石運序，劉同昊，曹常貞，戚積財，王興旺，賈炎冰

(1.煙臺大學機電汽車工程學院，山東煙臺 264005；2.煙臺未來自動裝備有限責任公司，山東煙臺 264001)

0 前言

油氣懸架是一種將液壓傳動和懸吊系統(tǒng)結合的車輛懸吊技術，現(xiàn)代特種車輛及大型車輛已廣泛應用油氣懸架作為車身與車輪間傳遞力與力矩的媒介。與傳統(tǒng)懸架相比，油氣懸架能使車輛在惡劣路況下行駛時，有效衰減車身振動，提高行駛平順性。近年來，國內(nèi)外對油氣懸架的關注越來越高。RAJU等分別建立了七自由度獨立式和非獨立式懸架運動方程，對比分析了車輛懸架的動態(tài)特性。馬超等人建立了整車動力學聯(lián)合仿真平臺，研究了同側耦連油氣懸架對車輛通過性能的影響。王旭等人建立了同側耦連油氣懸架液壓系統(tǒng)模型和整車動力學模型，搭建臺架試驗，驗證了模型的正確性，并對車輛平順性進行分析。劉爽等人針對電液伺服閥的工作特性，采用自適應滑?？刂频姆椒ǎ管囕v平順性能有了較好改善。

本文作者以某90 t寬體礦車前懸油氣懸架為研究對象，建立車輛動力學模型，利用AMESim搭建1/4車油氣懸架仿真模型，在隨機路面輸入下對車輛平順性進行動態(tài)機制研究，建立主動懸架系統(tǒng)，將主動與被動懸架進行仿真對比并優(yōu)化主動懸架系統(tǒng)，進一步分析油氣懸架對車輛行駛平順性的影響。

1 二自由度車輛動力學模型的建立

1.1 隨機路面模型建立

為模擬礦車在實際路面的行駛情況，取C級路面作為路面模擬輸入。在應用路面模型時，一般采用濾波白噪聲模擬生成隨機路面信號，其時域模型表達式為

(1)

式中：()為白噪聲激勵；為車輛行駛速度；路面空間截止頻率=0.011 m；參考空間頻率=0.1 m；()為參考空間頻率下的路面功率譜密度值。

1.2 油氣懸架非線性振動方程建立

整車剛體運動是一個復雜的多自由度振動系統(tǒng)，而二自由度系統(tǒng)與多自由度系統(tǒng)并無本質(zhì)區(qū)別。因此以二自由度1/4車懸架系統(tǒng)為研究對象，對車輛平順性進行分析，其簡化模型如圖1所示。

圖1 二自由度1/4寬體礦車油氣懸架模型

忽略懸掛缸本身的內(nèi)摩擦，根據(jù)文獻[4]建立油氣懸架動態(tài)輸出力數(shù)學模型為

=-=+

(2)

式中：為油氣懸架氣體工作壓力，Pa；為油氣懸架緩沖腔油壓，Pa；為懸架大腔有效面積，m；為懸架小腔有效面積，m。

為非線性彈性力，計算公式為

(3)

式中：為初始充氣壓力，Pa；為初始充氣體積，L；為活塞桿相對位移，m。

為非線性阻尼力，計算公式為

(4)

式中：為油液密度，kg/m；、分別為節(jié)流孔、單向閥流量系數(shù)；為阻尼孔過流面積，m；為單向閥過流面積，m；sign為符號函數(shù)。

結合公式(3)—(4)，根據(jù)牛頓第二定律，得車輛非線性振動微分方程為

(5)

式中：為車身質(zhì)量及載質(zhì)量和，kg；為車輪及車橋質(zhì)量，kg；為路面激勵，m；為車身位移，m；為車輪位移，m；為輪胎剛度系數(shù)，N/m；為輪胎阻尼系數(shù)，N/(m/s)。

