基于液壓慣容器的ISD懸架性能分析與試驗*

汪若塵,　葉　青，　孫澤宇，　謝　健，　陳　龍，　眭　忠

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院　鎮(zhèn)江，212013) (2.中共鎮(zhèn)江市市委辦公室　鎮(zhèn)江，212013)

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基于液壓慣容器的ISD懸架性能分析與試驗*

汪若塵1,葉青1，孫澤宇1，謝健1，陳龍1，眭忠2

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院鎮(zhèn)江，212013) (2.中共鎮(zhèn)江市市委辦公室鎮(zhèn)江，212013)

摘要針對機(jī)械式懸架存在的慣容器“背隙”的問題，提出一種基于液壓慣容器的ISD(inerter-spring-damper，簡稱ISD)懸架。介紹了液壓慣容器的結(jié)構(gòu)及工作原理；建立了液壓慣容器ISD懸架的整車模型，在matlab/simulink環(huán)境下，進(jìn)行了壓慣容器ISD懸架平順性仿真；研究了液壓慣容器ISD懸架在脈沖輸入、隨機(jī)路面輸入作用下的動態(tài)性能。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了液壓慣容器ISD懸架臺架試驗，試驗與仿真結(jié)果基本吻合。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)被動懸架相比，液壓式慣容器ISD懸架可以有效降低車身垂直振動加速度。

關(guān)鍵詞車輛懸架; 液壓慣容器; 仿真; 平順性

引言

乘坐舒適性是車輛的重要性能指標(biāo)之一，而懸架的性能對其起決定性作用。由于傳統(tǒng)被動懸架其剛度和阻尼為定值，難以滿足人們對車輛性能的要求。文獻(xiàn)[1-2]提出并設(shè)計了齒輪齒條式和滾珠絲杠式慣容器，其研究結(jié)果表明，慣容器針對汽車隔振性能有很大的提升。Wang等[3]將慣容器應(yīng)用到火車懸架中，改善了火車的乘坐舒適性、系統(tǒng)動態(tài)性能及穩(wěn)定性。近年來隨著機(jī)電相似理論的完善，國內(nèi)學(xué)者在懸架中引入慣容器，提出了ISD懸架的概念，并證實(shí)應(yīng)用慣容器能夠提高懸架隔振性能。

目前ISD懸架普遍都是機(jī)械式的，其非線性因素尤其是背隙對懸架整體性能有很大的影響，因此筆者提出了一種基于液壓慣容器的ISD懸架，液壓慣容器相較于機(jī)械式慣容器可以有效避免機(jī)械式慣容器存在的背隙問題，而且結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大以及加工成本低[4-6]。在此基礎(chǔ)上,對液壓慣容器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，構(gòu)建了液壓ISD懸架整車模型，仿真分析了該型懸架的性能，并進(jìn)行了液壓慣容器ISD懸架臺架試驗，驗證其結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。

1液壓慣容器式ISD懸架

1.1液壓慣容器式ISD懸架基本原理

ISD懸架結(jié)構(gòu)如圖1所示，由慣容器、彈簧和阻尼器構(gòu)成，根據(jù)新機(jī)電相似理論，三者分別與電學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的電容、電感和電阻相對應(yīng)?；陔妼W(xué)元件的特性可知，彈簧具有“通低頻、阻高頻”和相位滯后的作用，慣容器具有 “通高頻、阻低頻” 和相位超前的特性[7-10]。

圖1　慣容器懸架示意圖Fig.1　Schematic of ISD

圖1所示為兩級串聯(lián)式ISD懸架，第1級采用阻尼和彈簧并聯(lián)，第2級采用液壓式慣容器、阻尼和彈簧并聯(lián)。理論上該懸架結(jié)構(gòu)可在全頻域范圍內(nèi)緩沖和衰減由路面不平度引起的沖擊和振動，提高乘坐舒適性。

1.2液壓式慣容器結(jié)構(gòu)與原理

液壓式慣容器液壓缸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　液壓式慣容器結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of hydraulic inertia container

當(dāng)外力F沿活塞桿軸向方向施于活塞桿時，活塞相對于缸體做直線運(yùn)動，上下兩腔形成壓差，推動液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動[11-12],其中液壓馬達(dá)將壓力轉(zhuǎn)換成機(jī)械力消耗掉?？紤]忽略漏油對系統(tǒng)造成的影響，根據(jù)壓強(qiáng)公式，在液壓缸中

(1)

對管道流體進(jìn)行力學(xué)分析，如圖3所示。

圖3　非穩(wěn)流體沿線性運(yùn)動Fig.3　Non-steady fluid along the movement

考慮ISD懸架的往復(fù)運(yùn)動，管道內(nèi)流體隨時間變化，為非穩(wěn)流狀態(tài)，其管道力學(xué)方程類似穩(wěn)態(tài)伯努利方程式，根據(jù)牛頓第二定律可得

