某大型礦車油氣懸架越障特性仿真研究

王士堯，李曉雷，楊貴軍

(北京理工大學機械與車輛學院，北京，100081)

油氣懸架是指以油液傳遞壓力，用惰性氣體作為彈性介質，由蓄能器 (相當于氣體彈簧)和具有減振器功能的懸架油缸組成[1]的一種車輛懸架系統(tǒng).懸架油缸內部的阻尼孔、單向閥代替了通常的減振元件，構成的油氣懸架及彈性元件(通過液體支承)和減振器功能于一體，形成一種獨特的懸架系統(tǒng).它以其優(yōu)越的非線性特性和良好的減振性能，能夠最大限度地滿足工程車輛的要求，使其行駛平順性和操縱安全性得到提高[2].

基于某大型礦車建立了虛擬樣機模型，該模型利用油氣彈簧臺架試驗所得數(shù)據建立油氣懸架系統(tǒng)，充分考慮了油氣懸架的非線性.并且根據平順性仿真標準，建立了障礙路面模型.該模型分別考慮了兩種輪胎充氣壓力，空載和滿載兩種工況，兩種車速，兩種阻尼情況.計算得到礦車在不同速度和不同阻尼下通過障礙路面時，車梁對路面障礙給前輪和后輪產生沖擊的加速度響應.為整車的平順性研究提供了參考數(shù)據.

1 模型建立及驗證

1.1 建立整車動力學模型

坐標系規(guī)定.①整車坐標平面:車輛中心面、前懸缸中心面、過前輪中心軸 (靜平衡位置)與地面水平面;②坐標原點:以上三面交點;③x、y、z坐標軸方向:x-車輛停止時車頭方向;y-前輪軸向向左;z-垂直地面向上[3];④懸架坐標:由于空車和滿載時的載荷不同，懸架的靜平衡位置也不同.以各自的靜平衡位置為坐標系原點;⑤懸缸坐標:以靜平衡時懸缸活塞位置為原點，壓縮為正[4].

假設:①將動力總成簡化為一個剛體，并集中質量與底盤[5];②將簧上質量按實際比例分布在駕駛室、車梁、載貨架和底盤上，通過修改該參數(shù)實現(xiàn)空載和滿載的參數(shù)設置;③不考慮輪胎的非線性;④油氣懸架的剛度和阻尼采用非線性彈簧代替[6].

障礙物:根據GB/5902-86(汽車平順性脈沖輸入行駛試驗方法)的規(guī)定，選擇三角形凸塊作為仿真障礙，三角塊的高度h=60mm，寬度H可不考慮，三角塊垂直于車輛前進方向放置.

車速:根據GB/5902-86的規(guī)定，選擇試驗車速為20 km/h、40 km/h.車速偏差按GB/4970-85(汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法)中2.7.3款的規(guī)定.

車輛外形尺寸如圖1所示.

圖1 整車外形尺寸

建立該模型所需的質量參數(shù)為實測值或由公司提供，慣量方面的參數(shù)采用三維軟件建模產生的計算值.前后懸架的剛度及阻尼參數(shù)為臺架試驗所測數(shù)據.輪胎模型采用ADAMS自帶的輪胎屬性文件，通過修改屬性文件的數(shù)據得到該模型所需的輪胎文件.在ADAMS中建立的車輛模型和路面障礙模型如圖2所示.

圖2 ADAMS仿真模型

1.2 模型檢驗

采用整車實測數(shù)據，通過對比模型與實車的前兩階固有頻率，驗證該動力學模型的正確性.圖3為仿真分析所得車梁前部加速度響應的時域圖及頻譜圖.

圖3 車梁前部加速度響應的時域圖及頻譜圖

取相同工況下的整車實測數(shù)據中車體前方的加速度信號進行對比，其時域圖和頻譜圖如圖4、圖5所示.

由于前兩階頻率對振動影響較大，故只對比前兩階頻率.由表1可知，所建模型的前兩階固有頻率與實車的前兩階固有頻率的誤差均小于10%，在工程可接受范圍內，即說明該動力學模型符合實際情況，可用于設計研究.

表1 前兩階固有頻率對比

2 越障分析

為了得到不同工況下懸架阻尼的變化對整車越障性能的影響.

設計了4種工況:①胎壓為4.2 MPa空載;②胎壓為4.2 MPa滿載;③胎壓為9.0 MPa空載;④胎壓為9.0 MPa滿載.

