韓 成 ，康紹鵬 ，強(qiáng)紅賓 ，劉凱磊 ，李煜昕

（江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

由于在實(shí)際裝卸過程中存在工作面高度差問題，重物搬運(yùn)一般需要多臺(tái)設(shè)備同時(shí)操作，而這會(huì)造成裝卸的耗時(shí)耗力和不安全；在實(shí)際運(yùn)輸過程中，常用重載運(yùn)輸車輛由于本身運(yùn)輸質(zhì)量大、質(zhì)心位置高，橫向穩(wěn)定性較差[1]，加之受到路面不平的影響[2]，運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定性和可靠性大大降低。因此，設(shè)計(jì)出能夠自由組合成重載運(yùn)輸車的超低重載主動(dòng)懸掛模塊能夠很好地解決這兩個(gè)問題。本文主要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使主動(dòng)懸掛方便裝卸并能夠克服不平路面，但同時(shí)需要配合實(shí)時(shí)路面跟蹤位移升降控制，來保證懸掛始終平穩(wěn)運(yùn)行。其中，升降控制方面需要以懸掛的理想不平路面升降位移變化來作為參考輸入進(jìn)行研究。因此，本文重點(diǎn)分析平地工況下主動(dòng)懸掛的理想不平路面升降位移的變化，以期為后續(xù)研究升降配合控制奠定基礎(chǔ)。

1 超低重載主動(dòng)懸掛設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超低重載主動(dòng)懸掛為滿足重型裝備及大型構(gòu)件在裝卸和運(yùn)輸中的安全穩(wěn)定要求，依據(jù)保障預(yù)期功能、滿足強(qiáng)度要求、滿足結(jié)構(gòu)剛度等設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)為一個(gè)小尺寸、大承載的獨(dú)立懸掛，能夠跨越不平路面，提高行駛的平順性，也可以通過精準(zhǔn)控制升降來完成裝卸過程中較低位置的對(duì)接，提高裝卸效率，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。同時(shí)，將多個(gè)懸掛組合成的運(yùn)輸車作為一個(gè)整體，還可以增強(qiáng)運(yùn)輸車的承載能力，適用于不同的承載場(chǎng)合。

圖1 超低重載主動(dòng)懸掛整體結(jié)構(gòu)示意圖

超低重載主動(dòng)懸掛主要包括懸架、車軸鉸接組件、編碼器、車輪驅(qū)動(dòng)單元、升降驅(qū)動(dòng)單元和回轉(zhuǎn)支承等。其中，懸架用于支撐整個(gè)懸掛；車軸鉸接組件通過車輪驅(qū)動(dòng)單元來克服不平路面；編碼器用以測(cè)量懸掛車軸偏移角度，便于實(shí)現(xiàn)多懸掛模塊運(yùn)輸車平臺(tái)的調(diào)平；車輪驅(qū)動(dòng)單元用于實(shí)現(xiàn)懸掛行駛中的轉(zhuǎn)向和移動(dòng)；升降驅(qū)動(dòng)單元用于懸掛升降；回轉(zhuǎn)支承是實(shí)現(xiàn)懸掛旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向的重要部件。

1.2 車軸鉸接組件設(shè)計(jì)

車軸鉸接組件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它是使懸掛克服不平路面的重要組件。其中，車軸銷軸從懸架前后側(cè)插入，一端有大圓頭卡在懸架一側(cè)，另一端通過卡片卡在其方形槽上，以此固定在懸架上，卡片固定在懸架上，車軸通軸與懸架左右兩側(cè)車輪驅(qū)動(dòng)單元的車軸連接，中間套在車軸銷軸上，調(diào)心球軸承放置在車軸通軸的中間通孔中，使車軸通軸可繞車軸銷軸上下轉(zhuǎn)動(dòng)，車軸通軸與兩邊的車輪驅(qū)動(dòng)單元連接，從而實(shí)現(xiàn)懸掛跨越不平路面。兩塊滾動(dòng)軸承擋片固定夾在車軸通軸通孔兩側(cè)并套在車軸銷軸上，保證車軸通軸不在車軸銷軸上移動(dòng)。

圖2 車軸鉸接組件結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 車輪驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

