基于AMESim的重卡駕駛室振蕩優(yōu)化分析

摘 要：重卡駕駛室在回落過程的振蕩嚴(yán)重影響了整個(gè)液壓系統(tǒng)的使用壽命，造成了較大的安全隱患。為提高翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的使用壽命、降低安全隱患，對(duì)振蕩原因進(jìn)行分析，從振蕩的產(chǎn)生時(shí)間和幅度兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析。通過改變翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上下鉸接點(diǎn)的位置減少振蕩產(chǎn)生的時(shí)間。根據(jù)薄壁小孔數(shù)學(xué)模型近似替代液控單向閥，改變最大開度時(shí)的特征流量或者相應(yīng)的壓降，來間接改變液控單向閥控制閥口的大小，從而降低閥芯的開啟速度，減小駕駛室振蕩的幅度。在AMESim中搭建翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)模型，應(yīng)用控制變量法對(duì)振蕩的產(chǎn)生時(shí)間與幅度的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，通過改變駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的部分參數(shù)，對(duì)振蕩的產(chǎn)生時(shí)間與幅度有著不同程度的影響，為企業(yè)人員對(duì)振蕩情況的優(yōu)化工作提供了參考。

關(guān)鍵詞：重卡駕駛室；振蕩；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；優(yōu)化；液控單向閥; AMESim

中圖分類號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－414X（2023）06－0054－06

0" 引言

目前為增加卡車的載貨能力，卡車逐漸平頭化，這使得卡車發(fā)動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)和維修僅憑人力難以實(shí)現(xiàn)，利用機(jī)構(gòu)使駕駛室翻轉(zhuǎn)是目前的主要方式。

重卡駕駛室因重量過大需采用液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)工作[1]，該機(jī)構(gòu)包括翻轉(zhuǎn)部分、安全支撐部分、機(jī)構(gòu)操作部分。重卡駕駛室通過液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來完成駕駛室的翻轉(zhuǎn)與回落工作，在駕駛室的回落過程中，即液控單向閥的反向?qū)ㄟ^程中會(huì)產(chǎn)生駕駛室振蕩。通過對(duì)液壓缸進(jìn)行合理的布置和對(duì)翻轉(zhuǎn)缸[2]、液壓油泵等元件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化來提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)性能，這具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前針對(duì)駕駛室的翻轉(zhuǎn)過程已經(jīng)有了一些工作。周福庚、徐金志[3]對(duì)液壓缸下支點(diǎn)的最佳安裝位置進(jìn)行研究，改善地板縱梁處的應(yīng)力狀況，于保軍、于文函[4]通過搭建翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，提升液壓缸使用壽命，張家昌、肖志權(quán)[5-6]研究了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在懸置狀態(tài)下氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的影響因素和脹孔的流量特性，王晨、朱德順[7]對(duì)翻轉(zhuǎn)缸活塞桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)翻轉(zhuǎn)缸的受力情況分析提供了參考， 姜帆[8-9]對(duì)駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

在液控單向閥反向?qū)〞r(shí)振蕩產(chǎn)生的研究方面，孔凡帥、張泱[10]對(duì)液控單向閥的力學(xué)性能進(jìn)行分析改善其反向開啟的性能，崔述凱[11]分析了影響控制壓力的因素，韓偉[12]研究優(yōu)化機(jī)構(gòu)來減小液壓沖擊的可能性，張東東、樊小波[13]基于AMESim對(duì)液壓?jiǎn)蜗蜷y卸載過程進(jìn)行了分析研究，翟京、王勇[14]對(duì)液控單向閥卸載沖擊的動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究，劉群、王麗鵬[15]針對(duì)液控單向閥的閥芯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，謝小路、何東升等[16]對(duì)液控單向閥建立了三維流固耦合分析模型，對(duì)該液控單向閥瞬態(tài)開啟的過程特性進(jìn)行了研究。

目前針對(duì)重卡駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化工作已有不少，但是注意到目前的優(yōu)化工作大多數(shù)是在針對(duì)駕駛室向前翻轉(zhuǎn)過程的優(yōu)化，在駕駛室的翻轉(zhuǎn)過程中不僅有向前翻轉(zhuǎn)狀態(tài)還有駕駛室的回落狀態(tài)。在進(jìn)行完駕駛室發(fā)動(dòng)機(jī)的檢修后，駕駛室在翻轉(zhuǎn)回落過程中產(chǎn)生的振蕩問題極大影響著翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的使用壽命和維修人員的安全。本文針對(duì)駕駛室回落過程中振蕩產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，基于AMESim軟件通過改變駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的部分參數(shù)分析其對(duì)振蕩情況的影響。