2 仿真模型的建立

根據(jù)車輛懸架實際物理模型，利用AMESim搭建某寬體礦車前懸1/4車懸架仿真模型如圖2所示。

圖2 1/4油氣懸架仿真模型

被動油氣懸架仿真模型如圖2(a)所示，模塊1為公式(1)的求解模型，表示隨機路面輸入，模擬車輛實際行駛路況。在被動懸架的基礎上加入控制閥及油源模塊，將隨機路面輸入模型及油氣彈簧封裝成超元件，建立主動懸架仿真模型如圖2(b)所示。

模型主要參數(shù)如表1所示。

表1 主要參數(shù)設置

3 結果分析

3.1 不同氣室壓力下車輛平順性機制研究

對被動懸架進行仿真分析，將車身加速度時域特性曲線仿真結果與試驗數(shù)據(jù)進行均方根計算并對比分析，得到加速度響應與氣室壓力的特征曲線如圖3所示。

圖3 加速度響應與氣室壓力的特征關系

由圖3可知：試驗結果與仿真基本吻合，驗證了仿真模型的準確性；在相同氣室壓力下，隨著車速的增加，車身加速度均方根值逐漸增大,說明車速越大，車輛平順性越差。在實際工況中可適當降低車速來提高車輛平順性，一般根據(jù)乘坐人員在主觀感覺上的舒適程度作為車輛平順性的評價指標。根據(jù)GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗方法》，當加速度均方根達到1.6 m/s時，與之對應的人體主觀感受為“不舒服”?？紤]礦車司機工作時間較長，取1.6 m/s為均方根界限。由圖3可知，當車速最大不超過40 km/h時，可以保證礦車良好的行駛平順性及乘坐舒適性；當車速恒定時，加速度均方根值隨氣室壓力的增大先減小后增大，由公式(3)可知，氣室壓力越大，剛度越大；當氣室壓力較小時，剛度較小，此時懸架較軟，車身相對地面起伏較大，不利于乘坐舒適性；當氣室壓力較大時，剛度增大，懸架較硬，油氣彈簧緩沖效果變差，不利于車輛平順性；在車速不超過40 km/h且氣室壓力為7.7 MPa時，車身加速度均方根最小，說明車輛機動性能較好。

3.2 車輛平順性指標對比分析

為對礦車平順性指標進行對比分析，利用AMESim對被動油氣懸架和主動油氣懸架進行動力學仿真。設定礦車以30 km/h勻速行駛在C級路面，仿真時間取20 s、仿真步長為0.001 s，對仿真結果進行濾波處理后，分別得到如圖4—圖6所示的車身加速度、輪胎動載荷、懸架動行程的響應曲線。

圖4 車身加速度時域響應曲線

圖5 輪胎動載荷時域響應曲線

圖6 懸架動行程時域響應曲線

由圖4—圖6可知，主動油氣懸架的車身垂直加速度、輪胎動載荷及懸架動行程等物理量的波動范圍均小于被動油氣懸架，說明裝配有主動油氣懸架的寬體礦車相比被動油氣懸架能更好地提升車輛行駛平順性。

運用AMESim/信號庫建立各評價指標均方根求解模型，代入相應數(shù)據(jù)后求解，對車輛平順性評價指標進行對比分析，結果如表2所示。

表2 車輛平順性評價指標對比

由表2可知：當?shù)V車在C級路面行駛時，相比被動油氣懸架，裝有主動油氣懸架車輛的車身加速度均方根降低了39.12%，輪胎動載荷均方根降低了34.3%，懸架動行程均方根降低了27.62%。

綜合圖4—圖6及表2可得：主動油氣懸掛系統(tǒng)與被動油氣懸掛系統(tǒng)相比，車身加速度、輪胎動載荷及懸架動行程均明顯降低，進而使車輛的行駛平順性、乘坐舒適性得到顯著改善，體現(xiàn)了主動油氣懸架的優(yōu)越性。

4 車輛平順性優(yōu)化設計

4.1 優(yōu)化模型的建立

利用AMESim設計探索功能，對主動懸架模型進行更深入的物理分析。采用遺傳算法對設計空間進行探索，避免局部極小值，然后研究擴展模型以改進收斂性，從而在滿足約束條件的前提下，獲得懸架參數(shù)的最佳值。