車輪驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)如圖3 所示，它是實(shí)現(xiàn)懸掛轉(zhuǎn)向和移動(dòng)的重要組件。其中，車輪與車軸固定連接在一起，從動(dòng)鏈輪套在車軸上，兩個(gè)從動(dòng)鏈輪固定套固定夾在從動(dòng)鏈輪兩側(cè)，防止鏈輪軸向移動(dòng)；滾動(dòng)軸承連接件、調(diào)心滾子軸承、車軸墊片和車軸鎖緊螺母套在車軸細(xì)軸側(cè)，滾動(dòng)軸承連接件固定在車軸通軸兩側(cè)，調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈頂住車軸墊片，并通過車軸鎖緊螺母鎖緊，裝配完的車軸細(xì)軸側(cè)放置在車軸通軸兩側(cè)凹槽內(nèi)，調(diào)心滾子軸承外圈一側(cè)頂住凹槽，另一側(cè)頂住滾動(dòng)軸承連接件，使其內(nèi)圈不影響轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)車輪車軸可以分別轉(zhuǎn)動(dòng)；液壓馬達(dá)安裝在液壓馬達(dá)固定板上，而液壓馬達(dá)固定板與懸架固定在一起；主動(dòng)鏈輪套在液壓馬達(dá)軸上，兩個(gè)主動(dòng)鏈輪固定套固定夾在主動(dòng)鏈輪兩側(cè)，防止鏈輪軸向移動(dòng)；主動(dòng)鏈輪與從動(dòng)鏈輪通過滾子鏈連接傳動(dòng)。兩個(gè)車輪驅(qū)動(dòng)單元安裝在懸架左右兩側(cè)，通過兩個(gè)液壓馬達(dá)控制兩邊的不同轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)懸掛的差速差力轉(zhuǎn)向。

圖3 車輪驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 升降驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

升降驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)如圖4 所示，它是實(shí)現(xiàn)懸掛升降的重要組件。其中，導(dǎo)向內(nèi)套套在液壓缸外側(cè)，將導(dǎo)向內(nèi)套和液壓缸固定安裝在懸架上；液壓缸活塞桿頂端與回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈固定連接；導(dǎo)向外套是為避免液壓缸活塞桿旋轉(zhuǎn)磨損而設(shè)計(jì)的特制零件，將其套在導(dǎo)向內(nèi)套上滑動(dòng)，與回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈固定連接，使導(dǎo)向外套隨活塞桿同時(shí)動(dòng)作；比例伺服閥塊安裝固定在液壓缸下端蓋上，比例伺服閥安裝固定在比例伺服閥塊上；兩個(gè)油口管接頭分別安裝在比例伺服閥塊和液壓缸回油口上，并通過膠管連接實(shí)現(xiàn)油路回通；液壓缸是實(shí)現(xiàn)升降的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般通過比例伺服閥控制液壓缸升降；位移傳感器通過位移傳感器安裝支架和底端安裝支架固定在懸架側(cè)面，位移傳感器測(cè)量頭通過測(cè)量頭支架固定連接在導(dǎo)向外套上并隨導(dǎo)向外套一起移動(dòng)，可以實(shí)時(shí)測(cè)出懸掛升降高度。

圖4 升降驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示意圖

2 平地工況下主動(dòng)懸掛建模分析

2.1 數(shù)學(xué)建模

以平地的相對(duì)不平路面作為平地工況來研究，當(dāng)懸掛在平地工況下行進(jìn)時(shí)，懸掛僅受路面激勵(lì)影響。其中，路面激勵(lì)以D 級(jí)路面為例，分析此時(shí)懸掛的運(yùn)動(dòng)和受力。建立懸掛空間直角坐標(biāo)系，將懸掛頂端O點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)，對(duì)懸掛YZ平面和XY平面進(jìn)行分析。為簡化懸掛YZ平面的受力分析，只對(duì)該平面的懸掛車輪BC進(jìn)行分析，車輪DE與車輪BC的分析相同。把車輪等效為剛體加彈簧剛度，把液壓缸等效為質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，建立動(dòng)力學(xué)模型，懸掛車輪在平地工況下YZ平面和XY平面的動(dòng)力學(xué)模型簡圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 懸掛車輪在平地工況下YZ 平面的動(dòng)力學(xué)模型簡圖