每種工況設計4組試驗:①線性剛度和全阻尼;②非線性剛度和全阻尼;③非線性剛度和前懸半阻尼;④非線性剛度和前后懸架均為半阻尼.每一組試驗均測試了兩種不同的車速:20 km/h、40 km/h.

2.1 車體前部垂向加速度時域分析

模型車在靜止時先進行靜平衡計算，然后，從靜止狀態(tài)開始加速，在到達障礙物前到達設定的速度.保持該速度通過障礙物，獲得模型在通過障礙物時，車體對障礙物沖擊的加速度響應.

由于只考慮加速度沖擊響應的峰值變化，圖6是胎壓為4.2 MPa空載，車速為20 km/h，不同阻尼情況經過障礙時的加速度時域圖，其他試驗有類似波形.

圖6 胎壓為4.2 MPa空載20 km/h時不同阻尼情況下車體加速度響應

2.2 車體前部垂向加速度峰值

取車體前部垂向加速度的峰值作為評價參數(shù).過障礙時，前輪和后輪會各自給車體產生一個沖擊峰值，對比不同工況和車速下該峰值的變化，即可得到懸架阻尼變化對整車越障性能的影響，由此可得出一個計算最優(yōu)阻尼值的方向.

將前軸通過障礙時產生的沖擊峰值叫做前脈沖峰值，后軸通過障礙產生的沖擊峰值叫后脈沖峰值.繪制各試驗所得車體前部垂向加速度的峰值如圖7、圖8所示.

為了進行對比，將車輛速度提高一倍再進行相同的仿真試驗，試驗結果如圖9、圖10所示.

圖7 20 km/h時前軸沖擊產生的車體前部垂向加速度峰值

2.3 仿真結果及分析

1)前軸脈沖激勵對車體前部垂向加速度響應的影響遠大于后軸.

2)非線性剛度較線性剛度，能更快地衰減脈沖振動響應.在滿載時，懸架非線性對脈沖振動響應衰減體現(xiàn)不明顯.

3)在同樣工況下，隨著胎壓增大，車體前部垂向對脈沖激勵加速度的響應峰值增大.

4)空載時，前懸阻尼變?yōu)橐话?，能有效減小前軸脈沖沖擊對車梁前部的加速度響應.前后懸架阻尼均降為一半時，與只降低前懸阻尼相比，脈沖響應峰值進一步減小不明顯，但振動響應的衰減加快.

5)滿載時，車體前部垂向對前軸脈沖的加速度響應較空載時增大，對后軸脈沖的加速度響應較空載時減小.

3 結論

通過對某大型礦用車越障特性的仿真研究，有以下結論:

1)根據整車的平順性測試數(shù)據和懸架的臺架試驗數(shù)據，在ADAMS中建立了該礦車的多體動力學模型.通過與整車實測數(shù)據進行對比，驗證了該仿真模型的正確性，可用于油氣懸架的系統(tǒng)優(yōu)化計算.

2)研究了該車在不同懸架特性下通過三角障礙塊時車體前部垂向加速度響應的峰值變化.分析了改變懸架阻尼對該車越障性能的影響，有較強的實用價值.

3)對礦車越障性能的評價未進行動撓度等其他評價參數(shù)的仿真試驗，應進一步設計相關試驗驗證仿真結果的一致性.

[1] 秦家升，安 靜，單海燕，等.油氣懸架的特征及其結構原理分析研究 [J].工程機械，2003(11):7-10.

[2] 吳仁智.油氣懸架系統(tǒng)動力學建模仿真和試驗研究:[D].杭州:浙江大學，2000.

[3] 錢德猛.基于虛擬技術的汽車空氣懸架的建模及仿真[J].客車技術與研究，2006，28(1):7-10.

[4] 馬國清，檀潤華，武一民.基于油氣懸掛系統(tǒng)的1/4車數(shù)學模型與仿真研究.河北工業(yè)大學學報.2002，31(6):30-34.

[5] 張洪欣.汽車系統(tǒng)動力學 [M].上海:同濟大學出版社，1996.

[6] Lang R and R Sonnenburg.A detailed shock absorber model for full vehicle simulation[C].Presented at the 10th European ADAMS Users’Conference，F(xiàn)rankfurt，1995:14-15.