1" 駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

某型重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖如圖1所示系統(tǒng)主要由1.油箱2.單向閥3.手動(dòng)泵4.溢流閥5.單向閥6.換向閥7.過濾器8.節(jié)流閥9.液控單向閥10.懸置鎖緊缸11.液壓翻轉(zhuǎn)缸組成。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過手動(dòng)泵輸出壓力油，進(jìn)入懸置鎖緊缸，克服彈簧力，使鎖緊缸的活塞桿推出，開啟液壓鎖。系統(tǒng)的壓力油經(jīng)由換向閥、液控單向閥輸入到液壓缸的無桿腔，推動(dòng)活塞桿使駕駛室向上翻轉(zhuǎn)。調(diào)整換向閥，使壓力油從有桿腔進(jìn)入至有桿腔壓力大于無桿腔壓力，活塞桿開始回縮，駕駛室完成回落。

駕駛室的翻轉(zhuǎn)方式分為前頂和后頂：（1）前頂方式，頂出力較小但需要的油缸活塞行程較長。（2）后頂方式，需要的頂出力更大，油缸活塞的行程較短。本文針對(duì)后頂形式的駕駛室，對(duì)其翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在回落過程產(chǎn)生的振蕩情況進(jìn)行優(yōu)化分析。

如圖2所示，在駕駛室向前翻轉(zhuǎn)時(shí)，A口為液控單向閥的進(jìn)油口，B口為出油口，此時(shí)液控單向閥作為單向閥的作用。在油泵開始供油后，液壓油從液控單向閥的A口進(jìn)入頂開彈簧從B口出去，液控單向閥實(shí)現(xiàn)正向?qū)ā?/p>

在駕駛室回落過程中，液壓油從控制閥口K進(jìn)入液控單向閥控制閥口通道頂開彈簧實(shí)現(xiàn)反向?qū)ǎ珺口為進(jìn)油口，A口為出油口[17]。

1.1" 液壓缸活塞桿受力分析

針對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)缸活塞桿進(jìn)行受力分析，駕駛室在振蕩發(fā)生前的前翻和回落過程都處于動(dòng)態(tài)平衡中，即活塞桿處于受力平衡階段。

在駕駛室的向前翻轉(zhuǎn)的階段，活塞桿共受到液壓翻轉(zhuǎn)缸有桿腔的壓力、無桿腔的壓力及駕駛室給活塞桿的力即此三力受力平衡可得下面公式：

（1）

—無桿腔的壓力

—無桿腔作用力的面積

—有桿腔的壓力

—有桿腔作用力的面積

—駕駛室給予活塞桿的力

在駕駛室的液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開始工作后，油泵開始給液壓系統(tǒng)供油。液壓翻轉(zhuǎn)缸無桿腔的壓力開始增加至克服液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的摩擦力，駕駛室開始做向前翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。此時(shí)活塞桿受到駕駛室壓力，液壓翻轉(zhuǎn)缸受力情況如圖3所示。

在駕駛室翻轉(zhuǎn)至過重心點(diǎn)后，活塞桿需要拉動(dòng)駕駛室使其仍然處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)中，此時(shí)液壓翻轉(zhuǎn)缸的受力情況如圖4所示。在駕駛室翻轉(zhuǎn)至最大翻轉(zhuǎn)角度后停止翻轉(zhuǎn)保持一段時(shí)間的靜止，工作人員此時(shí)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的維修及保養(yǎng)等工作。

完成檢修工作后，液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)改變電磁換向閥的工作狀態(tài)使駕駛室開始回落。油泵元件開始工作給液壓系統(tǒng)供油，液控單向閥的控制閥口的壓力開始上升，液控單向閥反向?qū)āＴ隈{駛室從最大翻轉(zhuǎn)角度至過重心位置階段，液壓缸活塞桿仍受駕駛室給予的拉力，此時(shí)液壓翻轉(zhuǎn)缸的受力情況如圖4所示。

