基于AMESim的重卡駕駛室振蕩優化分析

摘 要：重卡駕駛室在回落過程的振蕩嚴重影響了整個液壓系統的使用壽命，造成了較大的安全隱患。為提高翻轉機構的使用壽命、降低安全隱患，對振蕩原因進行分析，從振蕩的產生時間和幅度兩個方面對其進行優化分析。通過改變翻轉機構上下鉸接點的位置減少振蕩產生的時間。根據薄壁小孔數學模型近似替代液控單向閥，改變最大開度時的特征流量或者相應的壓降，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中搭建翻轉系統模型，應用控制變量法對振蕩的產生時間與幅度的優化結果進行仿真驗證。結果表明，通過改變駕駛室翻轉機構的部分參數，對振蕩的產生時間與幅度有著不同程度的影響，為企業人員對振蕩情況的優化工作提供了參考。

關鍵詞：重卡駕駛室；振蕩；翻轉機構；優化；液控單向閥; AMESim

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：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，這使得卡車發動機的保養和維修僅憑人力難以實現，利用機構使駕駛室翻轉是目前的主要方式。

重卡駕駛室因重量過大需采用液壓翻轉機構進行翻轉工作[1]，該機構包括翻轉部分、安全支撐部分、機構操作部分。重卡駕駛室通過液壓翻轉機構來完成駕駛室的翻轉與回落工作，在駕駛室的回落過程中，即液控單向閥的反向導通過程中會產生駕駛室振蕩。通過對液壓缸進行合理的布置和對翻轉缸[2]、液壓油泵等元件參數進行優化來提升翻轉機構性能，這具有重要的應用價值。

目前針對駕駛室的翻轉過程已經有了一些工作。周福庚、徐金志[3]對液壓缸下支點的最佳安裝位置進行研究，改善地板縱梁處的應力狀況，于保軍、于文函[4]通過搭建翻轉機構數學模型，提升液壓缸使用壽命，張家昌、肖志權[5-6]研究了翻轉機構在懸置狀態下氣穴現象產生的影響因素和脹孔的流量特性，王晨、朱德順[7]對翻轉缸活塞桿的強度和穩定性進行分析，對翻轉缸的受力情況分析提供了參考， 姜帆[8-9]對駕駛室液壓翻轉機構進行了設計。

在液控單向閥反向導通時振蕩產生的研究方面，孔凡帥、張泱[10]對液控單向閥的力學性能進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]研究優化機構來減小液壓沖擊的可能性，張東東、樊小波[13]基于AMESim對液壓單向閥卸載過程進行了分析研究，翟京、王勇[14]對液控單向閥卸載沖擊的動態進行了研究，劉群、王麗鵬[15]針對液控單向閥的閥芯進行了優化設計，謝小路、何東升等[16]對液控單向閥建立了三維流固耦合分析模型，對該液控單向閥瞬態開啟的過程特性進行了研究。

目前針對重卡駕駛室翻轉機構的優化工作已有不少，但是注意到目前的優化工作大多數是在針對駕駛室向前翻轉過程的優化，在駕駛室的翻轉過程中不僅有向前翻轉狀態還有駕駛室的回落狀態。在進行完駕駛室發動機的檢修后，駕駛室在翻轉回落過程中產生的振蕩問題極大影響著翻轉機構的使用壽命和維修人員的安全。本文針對駕駛室回落過程中振蕩產生的原因進行分析，基于AMESim軟件通過改變駕駛室翻轉機構的部分參數分析其對振蕩情況的影響。

1" 駕駛室液壓翻轉機構

某型重卡駕駛室液壓翻轉機構的簡圖如圖1所示系統主要由1.油箱2.單向閥3.手動泵4.溢流閥5.單向閥6.換向閥7.過濾器8.節流閥9.液控單向閥10.懸置鎖緊缸11.液壓翻轉缸組成。

