周 凱,趙又群,徐 瀚,白毅強

(南京航空航天大學 能源與動力工程學院， 南京 210016)

車輪與輪胎作為車輛行駛系統(tǒng)的重要組成，其功用主要是支撐整車、緩和路面沖擊、產(chǎn)生驅動/制動力等，在汽車舒適性、平順性等方面起著重要作用[1]。機械彈性車輪是一種特殊的彈性車輪，理論上不存在現(xiàn)有充氣輪胎爆胎、彈傷和爆損等問題，能提高輪胎的防刺破、防爆胎和安全性能。它擁有較大的側偏剛度，能保證復雜路面下的操縱穩(wěn)定性[2]，但其大徑向剛度特性導致了平順性的不足[3-4]。

減振器是汽車的重要組成部分，其動態(tài)阻尼特性對于整車動力學性能有很大的影響[5]。而位移相關減振器與傳統(tǒng)減振器不同之處在于其力學特性不僅與活塞的運動速度有關，還受活塞相對位置的影響[6],通常有旁通槽式[7]、液壓限位式[8]、葉片式[9]等多種形式。其中旁通槽式位移相關減振器是在傳統(tǒng)雙向作用筒式液壓減振器的活塞空載平衡位置處，通過在工作缸筒內(nèi)壁上開設一定數(shù)量長度、橫截面積一定的旁通槽得到的。目前，Choon-Tae Lee等[10]提出一種表征位移相關減振器動力學特性的數(shù)學模型，該模型將位移相關減振器分為軟阻尼和硬阻尼2個區(qū)域，并通過在軟、硬阻尼區(qū)設定過渡區(qū)模擬實際減振器特性。孫勝利[11]根據(jù)減振器結構和工作原理，把旁通槽式位移相關減振器抽象為等效的液壓傳動系統(tǒng)，應用Adams建立其動力學模型，模型仿真結果與試驗數(shù)據(jù)基本吻合；對典型工況的仿真表明，旁通槽式位移相關減振器能夠改善車輛乘坐舒適性和安全性。

本文為了研究位移相關減振器在匹配機械彈性車輪的汽車的操縱穩(wěn)定性，建立位移相關減振器的Simulink模型并結合導入Carsim整車模型中的機械彈性車輪參數(shù)，利用Simulink與Carsim進行聯(lián)合仿真試驗，并與傳統(tǒng)被動式雙筒液壓減振器進行比較。由試驗結果可知，在空載高速狀態(tài)下，裝有位移相關減振器的車輛具有更好的操縱穩(wěn)定性，平順性也有所改善。此外，當車輛空載狀態(tài)下行駛在良好路面時，該減振器提供的阻尼力較小，有利于改善汽車的行駛平順性；當車輛滿載行駛或者在轉向、制動等緊急工況下，該減振器提供的阻尼力較大，能夠有效控制車身姿態(tài)，抑制車輪振動，以保證汽車的行駛安全。

1 位移相關減振器

1.1 位移相關減振器的結構與原理

本文主要以某型旁通槽式位移相關減振器為研究對象，其特征在于工作缸筒內(nèi)壁一定部位開有若干條長短不等、變斷面的旁通槽，起泄漏減阻作用[12]。這種泄漏減阻作用取決于活塞與工作缸筒的位置，可以使阻尼隨行程而合理改變。當汽車載荷變化時，懸架高度發(fā)生變化，減振器阻尼會因活塞位置與工作缸上的泄流槽相對位置不同而發(fā)生變化。

由圖1旁通槽結構示意圖可知，旁通槽以內(nèi)區(qū)域為軟阻尼特性區(qū)，旁通槽以外區(qū)域為硬阻尼特性區(qū)。當汽車載荷小時，泄流槽和泄流孔的流通面積較大，減振器工作特性處于軟阻尼區(qū)，阻尼力較小，汽車行駛舒適性好；當汽車載荷較大時，泄流槽流通面積處于變小甚至處于堵塞狀態(tài)，位移相關減振器阻尼特性與傳統(tǒng)減振器基本相同，阻尼力較大，能保證汽車的行駛安全性。

圖1 旁通槽結構示意圖

1.2 位移相關減振器理論模型推導

首先根據(jù)位移相關減振器工作時筒內(nèi)油液的流通狀況對其進行合理的簡化假設，通過流體力學縫隙流動、管嘴流動及并聯(lián)管路流量計算理論[13]，推導出阻尼力計算公式[14]，進而推導出位移相關減振器的理論數(shù)學模型。

