橋梁檢測(cè)車懸架彈簧多級(jí)減振性能分析

李慶桐，徐楊蛟，李 軍，周志祥

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074;3. 重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

傳統(tǒng)的汽車懸架在汽車設(shè)計(jì)好后就具有了固定的阻尼特性，但汽車載重量和路面狀況一直處于變化之中，傳統(tǒng)汽車懸架難以適應(yīng)這些變化。非線性懸架具有變阻尼特性，相比傳統(tǒng)固定阻尼懸架，更能適應(yīng)變工況環(huán)境，對(duì)汽車減振和行駛穩(wěn)定性能具有較好的改善作用[1-3]。

橋梁智能檢測(cè)車作為一種特種車輛，懸架性能的優(yōu)劣直接影響到橋梁智能檢測(cè)車作業(yè)性能的精度和檢測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性，是橋梁智能檢測(cè)車底盤設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，懸架減振對(duì)汽車緩沖減振和行駛穩(wěn)定性具有重要作用。

空氣懸架是一種性能良好的非線性懸架系統(tǒng)，國(guó)外對(duì)空氣懸架研究較早，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種客貨車[4-5]。但空氣懸架在我國(guó)的應(yīng)用還受到一些客觀因素的限制，其應(yīng)用中還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決[6]。汽車螺旋彈簧多級(jí)減振懸架系統(tǒng)具有非線性特性，目前已有多級(jí)減振剛度彈簧的相關(guān)研究[7]。

筆者以某橋梁檢測(cè)車JHW5330F49B4T底盤作為匹配目標(biāo)，對(duì)橋梁智能檢測(cè)車進(jìn)行螺旋彈簧三級(jí)剛度匹配設(shè)計(jì)，并對(duì)多級(jí)減振懸架系統(tǒng)減振性能與單剛度減振系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 三級(jí)剛度螺旋彈簧減振工作原理

多級(jí)螺旋彈簧減振系統(tǒng)一般由多個(gè)不同剛度的螺旋彈簧組成。根據(jù)汽車不同的載荷情況，多個(gè)螺旋彈簧組成不同的工作狀態(tài)，組合出不同的減振剛度，以滿足不同的減振需求。

三級(jí)剛度螺旋彈簧減振系統(tǒng)一般由2個(gè)不同剛度的螺旋彈簧組成，2個(gè)不同剛度的螺旋彈簧根據(jù)汽車載荷不同，組成串聯(lián)、并聯(lián)以及單獨(dú)作用形式，可以根據(jù)載荷變化，分段調(diào)節(jié)剛度，利用線性螺旋彈簧組合形成非線性多級(jí)減振系統(tǒng)。

三級(jí)剛度螺旋彈簧減振系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 三級(jí)剛度螺旋彈簧結(jié)構(gòu)Fig.1 Spiral spring structure of 3-degree rigidity

三級(jí)剛度螺旋彈簧減振系統(tǒng)由螺旋彈簧K1，K2和連接裝置組成。螺旋彈簧K1位于螺旋彈簧K2內(nèi)部，連接裝置將K2頭部與K1尾部連接起來(lái)。減振系統(tǒng)工作原理如下：

1)汽車空載時(shí)，S1與S2都大于0，K1與K2組成串聯(lián)關(guān)系，系統(tǒng)剛度為，K=(K1×K2)/(K1+K2)。

2)汽車半載時(shí)，S1=0，S2>0，此時(shí)K1不起作用，系統(tǒng)剛度為：K1=K2。

3)汽車滿載時(shí)，S1=S2=0，S3>0，此時(shí)K1與K2組成并聯(lián)關(guān)系，系統(tǒng)剛度為：K=K1+K2。

2 螺旋彈簧剛度設(shè)計(jì)匹配

筆者以JHW5330F49B4T底盤作為匹配目標(biāo)，其空載質(zhì)量為9 590 kg，滿載質(zhì)量為33 000 kg，筆者選擇二自由度1/4車體懸架系統(tǒng)為研究對(duì)象，其1/4模型的空載質(zhì)量為Mm=2 397.5 kg，半載質(zhì)量為M1=5 323.75 kg，滿載質(zhì)量為M2=8 250 kg，特殊情況下，汽車載荷為滿載200%，此時(shí)汽車質(zhì)量為M′=14 102.5 kg。

2.1 螺旋彈簧減振剛度計(jì)算

實(shí)際應(yīng)用中，f=1～1.6 Hz是比較合適的車身振動(dòng)頻率[8]。剛度計(jì)算公式為：

k=(2πf)2m

(1)

良好的懸架減振系統(tǒng)應(yīng)能使汽車在不同載荷下都能有合適的振動(dòng)頻率。

采用單級(jí)減振時(shí)，系統(tǒng)剛度必須大于最大剛度。按n=1 Hz，M′=14 102.5 kg計(jì)算，即K最小為556 180 N/cm。

2.2 減振系統(tǒng)靜撓度計(jì)算

靜撓度是汽車載荷與懸架剛度之比，是影響汽車行駛平順性的主要參數(shù)之一。

(2)

2.2.1 多級(jí)減振系統(tǒng)