圖6 懸掛車輪在平地工況下XY平面的動(dòng)力學(xué)模型簡圖

懸掛在平地工況下的動(dòng)力學(xué)模型為：其中，F(xiàn)NB為懸掛車輪B點(diǎn)所受到的路面支撐力；FND為懸掛車輪D點(diǎn)所受到的路面支撐力；FkB為懸掛車輪B點(diǎn)的變形力；FkD為懸掛車輪D點(diǎn)的變形力；JC（JE）為懸掛車輪BC（DE）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；a為懸掛行進(jìn)加速度；θ為懸掛車軸轉(zhuǎn)動(dòng)角；fB為懸掛車輪B點(diǎn)所受X方向的摩擦力；fD為懸掛車輪D點(diǎn)所受X方向的摩擦力；ΔF為懸掛液壓缸伸縮力；FL為懸掛負(fù)載力；k1為車輪剛度；ΔzB1為懸掛車輪B變形；ΔzD1為懸掛車輪D變形；FfB（FfD）為懸掛車輪BC（DE）在YZ平面上的摩擦力；MBz（MDz）為懸掛車輪BC（DE）的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；MfBz（MfDz）為懸掛車輪BC（DE）滾動(dòng)時(shí)的滾動(dòng)阻力偶矩；fs為平地滾動(dòng)靜摩擦系數(shù)；δ為平地滾動(dòng)摩擦系數(shù)；μ為路面摩擦系數(shù)。

當(dāng)懸掛在平地路面工況下行進(jìn)時(shí)，懸掛升降驅(qū)動(dòng)單元快速伸縮，伸縮變化量為懸掛在理想不平路面升降的位移變化量，設(shè)為Δy，主要與路面激勵(lì)和加速度有關(guān)。

對(duì)懸掛在XY平面進(jìn)行D 級(jí)路面的運(yùn)動(dòng)分析，使用濾波白噪聲法來模擬路面激勵(lì)[3]，車輪BC和車輪DE的路面激勵(lì)分別為ZB和ZD。對(duì)車軸部分AC進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，可得：

對(duì)車軸部分AE進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，可得：

聯(lián)立式（2）和式（3），可得：

根據(jù)濾波白噪聲法，可得到單位白噪聲關(guān)于路面不平度的傳遞函數(shù)D[4-6]：

其中，Zg(s)為路面不平度；n1為路面不平度的下截止空間頻率；v為懸掛負(fù)載時(shí)在平地工況下的最大車速；n0為參考空間頻率；Gq(n0)為路面不平度系數(shù)；ω(t)為單位強(qiáng)度為1的高斯白噪聲[7-8]。

根據(jù)懸掛在平地工況下的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)式（4）進(jìn)行求解，可得：

對(duì)公式（4）進(jìn)行拉普拉斯變換[9]，可求得懸掛升降位移量在理想不平路面狀態(tài)下的頻域模型為：

2.2 理想不平路面升降位移變化分析

當(dāng)懸掛在平地工況下行進(jìn)時(shí)，根據(jù)懸掛升降位移量在理想不平路面狀態(tài)下的頻域模型，建立平地工況下懸掛在理想不平路面的升降位移傳遞函數(shù)框圖，如圖7所示。

圖7 平地工況下懸掛在理想不平路面的升降位移傳遞函數(shù)框圖

在Simulink 中建立平地工況下懸掛在理想不平路面的升降位移仿真模型，并進(jìn)行仿真求解[10]，可得此時(shí)懸掛在理想不平路面的升降位移變化曲線圖，如圖8 所示，其中，X01為平地工況下懸掛在理想不平路面升降的位移響應(yīng)，t為采樣時(shí)間。

圖8 平地工況下懸掛在理想不平路面的升降位移變化曲線圖

從圖8 中可以看出，平地工況下懸掛在理想不平路面的升降位移有較大的波動(dòng)，變化范圍為-20 mm～40 mm，將該位移變化作為懸掛升降控制輸入，可實(shí)現(xiàn)懸掛隨路面跟蹤位移控制，為后續(xù)研究做鋪墊。

3 結(jié)語

本文對(duì)超低重載主動(dòng)懸掛整體結(jié)構(gòu)及車軸鉸接組件、車輪驅(qū)動(dòng)單元和升降驅(qū)動(dòng)單元各部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基本設(shè)計(jì)，提高了重載裝卸和運(yùn)輸過程中的安全性和穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)平地工況下的主動(dòng)懸掛進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和動(dòng)力學(xué)建模，通過Simulink 仿真求解出該路況下主動(dòng)懸掛在理想不平路面升降位移的變化，以期為后續(xù)研究主動(dòng)懸掛在平地工況下的路面跟蹤位移控制提供理論支持。