本文僅以伸張行程為例對建模過程進行介紹。

由圖2所示：當活塞處于旁通槽區(qū)域內(nèi)時，位移相關減振器復原腔流入壓縮腔的油液流量Qrm應分成 3 部分，分別為流經(jīng)流通閥缺口Qrl、伸張閥(伸張閥片開啟后)Qrf、旁通槽Qrp；當活塞運動到旁通槽區(qū)域外時，Qrp=0，即處于硬特性區(qū)域，與傳統(tǒng)減振器阻尼特性相同，此時，油液流通路線及流量與傳統(tǒng)減振器伸張行程相同。 當活塞處于旁通槽內(nèi)以速度V運動時，油液流量Qrm的表達式如下：

Qrm=(Ap-Ar+Ax)·V

(1)

式中：Ap表示活塞面積；Ar表示活塞桿面；Ax表示某一活塞位置處的旁通槽總面積。

圖2 位移相關減振器結構及伸張行程油液流動示意

流經(jīng)旁通槽的Qrp≠0時，其兩端的節(jié)流壓差Prp可表示為：

(2)

式中：Qrm表示總流量；Qr表示活塞閥孔的流量；Ax表示某一活塞位置處的旁通槽總面積；ρ為油液密度。

伸張行程，活塞兩端的各節(jié)流支路屬并聯(lián)關系，壓差存在以下關系：

Prm=Pr=Prp

(3)

活塞處于旁通槽區(qū)域外時，活塞兩端產(chǎn)生的總壓差的求法與傳統(tǒng)減振器相同，位移相關減振器壓縮行程的推導過程與伸張行程思路相同。

1.3 位移相關減振器建模與驗證

將位移相關減振器的旁通槽設為20 mm，減振器工作區(qū)總長為50 mm，建立位移相關減振器的Simulink模型，見圖3。

圖3 位移相關減振器Simulink模型

如圖4所示，將上述位移相關減振器Simulink模型進行封裝，以正弦函數(shù)為輸入，如圖5所示，輸出阻尼力如圖6所示。檢測可知位移相關減振器Simulink模型能夠正常運行。

圖4 位移相關減振器Simulink封裝圖

圖5 正弦輸入曲線

圖6 位移相關減振器阻尼-位移曲線

由位移相關減振器阻尼-位移曲線分析可知，當位移大于10 mm時，即活塞處于旁通槽外，減振器工作在硬阻尼區(qū)，阻尼力較大，能夠保證汽車行駛的操縱穩(wěn)定性；當位移小于10 mm時，即位移處于旁通槽內(nèi)，減振器工作在軟阻尼區(qū)，阻尼力較小，有利于改善車輛行駛平順性。表明該位移相關減振器仿真模型正確，符合預設要求。

2 機械彈性車輪的結構與原理

2.1 機械彈性車輪的結構與原理

機械彈性車輪是針對某型輪式特種車輛進行設計的，以期替代現(xiàn)在使用的某型子午線充氣輪胎，主要由輮輪、輪轂、鉸鏈組等部件構成，輮輪由橡膠胎圈、彈性環(huán)和卡環(huán)組成，如圖7所示。

圖7 機械彈性車輪結構

基本原理如下：當車輛驅動時，車身垂向載荷與發(fā)動機傳來的扭矩經(jīng)車軸傳給輪轂，通過銷軸傳到鉸鏈組使其狀態(tài)發(fā)生改變，由微彎曲變成張緊，進而使鉸鏈組對輮輪形成拉力。該力沿輮輪切向方向的分力克服機械彈性車輪與路面之間的靜摩擦力，從而使車輪由靜止狀態(tài)開始滾動。同時在垂向載荷作用下，輮輪發(fā)生彈性變形，輮輪上部因受到來自于輪轂的向下拉力，使其有設定范疇內(nèi)的適度的類橢圓的彈性變形，接地區(qū)域的輮輪由弧線變?yōu)橹本€段，而其他區(qū)域自由過渡。輪轂在鉸鏈組拉力的作用下，懸掛于輮輪的中間位置。輪轂向下移動一段距離，位于輪轂下方的鉸鏈組則不受力且呈彎曲狀。該車輪在裝車行駛的滾動運動中，各鉸鏈組均從受拉力漸轉至微曲不受力再至受拉力，即各鉸鏈組形成“張緊-微屈-張緊”的狀態(tài)變化，并以此方式循環(huán)。另外，因為輪轂在其任何瞬時均以微懸態(tài)懸于彈性外輪內(nèi)，路面不平度將由輮輪的彈性變形以及鉸鏈組的彎曲所緩解，故機械彈性車輪與正常充氣輪胎有著同樣的緩沖隔振性能[15]。

2.2 機械彈性車輪模型的建立

本文以匹配機械彈性車輪和位移相關減振器的某型越野車為研究對象，原車輪胎型號為265/70R16。根據(jù)輪胎的實際受力情況，建立了機械彈性車輪的有限元模型，并進行了靜載試驗驗證[16]，根據(jù)靜載試驗獲得機械彈性車輪的形變量-垂向載荷關系數(shù)據(jù)，將其導入到Carsim中，建立機械彈性車輪模型，如圖8所示。

