王連志，趙 北，黎德才，劉 龍

(三一重型裝備有限公司研究本院，遼寧沈陽(yáng) 110027)

引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和煤礦行業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的礦用寬體車和非公路自卸車投入到市場(chǎng)中[1]，隨著客戶需求的提升，車輛的載重能力也逐漸提升。由于礦用車輛行駛的路面環(huán)境通常比較惡劣。造成車輛受到很大的路面沖擊。由于車輛傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)是鋼板彈簧結(jié)構(gòu)，其剛度是一種近似線性的特性，不能適應(yīng)外載荷激勵(lì)的變化，因此導(dǎo)致整個(gè)車輛振動(dòng)比較劇烈，不能滿足車輛的快速響應(yīng)能力和車輛行駛過(guò)程中的平順性[2]。

油氣懸架是一種融合了傳統(tǒng)懸架技術(shù)和液壓技術(shù)的新興懸架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部是由液壓傳動(dòng)油和惰性氣體(一般為氮?dú)?組成，具有良好的壓縮性能，這就使得油氣懸架能夠很好的適應(yīng)外部激勵(lì)，可以根據(jù)外載的變化來(lái)調(diào)整自身的剛度，具有變剛度特性。因此，在大型工程車輛和重型越野車輛中應(yīng)用比較普遍[3]。

本研究主要利用一維仿真軟件AMESim來(lái)搭建寬體車的油氣懸架系統(tǒng)，分析油氣懸架的外特性性能，同時(shí)對(duì)影響外特性的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析研究，最后搭建1/2前橋整車動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)整車的動(dòng)力性能進(jìn)行仿真分析。

1 油氣懸架結(jié)構(gòu)

油氣懸架主要利用液壓傳動(dòng)油來(lái)傳遞系統(tǒng)壓力，利用惰性氣體(一般為氮?dú)?作為彈性物質(zhì)。懸架主要由液壓懸缸和蓄能器組成，有時(shí)蓄能器內(nèi)置于液壓缸內(nèi)。如圖1所示為單氣室油氣懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

1.活塞 2.缸筒 3.氣室4.單向閥 5.節(jié)流孔圖1 單氣室油氣懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在對(duì)油氣懸架進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析時(shí)，由于其本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此常常進(jìn)行一些簡(jiǎn)化處理[4-6]：

(1) 忽略缸內(nèi)油液壓力對(duì)結(jié)構(gòu)件變形的影響；

(2) 氣室內(nèi)的氣體按理想氣體處理；

(3) 忽略油液中氣體對(duì)油液體積模量的影響。

2 油氣懸架仿真分析

根據(jù)油氣懸架的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，可對(duì)單氣室的油氣懸缸進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型圖如圖2所示。利用AMESim軟件搭建油氣懸架的仿真分析模型，利用HCD庫(kù)中的缸體模型來(lái)等效無(wú)桿腔和環(huán)形腔，利用液壓庫(kù)中的單向閥和節(jié)流孔來(lái)等效實(shí)際模型中的單向閥和阻尼孔，利用外接蓄能器來(lái)等效氣室，將其利用節(jié)點(diǎn)和連線進(jìn)行連接，就形成了單氣室油氣懸架的仿真模型，如圖3所示[7-8]。

1.單向閥 2.阻尼孔 3.氣室4.環(huán)形腔 5. 無(wú)桿腔圖2 單氣室油氣懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.懸缸 2.缸筒固定 3.路面激勵(lì) 4.氣室5.節(jié)流孔 6.單向閥圖3 油氣懸架仿真分析模型

在對(duì)油氣懸架性能仿真分析時(shí)，常采用懸架的位移輸出力特性曲線和速度輸出力特性曲線對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)估。

實(shí)際車輛所受的激勵(lì)來(lái)自于路面隨機(jī)激勵(lì)，由于實(shí)際響應(yīng)比較復(fù)雜，為了定量分析油氣懸架的系統(tǒng)性能，采用標(biāo)準(zhǔn)的正弦激勵(lì)信號(hào)來(lái)模擬地面的激勵(lì)，設(shè)定輸入信號(hào)的頻率為0.25 Hz，振動(dòng)幅值為120 mm，模擬懸架系統(tǒng)受到外部激勵(lì)下的運(yùn)行情況[9-12]，激勵(lì)信號(hào)如圖4所示，模型主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 路面激勵(lì)信號(hào)

表1 模型主要仿真參數(shù)

根據(jù)上面搭建的AMESim模型以及設(shè)定的參數(shù)，對(duì)油氣懸架進(jìn)行仿真分析，計(jì)算其在1個(gè)周期內(nèi)的位移輸出力特性和速度輸出力特性[13]，結(jié)果如圖5所示。

