基于AMESim的油气弹簧台架建模与仿真研究

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 software 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.

2、 At the different frequency sine wave excitation, it is analyzed the hydro-pneumatic spring displacement 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; 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

3、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： 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；为活塞的直径；为活塞杆的直径。端口1的流量：其中：为端口5的速度；为端口4的速度。根据端口2的输入力、端口2的压力以及弹力来计算端口5的力：端口4 的力：2.2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

4、符号根据流量和总体计算压力的导数的公式如下：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，有以下参数需要设定：蓄能器初始体积；蓄能器初始压力；绝热指数；对于绝热过程：对于等温过程：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：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：当蓄能器含有一部分液体和气体时其中：为蓄能器的出口压力；为蓄能器内部的气体瞬时压力；为蓄能器内部的气体瞬时体积；为蓄能器内部气体初始压力；为蓄能器内部气体初始体积；为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

5、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：其中：为正弦信号的幅值； 为正弦信号的频率；为时间。3.2AMESim 仿真结果 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

6、 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

7、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 internal 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，）

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