汽車(chē)懸架彈性元件動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真*

沈仙法，馮 利，陳曉穎

（三江學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南京 210012）

0 引言

汽車(chē)懸架彈性元件中的鋼板彈簧、橡膠懸置件和減振器在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受道路和氣候等因素影響，經(jīng)常會(huì)發(fā)生疲勞破壞，嚴(yán)重影響了汽車(chē)的使用性能。液壓動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)能準(zhǔn)確測(cè)試這類(lèi)彈性元件的疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能，但因動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)的核心技術(shù)長(zhǎng)期被歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家控制，我國(guó)在此相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域差距較大，國(guó)內(nèi)大部分廠家只能生產(chǎn)比較簡(jiǎn)單的靜態(tài)測(cè)試疲勞試驗(yàn)臺(tái)，很少有廠家能夠生產(chǎn)動(dòng)態(tài)測(cè)試疲勞試驗(yàn)臺(tái)[1-2]。為此，很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，張兵等[3]針對(duì)液壓式汽車(chē)減震器測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得出了汽車(chē)減震器性能測(cè)試平臺(tái)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。卜勻等[4]采用Matlab軟件對(duì)軋制伺服油缸試驗(yàn)臺(tái)液壓控制系統(tǒng)模型進(jìn)行頻域和時(shí)域的仿真研究，并針對(duì)控制系統(tǒng)中各種參數(shù)的影響提出了改進(jìn)方案。曹立波等[5]針對(duì)大型軋制伺服液壓缸試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)伺服液壓缸的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析。李偉波[6]提出了電液伺服閥低溫試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和方案。楊惠忠等[7]開(kāi)發(fā)了一種汽車(chē)減振器液壓伺服式試驗(yàn)臺(tái)。利用Compact RIO平臺(tái)和Labview軟件，劉震濤[8]分析了Compact RIO控制器機(jī)體的液壓疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體疲勞破損的在線識(shí)別。

綜上所述，各類(lèi)測(cè)試臺(tái)的研究并沒(méi)有針對(duì)汽車(chē)懸架彈性元件，因此，本文將針對(duì)汽車(chē)懸架彈性元件的動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用AMESim軟件完成液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)，從而為實(shí)現(xiàn)液壓動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)的國(guó)產(chǎn)化和批量化生產(chǎn)提供有益幫助。

1 動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)

汽車(chē)懸架彈性元件動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)由兩組對(duì)稱(chēng)的測(cè)試臺(tái)組成。每組試驗(yàn)臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制電液伺服閥驅(qū)動(dòng)伺服液壓缸，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移、負(fù)載、變形量等變量的自動(dòng)控制，并完成零件的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)設(shè)定、過(guò)程控制以及數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、存儲(chǔ)和顯示。

圖1 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)臺(tái)工作原理

液壓泵站將油輸送到伺服閥，控制器中的給定信號(hào)與傳感器的反饋信號(hào)的差值通過(guò)放大器放大，并輸入伺服閥，控制伺服閥閥芯的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)油壓、流量的變化。高壓油交替輸入伺服液壓缸，驅(qū)動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，對(duì)試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。同時(shí)，在液壓缸的伸出端安裝傳感器，各傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，通過(guò)控制器傳送至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示與儲(chǔ)存。具體原理如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)工作原理

1.3 試驗(yàn)流程

動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)過(guò)程如下：首先啟動(dòng)伺服試驗(yàn)臺(tái)，安裝測(cè)試件且將其固定在試驗(yàn)臺(tái)，然后在計(jì)算機(jī)中輸入扭矩、頻率等測(cè)試參數(shù)，再開(kāi)始測(cè)試。測(cè)試時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在計(jì)算機(jī)中顯示。測(cè)試結(jié)束時(shí)，存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)并關(guān)閉測(cè)試機(jī)。測(cè)試過(guò)程如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)流程

2 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵組件。液壓系統(tǒng)中伺服液壓缸輸出位移與作用力由系統(tǒng)的工作壓力與流量決定。