圖5 油氣懸架外特性曲線

從上面的仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)向油氣懸架施加激勵(lì)時(shí)，油氣懸架的輸出力隨著激勵(lì)位移和速度不斷發(fā)生變化。從位移特性曲線可以看出，油氣懸架輸出力與位置的關(guān)系并不是線性的，隨著激勵(lì)位置的逐漸增大，懸架的輸出力呈現(xiàn)出明顯的非線性特性，這主要是由于氣體和節(jié)流孔的非線性特性引起的。閉合的位移特性曲線所形成的面積代表了1個(gè)周期內(nèi)油氣懸架所消耗的能量。從圖中可以看出，懸架在壓縮行程和復(fù)原行程的輸出力并不是對(duì)稱的，這是由于單向閥在壓縮行程開(kāi)啟而在復(fù)原行程關(guān)閉導(dǎo)致的。

對(duì)影響油氣懸架性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)(節(jié)流孔直徑、單向閥過(guò)流面積、氣室體積以及預(yù)充氣壓力)進(jìn)行分析。

針對(duì)不同尺寸的節(jié)流孔和單向閥進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖6和圖7所示，分析結(jié)果表明：在壓縮行程中單向閥和節(jié)流孔同時(shí)工作，故節(jié)流孔和單向閥的尺寸對(duì)于油氣懸架的輸出力特性影響并不大，而在復(fù)原行程時(shí)，由于單向閥是關(guān)閉的，此時(shí)只有節(jié)流孔有油液流通，故此節(jié)流孔尺寸對(duì)油氣懸架的輸出力特性影響很大，同時(shí)由于隨著孔徑的增大，節(jié)流孔的節(jié)流阻力下降，因此輸出力下降趨于平緩。

針對(duì)不同的氣室充氣體積和充氣壓力進(jìn)行分析，如圖8和圖9所示，分析結(jié)果表明：對(duì)于充氣氣室進(jìn)行分析可知，當(dāng)增加氣室體積時(shí)，會(huì)使氣體的彈性變大，從而增加油氣懸架的剛度，進(jìn)而使得輸出力特性曲線平緩；當(dāng)充氣壓力降低時(shí)，油氣懸架的輸出力特性曲線變的比較陡峭，這時(shí)由于氣室壓力的減小會(huì)使得氣體的彈性變小，進(jìn)而使油氣懸架的剛度降低。

圖6 不同節(jié)流孔直徑

圖7 不同單向閥過(guò)流面積對(duì)油氣懸架性能的影響

3 整車動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)于整車動(dòng)力學(xué)分析，選取油氣懸架為前懸結(jié)構(gòu)，由于前橋是對(duì)稱的，因此選取一側(cè)進(jìn)行分析。由于只研究油氣懸架對(duì)整車動(dòng)力性能的影響，故此對(duì)整車模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

圖8 不同氣室充氣體積對(duì)油氣懸架性能的影響

圖9 不同氣室充氣壓力對(duì)油氣懸架性能的影響

(1) 把車身及車架等部件的質(zhì)量等效成1個(gè)集中質(zhì)量塊；

(2) 把輪胎模型等效成1個(gè)彈簧阻尼器和1個(gè)質(zhì)量塊。

利用上面搭建的懸架模型，增加車身和輪胎模型，可得1/2整車動(dòng)力學(xué)模型，如圖10所示。模型的具體參數(shù)如表2所示[14-15]。

根據(jù)實(shí)際工況，車輛滿載時(shí)路面的不平度不大于120 mm，因此輸入為1個(gè)50 mm單凸的信號(hào)激勵(lì)，如圖11所示，對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析。

1.1/2前橋質(zhì)量 2.輪胎模型 3.油氣懸架 4.路面激勵(lì)圖10 1/2前橋整車動(dòng)力學(xué)模型

注：其他參數(shù)與表1相同。

圖11 路面激勵(lì)信號(hào)

本研究主要選取車身質(zhì)量加速度和懸架動(dòng)行程這2個(gè)參數(shù)作為動(dòng)力性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。仿真結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 車身加速度響應(yīng)曲線

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果可知，隨著車身重量的增加，車身的加速度和懸架的行程的穩(wěn)定時(shí)間加長(zhǎng)，整車在外部擾動(dòng)下的平穩(wěn)時(shí)間增加了，因此可知整車的穩(wěn)定性減弱了，整車的平順性下降。

圖13 懸架行程響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

本研究利用AMESim軟件對(duì)寬體車的油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，分析可知油氣懸架具有非線性的阻尼和剛度特性；同時(shí)對(duì)影響油氣懸架性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)(節(jié)流孔過(guò)流面積、單向閥直徑大小、氣室體積以及預(yù)充氣壓力)進(jìn)行了深入分析；最后搭建了1/2前橋整車動(dòng)力學(xué)模型，分析了整車在空載和負(fù)載2種工況下的車身加速度和油氣懸架的特性。根據(jù)分析可知，隨著車身重量的增加，車身的穩(wěn)定時(shí)間增加，因此，整車的動(dòng)力性減弱，整車的平順性下降。本研究搭建的模型能夠很好對(duì)油氣懸架和整車的動(dòng)力性能進(jìn)行評(píng)估，為后期油氣懸架的選型設(shè)計(jì)以及整車性能評(píng)估提供了一個(gè)重要的手段。