鄭東強，周 梅

(集美大學(xué)機械工程學(xué)院，廈門 361021)

多軸轉(zhuǎn)向車輛指的是參與轉(zhuǎn)向的車軸軸數(shù)在3軸及3軸以上的車輛，是伴隨大型工程機械的不斷涌現(xiàn)而產(chǎn)生的，如國內(nèi)目前最大的全路面起重機就是采用9軸轉(zhuǎn)向。多軸轉(zhuǎn)向的主要目的是提高車輛的轉(zhuǎn)向機動性及靈活性。大型工程機械質(zhì)量大，重心高，工作條件通常較惡劣，加之還需具有高速行駛能力，因此油氣懸掛系統(tǒng)是主要采用的懸掛方式。油氣懸掛系統(tǒng)是全路面起重機底盤的兩大核心技術(shù)之一。

油氣懸掛系統(tǒng)通過調(diào)整蓄能器的壓力來改變懸掛系統(tǒng)的特性，并具有改變車身高度和整車軸負(fù)載自動調(diào)平等功能［1］。

國內(nèi)關(guān)于油氣懸掛系統(tǒng)特性研究的報告較多，通常是使用Matlab構(gòu)建仿真的數(shù)學(xué)模型，并研究其關(guān)鍵參數(shù)，例如蓄能器的壓力、阻尼孔的尺寸及有關(guān)長度、蓄能器的體積等對油氣懸掛系統(tǒng)的非線性影響［2－8］，但多數(shù)的研究卻集中在單一油氣懸掛缸的非線性特性分析上。本文利用虛擬樣機技術(shù)，對比研究了2類常用油氣懸掛系統(tǒng)的側(cè)傾特性，即非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)以及連通式油氣懸掛系統(tǒng)。同時比較了2類懸掛系統(tǒng)對車輛側(cè)傾剛度和側(cè)傾角度的影響規(guī)律。

車身側(cè)傾角會改變左右車輪的載荷和輪胎的附著力，影響著車輛的側(cè)向穩(wěn)定性和操縱穩(wěn)定性，如圖1所示。側(cè)傾角太大會讓駕駛員覺得車輛不穩(wěn)定且不安全，也會讓乘客不舒適。車身側(cè)傾剛度則是決定側(cè)傾角的主要因素。故此本文深入研究2類油氣懸掛系統(tǒng)對于車輛側(cè)傾特性的影響規(guī)律。

圖1 車輛的側(cè)傾力學(xué)模型

連通式和非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)是目前多軸轉(zhuǎn)向車輛普遍采用的2種形式，如圖2、圖3所示。全路面起重機上廣泛采用的是連通式油氣懸掛，又稱為互聯(lián)式油氣。

連通式油氣懸掛系統(tǒng)通過油管將左右兩側(cè)懸掛油缸的上油腔和下油腔連通。當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)傾運動時，兩側(cè)懸掛油缸之間產(chǎn)生聯(lián)系，運動會互相影響。非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)的左右兩側(cè)懸掛油缸之間沒有連通，其懸掛油缸的上油腔和下油腔各自連接一蓄能器。車輛發(fā)生側(cè)傾時，懸掛油缸左右互相獨立，彼此不影響。

1 單個油氣懸掛系統(tǒng)虛擬樣機的建立

單個油氣懸掛油缸系統(tǒng)的主要組成有懸掛油缸和連上油腔和下油腔相的2個蓄能器，如圖4所示。阻尼孔7和單向閥6將懸掛缸的A腔及B腔連通，B腔和C腔通過油管分別與蓄能器1和4蓄能器連通。

圖4 單個油氣懸掛系統(tǒng)組成

依據(jù)單個油氣懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作機理，采用 Adams/Hydraulics模塊，構(gòu)建了仿真模型，如圖5所示。依據(jù)實際情況，使用了一些等效處理，例如將油氣懸掛缸等效為圖5所示的油缸8、阻尼孔2及單向閥3，用油缸8的上油腔作為圖4中的A腔，而下腔則作為C腔;B腔被簡化成圖5中2、3加上油管4連接點的接頭容積，并使接頭容積和B腔具有相等體積。

圖5 單個油氣懸掛系統(tǒng)模型

2 單個油氣懸掛系統(tǒng)虛擬樣機驗證

采用文獻［2］提出的方法對所建立的單個油氣懸掛系統(tǒng)虛擬樣機進行了分析驗證。驗證使用工況:激振振幅30 mm;激振頻率0.5 Hz。

圖6為驗證結(jié)果的對比，從圖中可以看出，油氣懸掛虛擬樣機的非線性剛度及阻尼特性能夠基本吻合試驗所得結(jié)果。由此可進一步分析車輛側(cè)傾在非獨立式和連通式油氣懸掛系統(tǒng)的下的響應(yīng)情況。

