性参数如表1所列。

    为便于研究高度阀的特性参数，由其工作原理得到动作示意如图3所示。

    图3中,xl,x2，x3分别为车架、高度阀减振器活塞以及车桥的绝对位移；y1为车架与车桥间的相对位移（空气弹簧的行程）；y2为为主轴支架端位移；y为缓冲弹簧的挠度；d为减振器阻尼系数；Kv（y）为缓冲弹簧的复原力，用来克服阀内摩擦阻力；Sn为高度阀的不感带;l1,l2,l3,l4为高度阀杠杆机构的相关尺寸。

    由图3可以看出，高度阀的进、排气阀是当活塞杆移动超过不感带时才动作的，此时高度阀的方程为：

    对式（1）进行变量代换得：

    考虑缓冲弹簧的刚度kv和预压缩量uv的影响，将式（2）代人式（1）得：

    式中，S为主轴支架靠近排气阀部位的位移；n1,n2分别为杠杆比;sign为符号函数。

    式（3）即为带延迟机构的高度阀动力学模型，当位移S>Sv时，进、排气阀开始动作，空气弹簧进、排气；式（3）中的第2个公式即为不带延迟机构的高度阀动力学模型，因该模型较简单，在下面的分析中不再加以介绍。

    4 高度阀动力学模型分析

    4.1解析法求解

    考虑到缓冲弹簧预压缩力的影响，式（3）中的第1个公式含有符号函数，因此有很强的非线性，在用解析方法求解时，可根据n1y1>y2以及n1y1≤y2两种情况分别获得如下方程：

    方程（4）、（5）为一般的线性常微分方程，其解可用通用方法求得，现仅对方程（4）的求解进行介绍。设通解为 ，利用初始条件t=0时y2=0，则可得方程（4）的解为：

    式中，A为激励y1的幅值；T=d/kv。由方程（4）中的第2个公式可知， 高度阀的进、排气阀动作，因此可得延时型高度阀的延迟时间td为：

    将式（7）进行麦克劳伦展开，并取前两项得：

    式中，

    考虑到 式（8）简化为：

    式中，FV为缓冲弹簧预压缩力，Fv=kvUv.由式（9）可以看出, td与d及Sv成正比，而与Fv及n2成反比，因此一般通过改变这些参数来调整高度阀的延迟时间。

    例，已知某高度阀的相关参数为:d=5 x 105 N·s/m，kv＝1 x 105 N/m，Uv=0.015 m，Sv=5x10-4m；n2=0.6，则可求得该高度阀的延迟时间约为2.8s.4.2 Simulink仿真分析

    在前述中利用解析方法求解了在n1y1>y2情况下高度阀的特性参数，但此求解方法是非常烦琐的。下面采用数值分析方法，建立如图4所示Simulink图框式计算模型，该模型由时钟显示、输人参数、激励、高度阀、示波器以及结果输出模块等构成。

    在仿真分析中，高度阀采用4.1节中例题的参数，并参照文献[5]中高度阀的动作延迟时间试验方法和不感带试验方法进行高度阀的延迟时间和不感带时域仿真。在动作延迟时间的仿真分析中采用了20 mm的阶跃输入，在不感带的仿真分析中采用激励频率为0.01 Hz及激励振幅分别为4 mm,4.5 mm的正弦输入yl。

    图5为高度阀在阶跃输入下的响应图（图中dis为进、排气阀行程）；图6为高度阀在激励频率为0.18 Hz、激励振幅为20 mm输入下的响应图；图7为高度阀不感带分析响应图。由图5可以看出，在20 mm的阶跃激励下，高度阀的进、排气阀在约2.2s后动作，空气弹簧进、排风，即高度阀的动作延迟时间约为2.2s，满足高度阀的技术参数要求，但与4.1节中的计算结果相比有一定误差，主要是由于在解析法求解过程中进行了较多简化造成的。由图6可以看出，在频率为0.18 Hz、振幅为20 mm正弦激励下，主轴支架端位移y2具有非线性，即减振器活塞在恢复过程的速度很快（曲线陡），在离开平衡位置的拉伸和压缩阶段变化比较平稳，主要是由于减振器阻尼单向作用的结果。由图7可以看出，在振幅为4 mm的缓慢（频率0:01 Hz）激励下，进、排气阀不动作；而在振幅为4.5 mm的缓慢激励下，进、排气阀动作，空气弹簧充、排风，因此当该高度阀的不感带约为4 mm时满足其技术参数要求。

    5 结束语

    根据高度阀的工作原理推导了其动力学模型，并分别采用解析法和数值法研究了高度阀的特性参数，通过仿真分析表明：

    与解析法相比，Simulink仿真分析处理非线性环节的能力更强，结果更直观和精确。

    b.高度阀的动作延迟时间与减振器的阻尼系数、高度阀不感带大小成正比，而与缓冲弹簧预压缩力、杠杆比成反比，其值约为2.2s.c.高度阀的不感带幅值约为4 mm,,

    d.该动力学模型对于研究高度阀的2点、3点及4点控制，提高空气悬架车辆系统的动力学仿真水平具有重要意义。