2.1 控制元件的選擇

動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)中，比例閥與伺服閥都可以用于其控制系統(tǒng)，但比例閥在工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)零位死區(qū)，其控制精度、頻率響應(yīng)與伺服閥相比較低。若將固有頻率考慮在內(nèi)，則其輸出頻率將不能滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，因此，設(shè)計(jì)中控制元件主要采用電液伺服閥。

2.2 執(zhí)行元件的選擇

伺服液壓缸專(zhuān)為自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，突出了動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)液壓缸的要求，設(shè)計(jì)選用液壓伺服缸作為其執(zhí)行元件。

2.3 液壓系統(tǒng)工作原理

動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。由圖可知，液壓系統(tǒng)主要由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的子系統(tǒng)組成，這樣就可以同時(shí)對(duì)試件兩個(gè)不同方向進(jìn)行加載。以其中一個(gè)子系統(tǒng)為例，其工作原理為：?jiǎn)?dòng)試驗(yàn)臺(tái)，液壓泵由電機(jī)啟動(dòng)向系統(tǒng)輸送油液，增壓過(guò)的油液有兩條通道，一條是進(jìn)入蓄能器，起輔助液壓源，快速補(bǔ)充油液和緩沖作用。另一條是進(jìn)入加載系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)二位二通電磁換向閥開(kāi)關(guān)打開(kāi)，則系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行一個(gè)方向力的加載，若兩個(gè)二位二通電磁換向閥同時(shí)打開(kāi)，則液壓系統(tǒng)同時(shí)對(duì)試件進(jìn)行2個(gè)方向力的加載[9]。

圖4 液壓系統(tǒng)原理

當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到28 MPa時(shí)，壓力傳感器發(fā)送信號(hào)至電磁溢流閥，使得電磁溢流閥通電，此時(shí)，系統(tǒng)卸荷，壓力下降，油液由蓄能器提供作為補(bǔ)充。當(dāng)系統(tǒng)壓力下降至25 MPa時(shí)，壓力傳感器發(fā)送信號(hào)至電磁溢流閥，電磁溢流閥斷電，系統(tǒng)內(nèi)油液繼續(xù)由液壓泵提供，系統(tǒng)壓力上升。

當(dāng)系統(tǒng)中油液溫度達(dá)到甚至超過(guò)65℃時(shí)，溫度傳感器發(fā)送信號(hào)至冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)冷卻器開(kāi)始工作，冷卻系統(tǒng)中油液，控制油液溫度。當(dāng)系統(tǒng)中油液溫度下降至35℃時(shí)，溫度傳感器發(fā)出信號(hào)，冷卻系統(tǒng)電機(jī)關(guān)閉。

如需同時(shí)對(duì)兩個(gè)試件進(jìn)行軸向與徑向加載，可同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)液壓泵用電機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)二位二通電磁換向閥的位置和截止閥通斷，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)試件的壓力加載。

3 液壓系統(tǒng)主要元件計(jì)算與選型

（1）液壓伺服缸

人工智能借助于高度發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)實(shí)施智能化信息推送，使知識(shí)信息獲取便捷快速，由此產(chǎn)生出日趨常態(tài)化、無(wú)所不在的碎片化知識(shí)獲取方式。第十四次全國(guó)國(guó)民閱讀調(diào)查結(jié)果顯示：2016年我國(guó)成年國(guó)民數(shù)字化閱讀方式(網(wǎng)絡(luò)在線閱讀、手機(jī)閱讀、電子閱讀器閱讀、iPad閱讀等)的接觸率為68.2%，較2015年的64.0%上升了4.2個(gè)百分點(diǎn)；從人們對(duì)不同媒介接觸時(shí)長(zhǎng)來(lái)看，成年國(guó)民人均每天手機(jī)閱讀接觸時(shí)間最長(zhǎng)。我國(guó)成年國(guó)民人均每天手機(jī)接觸時(shí)長(zhǎng)為74.40分鐘，比2015年的62.21分鐘增加了12.19分鐘 。[11]可見(jiàn)，在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)日臻智能化的今天，高度個(gè)性化的知識(shí)學(xué)習(xí)方式已經(jīng)在全社會(huì)悄然普及。