圖6 單個油氣懸掛系統(tǒng)虛擬樣機模型驗證

3 車輛側(cè)傾特性虛擬試驗平臺

基于Adams軟件建立了車輛側(cè)傾特性的虛擬試驗平臺，模型的建立條件為:

1)采用氮氣的實際氣體狀態(tài)方程進行仿真，氣體狀態(tài)的變化過程是絕熱過程;

2)將輪胎簡成為剛體，以消除輪胎的非線性特性對系統(tǒng)的影響;

3)假設(shè)液壓油為不可壓縮;

4)液壓缸的缸壁設(shè)置為鋼的柔性特性。

3.1 機械部分虛擬樣機模型

利用Adams/View軟件的Hydraulics模塊構(gòu)建了如圖7所示油氣懸掛車輛的側(cè)傾模型。

用平面副約束左右側(cè)車輪與激勵平臺，使車輪不能和激勵平臺脫離。固定左側(cè)激勵平臺不動，允許右側(cè)激勵平臺上下運動。通過該試驗平臺可仿真測量車身的跳動量以及車身的側(cè)傾角。

圖7 車輛側(cè)傾特性虛擬試驗臺

3.2 液壓部分虛擬樣機模型

依據(jù)連通式及非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，使用Adams/Hydraulics模塊構(gòu)建了各自的液壓系統(tǒng)虛擬樣機仿真模型，如圖8所示。

圖8 兩類懸掛系統(tǒng)液壓系統(tǒng)虛擬樣機模型

4 油氣懸掛系統(tǒng)側(cè)傾特性分析

4.1 離散激勵剛度特性

以圖7所建立的車輛側(cè)傾特性虛擬試驗平臺分別對非獨立式及連通式油氣懸掛系統(tǒng)的側(cè)傾特性進行分析。對位移激勵平臺3運動副中輸入頻率為1 Hz，振幅為100 mm的正弦式位移激勵，用以模擬車輛在通過凸凹不平的路面時，離散激勵所引起的油氣懸掛系統(tǒng)自身剛度的變化。2類油氣懸掛系統(tǒng)的左右掛缸剛度仿真結(jié)果曲線如圖9所示。

圖9 兩類油氣懸掛系統(tǒng)剛度特性對比

4.2 側(cè)向加速度對剛度特性的影響

為得到不同側(cè)向加速度對2類油氣懸掛系統(tǒng)剛度影響的規(guī)律，以圖7所構(gòu)建的試驗平臺仿真在不同的側(cè)向加速時懸掛系統(tǒng)的剛度值。仿真采用的工況:固定全部位移激勵平臺，在懸掛重量1的重心位置，施加由變化的側(cè)向加速度導(dǎo)致的向左方的離心力。

由圖10可知，連通式油氣懸掛系統(tǒng)受壓側(cè)的懸掛油缸剛度比非獨立式更大(圖10(a))，而受拉側(cè)的剛度則更小(圖10(b))。對于非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)，其左右懸掛油缸的剛度特性基本不變。如圖11所示，由2類懸掛系統(tǒng)的車身側(cè)傾剛度曲線可知，非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)的側(cè)傾剛度大于連通式的側(cè)傾剛度，故在多軸轉(zhuǎn)向車輛中，采用非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)的，其車身側(cè)傾角在轉(zhuǎn)向時相對更小，而連通式油氣懸掛系統(tǒng)更有利于提高多軸轉(zhuǎn)向車輛的平順性。

5 結(jié)束語

通過對單個雙氣室油氣懸掛系統(tǒng)進行建模和仿真研究，進一步構(gòu)建了連通式及非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)的虛擬樣機仿真模型和車輛側(cè)傾特性的虛擬試驗平臺，詳細(xì)分析了連通式及非獨立式這2類油氣懸掛對于多軸轉(zhuǎn)向車輛側(cè)傾特性的影響。分析結(jié)果表明，非獨立式油氣懸掛的側(cè)傾剛度要比連通式油氣懸掛大，從而有利于提高車輛的轉(zhuǎn)向性能，連通式油氣懸掛系統(tǒng)則更能提高多軸轉(zhuǎn)向車輛的平順性。試驗研究［8］證明了該結(jié)論的正確性。

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