翻轉機構通過手動泵輸出壓力油，進入懸置鎖緊缸，克服彈簧力，使鎖緊缸的活塞桿推出，開啟液壓鎖。系統的壓力油經由換向閥、液控單向閥輸入到液壓缸的無桿腔，推動活塞桿使駕駛室向上翻轉。調整換向閥，使壓力油從有桿腔進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。本文針對后頂形式的駕駛室，對其翻轉機構在回落過程產生的振蕩情況進行優化分析。

如圖2所示，在駕駛室向前翻轉時，A口為液控單向閥的進油口，B口為出油口，此時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口進入頂開彈簧從B口出去，液控單向閥實現正向導通。

在駕駛室回落過程中，液壓油從控制閥口K進入液控單向閥控制閥口通道頂開彈簧實現反向導通，B口為進油口，A口為出油口[17]。

1.1" 液壓缸活塞桿受力分析

針對液壓翻轉系統對液壓翻轉缸活塞桿進行受力分析，駕駛室在振蕩發生前的前翻和回落過程都處于動態平衡中，即活塞桿處于受力平衡階段。

在駕駛室的向前翻轉的階段，活塞桿共受到液壓翻轉缸有桿腔的壓力、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機構開始工作后，油泵開始給液壓系統供油。液壓翻轉缸無桿腔的壓力開始增加至克服液壓翻轉系統的摩擦力，駕駛室開始做向前翻轉的運動。此時活塞桿受到駕駛室壓力，液壓翻轉缸受力情況如圖3所示。

在駕駛室翻轉至過重心點后，活塞桿需要拉動駕駛室使其仍然處于動態平衡的狀態中，此時液壓翻轉缸的受力情況如圖4所示。在駕駛室翻轉至最大翻轉角度后停止翻轉保持一段時間的靜止，工作人員此時進行發動機的維修及保養等工作。

完成檢修工作后，液壓翻轉系統改變電磁換向閥的工作狀態使駕駛室開始回落。油泵元件開始工作給液壓系統供油，液控單向閥的控制閥口的壓力開始上升，液控單向閥反向導通。在駕駛室從最大翻轉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，此時液壓翻轉缸的受力情況如圖4所示。

駕駛室翻轉至過重心后，駕駛室不再給予活塞桿拉力，駕駛室自身的重量通過機構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，液壓系統的液控單向閥開始重復開啟與關閉的動作，駕駛室開始產生振蕩與噪聲。

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機構的模型，設置基本參數后進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區域，1為液壓缸無桿腔區域，2為液壓缸有杠腔區域，3為活塞桿區域。

在駕駛室的回落過程中，液控單向閥的反向導通需要控制閥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通。對液控單向閥的閥芯進行受力分析。

閥芯受背壓、控制閥口壓力，自身機構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比大于背壓與額定打開壓力的和時，閥芯開啟。在液控單向閥的控制壓力乘以先導比小于背壓與額定打開壓力的和時，閥芯關閉，液控單向閥不能正常反向導通。

如圖5所示在100 s時駕駛室開始回落過程，在120 s附近駕駛室開始產生振蕩和噪音。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生一直在逐漸增大。

因駕駛室的回落過程保持動態平衡，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。

對液壓系統分析可知，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，等式左側液壓缸有桿腔的壓力逐漸減小，等式右側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）左側小于右側部分，則導致液控單向閥的閥芯關閉，駕駛室停止下落。液控單向閥關閉后，油泵持續給液壓系統加壓至式（2）左側重新大于右側，液控單向閥閥芯重新開啟，駕駛室繼續下落，后續液控單向閥重復上述動作導致駕駛室產生振蕩情況發生。