圖8 機械彈性車輪剛度模型

3 整車聯(lián)合仿真

3.1 整車聯(lián)合仿真模型

將所建位移相關減振器的Simulink模型輸入到整車Carsim模型之中，建立Simulink和Carsim整車聯(lián)合仿真模型，如圖9所示。

圖9 聯(lián)合仿真圖

3.2 整車聯(lián)合仿真試驗

本文主要采取客觀評價[18]即通過聯(lián)合仿真試驗獲取相關數(shù)據(jù)曲線的方式分析位移相關減振器對操縱穩(wěn)定性的影響。為了更好地分析得出位移相關減振器對匹配機械彈性車輪的汽車操縱穩(wěn)定性的影響，將比較其與傳統(tǒng)減振器的整車仿真實驗數(shù)據(jù)，獲取曲線圖，得出相應的結論。具體是將安裝了傳統(tǒng)減振器和位移相關減振器的車輛模型分別在正弦崎嶇路面和雙移線道路下進行聯(lián)合仿真試驗，具體如下。

3.2.1 正弦崎嶇路面

本小節(jié)將汽車車速設為60 km/h定值，在正弦崎嶇路面下分別進行車輛空載(m=2 000 kg)與滿載(m=3 000 kg)狀態(tài)下的整車模型仿真實驗，測取車輛仿真的車身垂向加速度曲線(圖10)，分析在不同載荷下車輛的車身垂向加速度的大小，不僅可以直接反映車輛行駛平順性，而且可以間接判斷車輛的操縱穩(wěn)定性。一般加速度越小即車身跳動越小，車輛行駛平順性越好，并且操縱穩(wěn)定性也相對較好，反之則越差。

由正弦激勵的崎嶇路面仿真結果(圖11～13)可知，兩者功率譜密度峰值均遠離人體對振動頻率敏感的范圍，而使用了位移相關減振器的汽車的垂向加速度的功率譜密度橫坐標所圍成的面積均低于裝有傳統(tǒng)減振器的車輛，表明位移相關減振器的垂向加速度均方根值低于傳統(tǒng)減振器，即其行駛平順性得到了改善；總體對比滿載與空載2種狀態(tài)下的車輛行駛狀況可知，滿載時車身垂向加速度幅值較空載時小，即平順性較佳，同時車身跳動越小反映車身越‘硬’，表明車輛操縱穩(wěn)定性也較好。

圖10 空載正弦激勵路面下的垂向加速度曲線

圖11 空載正弦激勵路面下的垂向加速度的功率譜密度

圖12 滿載正弦激勵路面下的垂向加速度

圖13 滿載正弦激勵路面下的垂向加速度的功率譜密度

3.2.2 雙移線道路

將汽車設置為同處于空載(m=2 000 kg)狀況下，在雙移線路面條件下分別進行不同車速(v=60 km/h與v=120 km/h)工況下的整車模型仿真試驗，測取車輛仿真的側向加速度及橫擺角速度曲線進行操縱穩(wěn)定性分析，結果見圖14～17。

圖14 車速為120 km/h時的橫擺角速度

圖15 車速為60 km/h時的橫擺角速度

圖16 車速為120 km/h時的側向加速度

圖17 車速為60 km/h時的側向加速度

由雙移線道路下的仿真結果可知，橫擺角速度與側向加速度作為可以衡量操縱穩(wěn)定性的物理參數(shù)，在低速狀態(tài)下，位移相關減振器在橫擺角速度與側向加速度兩個指標上與傳統(tǒng)減振器基本一致，但在高速狀況下，裝有位移相關減振器車輛的橫擺角速度與側向加速度峰值均小于傳統(tǒng)減振器，結果表明位移相關減振器在高速狀態(tài)下能更好地完成雙移線道路的行駛，因此具有更好的操縱穩(wěn)定性。

4 結論

1) 通過分析相關減振器的結構與原理，建立了傳統(tǒng)減振器與位移相關減振器的Simulink模型，同時將機械彈性車輪的主要參數(shù)導入Carsim，進行了整車聯(lián)合仿真試驗，研究了其對汽車操縱穩(wěn)定性的影響。

2) 通過2種不同路面工況整車聯(lián)合仿真的試驗，研究分析了位移相關減振器對匹配機械彈性車輪的汽車操縱穩(wěn)定性的影響?？芍c傳統(tǒng)減振器相比，在高負荷情況下，裝有位移相關減振器車輛的橫擺角速度與側向加速度峰值均較小，具有更好的操縱穩(wěn)定性。

3) 通過對位移相關減振器對匹配機械彈性車輪的汽車操縱穩(wěn)定性的影響的研究，可以進一步改善汽車的操縱穩(wěn)定性，而且其結構相對簡單，成本低廉，并能一定程度地提升汽車行駛的平順性，應用前景廣闊。