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)參數(shù)，液壓疲勞試驗(yàn)臺(tái)最大載荷為63 kN，查相關(guān)手冊(cè)可初選液壓缸的工作壓力為7 MPa[10]，由于液壓缸單向加載，故選用單桿式液壓缸。假設(shè)回油壓力值為0 MPa，由活塞受力計(jì)算公式F=p1A1ηm可得：

式中：F為最大載荷，63 kN；p1為無(wú)桿腔工作壓力，7 MPa；ηm為機(jī)械效率，取0.9；A1為活塞面積，m2；

由活塞面積公式，可得液壓缸內(nèi)徑為113 mm。再根據(jù)液壓缸工作壓力與液壓缸內(nèi)徑查手冊(cè)可計(jì)算出活塞桿直徑為79.1 mm。通過(guò)計(jì)算，求得了液壓缸內(nèi)徑D=125 mm，活塞桿直徑d=80 mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最終確定伺服液壓缸型號(hào)為HSGL01-125，參數(shù)為D=125 mm，活塞桿直徑d=90 mm，最大行程S=1 500 mm。

（2）伺服閥

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際工作情況，液壓缸工作速度v設(shè)為0.1 m∕s。同時(shí)，因液壓缸工作中存在泄漏現(xiàn)象，故將伺服閥的流量增加20%，為72 L∕min。根據(jù)結(jié)果，最終確定伺服閥型號(hào)為DO79-10，額定流量為113 L∕min。

（3）液壓泵及電機(jī)

液壓系統(tǒng)中每個(gè)液壓泵均供油給兩個(gè)執(zhí)行元件，伺服閥最大流量為72 L∕min，若回路中油液的泄漏量以伺服閥輸入流量的10%計(jì)算，則液壓泵的輸出流量應(yīng)大于80 L∕min。取系統(tǒng)壓力為28 MPa，根據(jù)壓力、流量數(shù)值，查閱相關(guān)產(chǎn)品規(guī)格，確定液壓泵型號(hào)為A7V40軸向柱塞泵，理論排量Vp=40.1 mL∕r，額定轉(zhuǎn)速n=3 000 r∕min，最高壓力pmax=31.5 MPa，容積效率ηv=0.9，當(dāng)液壓泵在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，其實(shí)際輸出流量為108.2 L∕min。當(dāng)液壓泵的總效率η=0.85，實(shí)際流量為108.2 L∕min時(shí)，則液壓泵電機(jī)的計(jì)算功率為50.49 kW。

根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)，查閱標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)產(chǎn)品規(guī)格，確定液壓泵電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y250M-2，額定功率為55 kW，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r∕min。

通過(guò)計(jì)算液壓系統(tǒng)的散熱功率，求得試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)最大發(fā)熱量為59.724 kW，油箱最大發(fā)熱量為3.951 kW。由此可得出，油箱散熱無(wú)法滿(mǎn)足整個(gè)液壓系統(tǒng)的散熱要求，而在工作過(guò)程中，液壓管路的散熱量較小，故應(yīng)在液壓系統(tǒng)中加入水冷卻器。

油液進(jìn)入冷卻器時(shí)，取T1=65℃。油液流出冷卻器時(shí)，取T2=45℃。冷卻器中冷卻液入口溫度t1=20℃，出口溫度t2=30℃，可得Δtm=10℃。進(jìn)而求得冷卻器的所需的冷卻面積為5.31 m2。最終選擇冷卻器的型號(hào)為2LQFWA6F，冷卻面積為5.76 m2。

4 液壓系統(tǒng)仿真分析

4.1 仿真模型與參數(shù)

利用AMESIM軟件中的元件庫(kù)搭建液壓系統(tǒng)的仿真模型后，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置模式，具體系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 液壓元件參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果與分析

在AMESim軟件中，對(duì)汽車(chē)懸架彈性元件的試件進(jìn)行加載時(shí)域仿真，設(shè)置加載波形為方波，頻率為5 Hz，脈沖比50%，最大值為1，最小值為-1，相位延遲0 s，設(shè)置仿真終止時(shí)間10 s，打印間隔0.05 s，運(yùn)行時(shí)域仿真，得到伺服液壓缸加載壓力和流量變化，如圖5~6所示。