空載時(shí)的靜撓度：

(3)

半載時(shí)的靜撓度：

(4)

滿載時(shí)的靜撓度：

(5)

超過(guò)滿載200%時(shí)的靜撓度：

(6)

2.2.2 單級(jí)減振系統(tǒng)

空載時(shí)的靜撓度：

(7)

半載時(shí)的靜撓度：

(8)

滿載時(shí)的靜撓度：

(9)

超過(guò)滿載200%時(shí)的靜撓度：

(10)

3 三級(jí)剛度螺旋彈簧減振性能分析

3.1 三級(jí)剛度螺旋彈簧彈性特性分析

空氣彈簧有比較理想的非線性彈性特性曲線[9]。三級(jí)剛度螺旋彈簧把汽車工況分為3個(gè)減振區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)都是線性彈性剛度，每個(gè)區(qū)域剛度各不相同。多級(jí)剛度螺旋彈簧采用一次曲線逼近理想彈性特性曲線，三級(jí)剛度彈簧彈性特性曲線如圖2。

圖2 三級(jí)剛度彈簧彈性特性曲線Fig.2 Elasticity characteristic curve of 3-degree rigidity spiral spring

從圖2中可以看出，三級(jí)剛度彈簧彈性特性曲線比單剛度彈簧更接近理想特性曲線，更能適應(yīng)載荷變化。

3.2 三級(jí)剛度螺旋彈簧振動(dòng)頻率分析

3.2.1 三級(jí)剛度螺旋彈簧系統(tǒng)

1.22(Hz)

3.2.2 單剛度螺旋彈簧系統(tǒng)

汽車處于空載和半載之間時(shí)，系統(tǒng)剛度恒定為K，f范圍為[1.63，2.43]。汽車處于半載和超載200%之間時(shí)，f范圍為[1，1.63]。

從以上分析可以看出，單剛度系統(tǒng)一般以最大載荷來(lái)核定計(jì)算，在低載荷區(qū)域很難達(dá)到理想振動(dòng)頻率。多剛度減振系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)，對(duì)應(yīng)剛度較小，在每個(gè)區(qū)段基本都能達(dá)到理想振動(dòng)頻率。

3.3 三級(jí)剛度螺旋彈簧振動(dòng)阻尼分析

以三級(jí)剛度彈簧減振系統(tǒng)滿載時(shí)阻尼為0.25選定減振阻尼器[4]，即：

(11)

1)三級(jí)剛度減振系統(tǒng)中，其他工況下的減振阻尼

空載時(shí)：ξ=0.95，ω=9.11

半載時(shí)：ξ=0.50，ω=7.85

滿載時(shí)：ξ=0.25，ω=10.05

超載200%時(shí)：ξ=0.19，ω=7.69

2)單剛度減振系統(tǒng)中，其他工況下減振阻尼

空載時(shí)：ξ=0.46，ω=15.23

半載時(shí)：ξ=0.31，ω=10.22

滿載時(shí)：ξ=0.25，ω=8.21

超載200%時(shí)：ξ=0.19，ω=6.28

從以上分析可以看出，多級(jí)剛度彈簧減振系統(tǒng)選定阻尼器后，阻尼比隨載荷增加而減小很快，同時(shí)ω在低載荷區(qū)域降低，有利于提高汽車行駛舒適性。單剛度彈簧減振系統(tǒng)，阻尼比隨載荷增加而減小緩慢，ω在低載荷區(qū)域大幅增加，嚴(yán)重影響汽車行駛舒適性。

3.4 三級(jí)剛度螺旋彈簧共振抑制分析

多級(jí)剛度螺旋彈簧減振系統(tǒng)，在不同載荷下有不同的振動(dòng)頻率，在某一工況下，振動(dòng)幅度超過(guò)一定值后，系統(tǒng)剛度就會(huì)發(fā)生改變，系統(tǒng)剛度、頻率就會(huì)因此而發(fā)生改變，使同一振動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生了變化的固有頻率，從而可有效抑制共振發(fā)生[7]。

4 結(jié) 論

以一個(gè)具體車型進(jìn)行設(shè)計(jì)匹配，并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行研究分析，得到以下結(jié)論：

1)多級(jí)剛度彈簧彈性特性曲線相對(duì)單剛度彈簧彈性曲線，更接近理想彈性特性曲線。

2)多級(jí)剛度彈簧減振系統(tǒng)降低了汽車部分載荷下的固有頻率，使汽車在所有工況下基本都能達(dá)到理想振動(dòng)頻率。

3)多級(jí)剛度彈簧減振系統(tǒng)增大了汽車在低載荷工況下的阻尼比，提高了低載荷工況下的減振效果，同時(shí)提高了行駛舒適性。

4)多級(jí)剛度彈簧減振系統(tǒng)在大振動(dòng)激勵(lì)下，可產(chǎn)生交變固有頻率，可有效抑制共振。

5)將多個(gè)螺旋彈簧組合起來(lái)，可以產(chǎn)生具有與空氣彈簧類似的非線性特性的懸架系統(tǒng)，在空氣彈簧核心技術(shù)尚未完全攻克之前，是一種實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的替代方案。

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