駕駛室翻轉(zhuǎn)至過重心后，駕駛室不再給予活塞桿拉力，駕駛室自身的重量通過機(jī)構(gòu)以一定的角度傳遞后給予活塞桿壓力。在駕駛室回落至一定的角度后，液壓系統(tǒng)的液控單向閥開始重復(fù)開啟與關(guān)閉的動(dòng)作，駕駛室開始產(chǎn)生振蕩與噪聲。

1.2" 液控單向閥分析

在AMESim軟件中搭建某型重卡駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的模型，設(shè)置基本參數(shù)后進(jìn)行仿真得到有桿腔與無桿腔壓力變化圖，如圖5所示。如圖6所示，液壓缸大致分為三個(gè)區(qū)域，1為液壓缸無桿腔區(qū)域，2為液壓缸有杠腔區(qū)域，3為活塞桿區(qū)域。

在駕駛室的回落過程中，液控單向閥的反向?qū)ㄐ枰刂崎y口的壓力升高至液控單向閥的額定打開壓力，閥芯打開使得液壓油正常導(dǎo)通。對(duì)液控單向閥的閥芯進(jìn)行受力分析。

閥芯受背壓、控制閥口壓力，自身機(jī)構(gòu)如彈簧的額定打開壓力。閥芯打開瞬間的受力如下，

（2）

—液控單向閥控制閥口的壓力

—液控單向閥的先導(dǎo)比

—液控單向閥的額定打開壓力

從閥芯受力情況可知在液控單向閥的控制壓力乘以先導(dǎo)比大于背壓與額定打開壓力的和時(shí)，閥芯開啟。在液控單向閥的控制壓力乘以先導(dǎo)比小于背壓與額定打開壓力的和時(shí)，閥芯關(guān)閉，液控單向閥不能正常反向?qū)ā?/p>

如圖5所示在100 s時(shí)駕駛室開始回落過程，在120 s附近駕駛室開始產(chǎn)生振蕩和噪音。駕駛室的頂出力如圖7所示，駕駛室的頂出力在駕駛室回落階段至振蕩產(chǎn)生一直在逐漸增大。

因駕駛室的回落過程保持動(dòng)態(tài)平衡，由式（1）可知，在保證液壓缸的無桿腔的壓力不變的情況下，駕駛室頂出力增大，則液壓缸的有桿腔減小。

對(duì)液壓系統(tǒng)分析可知，液控單向閥的控制壓力等于液壓缸的有桿腔的壓力，背壓等于液壓缸無桿腔的壓力。由式（2）分析可得，等式左側(cè)液壓缸有桿腔的壓力逐漸減小，等式右側(cè)液壓缸的無桿腔壓力和額定打開壓力不變。隨著駕駛室的不斷下落，駕駛室的頂出力逐漸增大，隨即液壓缸的有桿腔壓力也逐漸減小至式（2）左側(cè)小于右側(cè)部分，則導(dǎo)致液控單向閥的閥芯關(guān)閉，駕駛室停止下落。液控單向閥關(guān)閉后，油泵持續(xù)給液壓系統(tǒng)加壓至式（2）左側(cè)重新大于右側(cè)，液控單向閥閥芯重新開啟，駕駛室繼續(xù)下落，后續(xù)液控單向閥重復(fù)上述動(dòng)作導(dǎo)致駕駛室產(chǎn)生振蕩情況發(fā)生。

2" 駕駛室振蕩的優(yōu)化分析

以某重型卡車為例，簡(jiǎn)化其駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)并搭建數(shù)學(xué)模型如圖8所示：