從圖5可以看出，仿真初期，油液開(kāi)始進(jìn)入液壓缸中，因?yàn)楦字械挠鸵狠^少，剛進(jìn)入液壓缸中的油液對(duì)缸壁產(chǎn)生了壓力沖擊，導(dǎo)致加載壓力一開(kāi)始很高，隨著進(jìn)油與回油的持續(xù)進(jìn)行，在運(yùn)行0.8 s后，加載壓力開(kāi)始穩(wěn)定，呈周期波形變化，周期為T(mén)=0.2 s，加載壓力最大值為1.5 MPa。

圖5 加載壓力時(shí)域變化曲線

從圖6可以看出，仿真初期，在承受載荷的一端，液壓缸腔內(nèi)回油較少，無(wú)載荷一端隨著油液的增多，壓力增大，使得承受載荷的一端流量劇增，隨著進(jìn)油與回油的進(jìn)行，流量變化趨勢(shì)開(kāi)始穩(wěn)定，呈周期波形變化，周期為0.2 s，腔內(nèi)最大流量為0.38 L∕min。

圖6 流量時(shí)域變化曲線

5 動(dòng)態(tài)特性影響因素分析

5.1 活塞桿直徑的影響

改變活塞桿的直徑，將活塞桿直徑分別設(shè)置為80 mm、90 mm和100 mm，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可知，當(dāng)活塞桿直徑為80 mm時(shí)，加載壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間約為1.8 s；當(dāng)活塞桿直徑為90 mm時(shí)，加載壓力達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間約為1.1 s；當(dāng)活塞桿直徑為100 mm時(shí)，加載壓力達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間約為0.4 s。在這3種狀況下，其穩(wěn)定后的最大值也不相同，故可以得出結(jié)論：活塞桿直徑對(duì)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有影響，而隨著活塞桿直徑的增大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也越快，控制精度也越高。

圖7 直徑變化時(shí)加載壓力曲線

5.2 液壓缸泄漏系數(shù)的影響

加載波形為方波，伺服液壓缸的泄漏系數(shù)分別為0.05 L∕(min·MPa)和0.5 L∕(min·MPa)，仿真結(jié)果如圖8所示。由圖可知，液壓缸加載壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間隨著液壓缸泄漏系數(shù)的增大而變長(zhǎng)，而且其加載壓力的控制精度也越低。

圖8 泄漏系數(shù)變化加載壓力曲線

5.3 負(fù)載大小的影響

將加載質(zhì)量設(shè)置為100 kg、1 000 kg和2 000 kg，對(duì)伺服液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。由圖可知，3種負(fù)載狀態(tài)下，其加載壓力最大值相差不大。當(dāng)系統(tǒng)壓力負(fù)載越大時(shí)，而整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化很小，而且加載壓力控制的精度也越高。

圖9 負(fù)載變化時(shí)加載壓力曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）根據(jù)汽車(chē)懸架彈性元件動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)要求，明確了試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)框架，提出了試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的工作原理，確定了主要液壓元件型號(hào)和參數(shù)，然后在AMESim軟件中對(duì)液壓系統(tǒng)加載壓力和流量進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果認(rèn)為，隨著系統(tǒng)進(jìn)油與回油的持續(xù)，系統(tǒng)壓力和流量呈現(xiàn)穩(wěn)定性周期變化，周期為0.2 s，加載壓力最大值為1.5 MPa，腔內(nèi)最大流量為0.38 L∕min。

（2）分析了活塞桿直徑為80 mm、90 mm和100 mm，泄漏系數(shù)為0.05 L∕(min·MPa)和0.5 L∕(min·MPa)，負(fù)載大小為100 kg、1 000 kg和2 000 kg時(shí)對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，結(jié)果表明，隨著活塞桿直徑的增大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度越快，控制精度越高；隨著液壓缸泄漏系數(shù)的增大，加載壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)越慢，加載壓力精度越低；隨著系統(tǒng)負(fù)載的增大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化小而加載壓力控制精度變高。