(1)設計變量

油氣懸架比較重要的3個參數(shù)為剛度、阻尼、頻率。剛度特性主要取決于氣體工作參數(shù)，而阻尼孔直徑等結構參數(shù)對阻尼特性影響較大，因此選取前懸油缸氣室充氣體積和阻尼孔直徑作為設計變量，取值范圍如表3所示。

表3 設計變量取值范圍

(2)目標函數(shù)

車身的高垂直加速度使得礦車司機的駕乘感較差，因此車身加速度應盡量小于9.8 m/s。在懸架優(yōu)化設計中，需盡量使車身加速度減小到最低，因此選取車身加速度為研究目標，將車身垂直方向上的加權加速度均方根設為優(yōu)化目標函數(shù)，函數(shù)方程為

(6)

式中：()為車身加速度時間歷程，m/s；為統(tǒng)計持續(xù)時間，s。

(3)約束條件

油氣懸架的功能主要是使車輛具有良好的行駛平行性、乘坐舒適性和駕駛安全性，三者相互關聯(lián)，任意對某一性能進行改進，都會影響其他性能。因此，在對車輛平順性進行優(yōu)化時，需對懸架設置約束條件，以保證不會影響到車輛整體性能。

①輪胎壓縮量表示輪胎與地面的接觸狀態(tài)，反映車輛行駛安全性，負壓縮意味著輪胎不再與地面接觸，因此盡量使輪胎壓縮系數(shù)為正，即：

≥0

(7)

②懸架動行程過大，一方面會影響車輛操作穩(wěn)定性和舒適性，另一方面會增加懸架撞擊限位塊的概率，懸架動行程均方根一般在限位行程的1/3以內(nèi)，即：

≤[]3

(8)

式中：[]為懸架限位行程，文中取0.3 m。

4.2 優(yōu)化結果分析

優(yōu)化條件建立完成后，通過AMESim軟件中的Optimization模塊，定義輸入變量、輸出變量及約束范圍，選用遺傳算法對模型進行最優(yōu)求解。經(jīng)計算得優(yōu)化后的氣室充氣體積為1.6 L、阻尼孔直徑為10 mm。通過數(shù)據(jù)處理，得到優(yōu)化后的車身加速度均方根值為0.577 1 m/s，對比優(yōu)化前的主動懸架降低了18.72%，說明優(yōu)化對車輛平順性有一定改善。

礦車在C級路面以30 km/h行駛時，優(yōu)化前后車身垂直加速度功率譜密度對比如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后主動懸架加速度頻域對比

由圖7可知：功率譜密度峰值約為1.8 Hz，優(yōu)化后的峰值略有降低。人體對垂直振動的敏感范圍主要集中在4～12.5 Hz，由圖7可以看出，優(yōu)化后的4～12.5 Hz內(nèi)，功率譜密度明顯降低，說明該優(yōu)化對提升礦車乘坐舒適性有一定效果。

5 結論

本文作者建立了1/4車輛動力學模型，利用AMESim軟件搭建了油氣懸架仿真模型，將仿真結果與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了模型的準確性。在隨機路面輸入下研究車輛行駛平順性機制；將被動與主動懸架進行對比分析，并對主動懸架進行優(yōu)化，結果表明：

(1)懸架初始氣室壓力不變時，車速越大，平順性越差，車輛均速行駛時，平順性隨初始氣壓的增大先變好后變差；當車速不超過40 km/h且氣室壓力為7.7 MPa時，車輛平順性較好。

(2)當?shù)V車在C級路面以30 km/h勻速行駛時，配有主動懸架車輛的車身加速度均方根、輪胎動載荷均方根和懸架動行程均方根相比被動懸架分別降低了39.12%、34.3%和27.62%，說明主動油氣懸架能更好地提升車輛平順性。

(3)利用AMESim/Optimization模塊，對主動油氣懸架進行優(yōu)化，優(yōu)化后的加權加速度均方根降低了18.72%，為礦用寬體車油氣懸架的優(yōu)化設計提供了有效方法。