圖8" 駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

對(duì)駕駛室的回落過程有力矩平衡，則：

（3）

式中：

—駕駛室的質(zhì)量

—翻轉(zhuǎn)中心與翻轉(zhuǎn)缸下鉸接點(diǎn)的距離

—駕駛室的頂出力

—為翻轉(zhuǎn)中心到重心的距離

—為重心翻轉(zhuǎn)中心連線與鉛垂線的實(shí)際夾角

—為過O點(diǎn)作CD垂線與上-下固定點(diǎn)（實(shí)際位置）的夾角

由公式推導(dǎo)可得頂出力的表達(dá)式如下：

（4）

—翻轉(zhuǎn)缸上下鉸接點(diǎn)的距離（初始位置）

—翻轉(zhuǎn)中心與翻轉(zhuǎn)缸上鉸接點(diǎn)的距離

—駕駛室的翻轉(zhuǎn)角度

—翻轉(zhuǎn)中心-下鉸接點(diǎn)和翻轉(zhuǎn)中心-上鉸接點(diǎn)的夾角

對(duì)液控單向閥來說，其閥芯共有三個(gè)時(shí)間段：

（1）在振蕩產(chǎn)生前，閥芯受力為控制壓力一側(cè)大于背壓一側(cè)，此時(shí)閥芯為開啟狀態(tài)。

（2）當(dāng)閥芯受力平衡時(shí)，此時(shí)為駕駛室振蕩產(chǎn)生的時(shí)間。

（3）駕駛室產(chǎn)生振蕩后，閥芯的受力是在從控制壓力一側(cè)小于背壓一側(cè)駕駛室停止翻轉(zhuǎn)，到控制壓力一側(cè)大于背壓一側(cè)繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，這樣做著重復(fù)的變化。

2.1" 改變上下鉸接點(diǎn)的位置

因?yàn)轳{駛室的翻轉(zhuǎn)與回落是力矩平衡的動(dòng)態(tài)過程，其回落的速度是恒定的，所以時(shí)間的變化可以對(duì)應(yīng)角度的變化即翻轉(zhuǎn)角的大小。減小駕駛室產(chǎn)生振蕩時(shí)候的翻轉(zhuǎn)角，而駕駛室最終回落的時(shí)間不變，即可降低駕駛室振蕩產(chǎn)生的時(shí)長。

由圖5所示，在駕駛室回落階段，振蕩產(chǎn)生前，液壓缸的無桿腔壓力保持恒定。在液控單向閥選定后，額定打開壓力和先導(dǎo)比隨即確定，液控單向閥的狀態(tài)由式（2）左側(cè)即控制壓力確定。

由式（1）可知，

為減少駕駛室振蕩的時(shí)間，需減少駕駛室開始振蕩時(shí)的翻轉(zhuǎn)角度，又因式（2）右側(cè)保持不變，所以需要在翻轉(zhuǎn)角度減少的同時(shí)，通過改變其他變量以滿足式（2）.

對(duì)式（4）分析可知，一般情況下，駕駛室的質(zhì)量，重心位置一般難以變化。通過改變駕駛室的上下鉸接點(diǎn)位置，達(dá)成在減小翻轉(zhuǎn)角度使得不變。

設(shè)置變化率為，上下鉸接點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（），（），其中為常量，則

（5）

對(duì)乘號(hào)右側(cè)翻轉(zhuǎn)角所影響因式，

對(duì)因式的因子，當(dāng)翻轉(zhuǎn)角減小時(shí)，分子增大，分母減小因此因式整體增大。如需保證變化率值的大小不變，需減小的值，

對(duì)上式而言，分子在時(shí)最小，分母在增大時(shí)增大。

在AMESim中搭建仿真模型保證其他變量不變，改變上下鉸接點(diǎn)的位置得到液壓缸有桿腔與無桿腔的壓力變化圖（圖9）。

由圖10可知在優(yōu)化前駕駛室振蕩產(chǎn)生的時(shí)間是在121 s左右，在優(yōu)化后駕駛室正當(dāng)產(chǎn)生的時(shí)間在124 s左右，優(yōu)化前后的振蕩結(jié)束的時(shí)間一致，所以優(yōu)化后振蕩產(chǎn)生的時(shí)間減少。

2.2" 控制閥口大小

通過改變控制閥口的大小可以使液控單向閥的閥芯的開啟速度減慢[18]。對(duì)駕駛室的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)而言，如圖2所示，K為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液控單向閥控制閥口的輸油軟管，一般為標(biāo)準(zhǔn)件。改變控制閥口的大小一般通過改變上方加工件通道大小。減小通道大小，經(jīng)過控制閥口的流量減小，液控單向閥的閥芯開啟速度降低。

液控單向閥可以簡(jiǎn)化其模型為薄壁小孔式的流量通路，常見的數(shù)學(xué)描述通常基于伯努利方程以流量系數(shù)的形式表現(xiàn)，

（6）

式中：

—流量

—流量系數(shù)