2" 駕駛室振蕩的優化分析

以某重型卡車為例，簡化其駕駛室翻轉機構并搭建數學模型如圖8所示：

圖8" 駕駛室翻轉機構簡化圖

對駕駛室的回落過程有力矩平衡，則：

（3）

式中：

—駕駛室的質量

—翻轉中心與翻轉缸下鉸接點的距離

—駕駛室的頂出力

—為翻轉中心到重心的距離

—為重心翻轉中心連線與鉛垂線的實際夾角

—為過O點作CD垂線與上-下固定點（實際位置）的夾角

由公式推導可得頂出力的表達式如下：

（4）

—翻轉缸上下鉸接點的距離（初始位置）

—翻轉中心與翻轉缸上鉸接點的距離

—駕駛室的翻轉角度

—翻轉中心-下鉸接點和翻轉中心-上鉸接點的夾角

對液控單向閥來說，其閥芯共有三個時間段：

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

（2）當閥芯受力平衡時，此時為駕駛室振蕩產生的時間。

（3）駕駛室產生振蕩后，閥芯的受力是在從控制壓力一側小于背壓一側駕駛室停止翻轉，到控制壓力一側大于背壓一側繼續翻轉，這樣做著重復的變化。

2.1" 改變上下鉸接點的位置

因為駕駛室的翻轉與回落是力矩平衡的動態過程，其回落的速度是恒定的，所以時間的變化可以對應角度的變化即翻轉角的大小。減小駕駛室產生振蕩時候的翻轉角，而駕駛室最終回落的時間不變，即可降低駕駛室振蕩產生的時長。

由圖5所示，在駕駛室回落階段，振蕩產生前，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比隨即確定，液控單向閥的狀態由式（2）左側即控制壓力確定。

由式（1）可知，

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

對式（4）分析可知，一般情況下，駕駛室的質量，重心位置一般難以變化。通過改變駕駛室的上下鉸接點位置，達成在減小翻轉角度使得不變。

設置變化率為，上下鉸接點的坐標分別為（），（），其中為常量，則

（5）

對乘號右側翻轉角所影響因式，

對因式的因子，當翻轉角減小時，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，

對上式而言，分子在時最小，分母在增大時增大。

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可知在優化前駕駛室振蕩產生的時間是在121 s左右，在優化后駕駛室正當產生的時間在124 s左右，優化前后的振蕩結束的時間一致，所以優化后振蕩產生的時間減少。

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]。對駕駛室的翻轉機構而言，如圖2所示，K為翻轉機構的液控單向閥控制閥口的輸油軟管，一般為標準件。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。

液控單向閥可以簡化其模型為薄壁小孔式的流量通路，常見的數學描述通常基于伯努利方程以流量系數的形式表現，

（6）

式中：

—流量

—流量系數

—孔的橫截面

—壓差

—平均壓力下的密度

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

圖9最大開度時的特征流量為0.2 L/min，相應的壓降為5 bar，比較圖9、圖11和圖12可知，在通過改變最大開度時的特征流量或者相應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。在卡車實際工作中，駕駛室翻轉的過程僅占其使用過程的很小的一部分。一般情況下，大約一個月才會需要進行駕駛室的翻轉工作來完成發動機的檢修等任務。重卡的主要任務是運載貨物，而駕駛室的翻轉機構大部分時間是處于懸置狀態而非翻轉狀態。在重卡的使用過程中，駕駛員會受到駕駛室傳遞的振蕩。過度減小控制閥口的大小會導致駕駛室懸置系統的隔振性能減弱，不能夠有效的削弱駕駛室的振動，對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計時，需要同時兼顧駕駛室的翻轉機構對懸置狀態的性能影響。

3" 結論

在對駕駛室回落過程中產生振蕩的原因進行分析后，針對駕駛室振蕩的時間與幅度兩個方面進行優化。通過改變液壓翻轉機構的上下鉸接點的位置和液控單向閥控制閥口的大小來優化駕駛室的振蕩情況是可行的。

在進行駕駛室的振蕩優化時，仍需考慮駕駛室在懸置狀態下的性能。通過在AMESim中的建模仿真為駕駛室的整體優化提供參考，用以獲得更佳的組合性能。同時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

（責任編輯：周莉）