—孔的橫截面

—壓差

—平均壓力下的密度

其中，一般保持不變，在保證相應(yīng)壓降不變的情況下，降低最大開度時(shí)的特征流量，則對(duì)應(yīng)的孔的橫截面積減小。在保證最大開度時(shí)的特征流量不變時(shí)，增大其相應(yīng)的壓降，則對(duì)應(yīng)的孔的橫截面積也需減小。通過改變這兩個(gè)參數(shù)的值來間接的對(duì)應(yīng)控制閥口的大小。

圖9最大開度時(shí)的特征流量為0.2 L/min，相應(yīng)的壓降為5 bar，比較圖9、圖11和圖12可知，在通過改變最大開度時(shí)的特征流量或者相應(yīng)的壓降來間接降低控制閥口的大小后，駕駛室的有桿腔的壓力振蕩幅度大約從17 bar降低到5 bar，無桿腔的壓力振蕩幅度大約從65 bar降低到40 bar。

由上述仿真可知，減小液控單向閥控制閥口的大小可以較為有效的降低駕駛室在回落過程中的振蕩幅度大小。

但是控制閥口卻不能為降低振蕩幅度就盲目減小。在卡車實(shí)際工作中，駕駛室翻轉(zhuǎn)的過程僅占其使用過程的很小的一部分。一般情況下，大約一個(gè)月才會(huì)需要進(jìn)行駕駛室的翻轉(zhuǎn)工作來完成發(fā)動(dòng)機(jī)的檢修等任務(wù)。重卡的主要任務(wù)是運(yùn)載貨物，而駕駛室的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)大部分時(shí)間是處于懸置狀態(tài)而非翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。在重卡的使用過程中，駕駛員會(huì)受到駕駛室傳遞的振蕩。過度減小控制閥口的大小會(huì)導(dǎo)致駕駛室懸置系統(tǒng)的隔振性能減弱，不能夠有效的削弱駕駛室的振動(dòng)，對(duì)駕駛員的身心安全造成較大影響。因此液控單向閥控制閥口的通徑設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)兼顧駕駛室的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)懸置狀態(tài)的性能影響。

3" 結(jié)論

在對(duì)駕駛室回落過程中產(chǎn)生振蕩的原因進(jìn)行分析后，針對(duì)駕駛室振蕩的時(shí)間與幅度兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。通過改變液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的上下鉸接點(diǎn)的位置和液控單向閥控制閥口的大小來優(yōu)化駕駛室的振蕩情況是可行的。

在進(jìn)行駕駛室的振蕩優(yōu)化時(shí)，仍需考慮駕駛室在懸置狀態(tài)下的性能。通過在AMESim中的建模仿真為駕駛室的整體優(yōu)化提供參考，用以獲得更佳的組合性能。同時(shí)也為液控單向閥的制造提供了理論參考。

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Oscillation Optimization Analysis of Heavy Truck Cab Based on AMESim

YU Hao-miao1， XIAO Zhi-quan1， TUO Ming-wei2

（1. Department of Mechanical Engineering and Automation， Wuhan Textile University， Wuhan Hubei 430200， China;

2. DongFeng （Shiyan） Automobile Hydraulic Power Co.， LTD， Shiyan Hubei 442000， China）

Abstract： The oscillation of heavy truck cab in the falling process seriously affects the service life of the whole hydraulic system and causes a big safety hazard. In order to improve the service life of the overturning mechanism and reduce safety risks， the reasons for oscillation were analyzed， and the optimization analysis was carried out from the two aspects of the generation time and amplitude of oscillation. The time of oscillation generation is reduced by changing the position of the upper and lower hinge points of the flipping mechanism. According to the thin wall hole mathematical model， the hydraulic control check valve is approximately replaced， and the characteristic flow rate or corresponding pressure drop when the maximum opening is changed to indirectly change the size of the control valve port of the hydraulic control check valve， so as to reduce the opening speed of the valve core and reduce the amplitude of cab oscillation. The flipping system model is built in AMESim， and the optimization results of oscillation generation time and amplitude are simulated and verified by using control variable method. The results show that the time and amplitude of oscillation are affected by changing some parameters of the cab turning mechanism， which provides a reference for the optimization work of the oscillation.

Key words： heavy truck cab; oscillation; turnover mechanism; optimize; pilot operated check valve; AMESim

（責(zé)任編輯：周莉）