(2)

其中：ΔP為目標(biāo)段管道兩端壓力差；G為目標(biāo)端管道重力；ma為液體在管道內(nèi)的慣性力；ρ為液體密度。

此處液壓慣容器所考慮的操作范圍，其流體都為層流(Laminar flow)，因此摩擦因數(shù)fe=64/Re，Re表示雷諾系數(shù)。根據(jù)液壓馬達(dá)的工作原理可得液壓馬達(dá)的壓力差為

(3)

其中：ηv為液壓馬達(dá)的容積效率(假設(shè)為定值)；D為流量轉(zhuǎn)角速度比(假設(shè)為定值)；ηm為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率；I為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動慣量。

綜合式(1～3)以及懸架力學(xué)公式得

(4)

其中：A1為液壓缸截面積；A2為管道截面積。

則該裝置慣容系為

(5)

由式(5)看出，此種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)慣容器的特性，液壓缸不僅能夠承受高壓，還能解決機(jī)械式慣容器的背隙問題，并且液壓慣容器實(shí)現(xiàn)了把幾百千克的慣性轉(zhuǎn)化到重量只有幾千克的飛輪的旋轉(zhuǎn)之中，這也正是該液壓慣容器的價值。

2系統(tǒng)動力學(xué)建模

液壓慣容器ISD懸架的整車模型如圖4所示。

圖4　液壓慣容器懸架的整車模型Fig.4　Vehicle mode of hydraulic ISD

車身質(zhì)心出的垂直運(yùn)動方程[13-15]為

(6)

車身俯仰運(yùn)動方程為

(7)

非懸掛質(zhì)量的垂直運(yùn)動方程為

(8)

懸架作用力為

(9)

當(dāng)俯仰角θ較小時，近似有線性關(guān)系

(10)

則系統(tǒng)微分方程的狀態(tài)空間表達(dá)式[6]為

(11)

其中

B=(0404-I4040404)T

其中:c1i為第1級懸架阻尼系數(shù)；csky_i為天棚阻尼系數(shù)；k1i為第1級懸架剛度；k2i分別為第2級懸架剛度；b2i為慣容器慣容系數(shù)；i=1,2,3,4。

整車模型主要參數(shù)如表1所示。

表1　整車模型主要參數(shù)

3液壓慣容器ISD懸架仿真分析

在Matlab/simulink環(huán)境下對液壓慣容器懸架的整車模型作仿真分析，分別將脈沖、隨機(jī)兩種路面輸入下的質(zhì)心垂直加速度與傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)作比較。

3.1脈沖輸入

取長坡形單凸塊做脈沖輸入，前輪速度輸入為

(12)

后輪的速度輸入為

(13)

取Am=0.1m，L=5m，車輛以u=20 m/s系統(tǒng)時域響應(yīng)輸出如圖5所示。

圖5　質(zhì)心垂直加速度對比圖Fig.5　The vertical acceleration of centroid mass

從圖5可以看出，在指定車速時的脈沖輸入下，和傳統(tǒng)的整車被動懸架相比，液壓式慣容器懸架的執(zhí)行垂直加速度有明顯的降低。

3.2隨機(jī)路面輸入

路面功率譜密度Gq(n)一般表達(dá)為

(14)

其中：n為空間頻率；n0為參考空間頻率；Gq(n0)為路面不平度系數(shù)；w為頻率指數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，建立路面不平度時域仿真分析模型,選取路面等級為B級，車速為30 m/s。仿真結(jié)果如圖6所示，輸出均方根值如表2所示。

圖6　質(zhì)心垂直加速度Fig.6　The vertical acceleration of centroid chart

指標(biāo)被動懸架慣容器懸架降幅/%車身加速度均方根值/(m·s-2)0.53630.312741.7

由圖6和表2看出，隨機(jī)路面輸入下, 液壓慣容器 ISD懸架與傳統(tǒng)懸架相比，質(zhì)心加速度有明顯降低，降幅41.7%，車輛行駛平順性有明顯提高。

4液壓慣容器ISD懸架試驗

為了驗證仿真的準(zhǔn)確性和有效性，搭建液壓ISD懸架整車臺架，并在MTS四通道輪胎耦合道路模擬機(jī)上進(jìn)行臺架試驗。

兩級式液壓慣容器ISD懸架布置結(jié)構(gòu)方案如圖7所示，通過等臂杠桿將二級懸架折疊降低懸架高度。圖7(b)中:1a，1b為車輪減振器;2a，2b為車身減振器;3a，3b為液壓缸;4為搖臂;5為液壓馬達(dá)。

圖7　兩級式液壓慣容器ISD懸架布置方案Fig.7　 Layout scheme of two-stage series-connected ISD suspension

4.1脈沖輸入試驗

根據(jù)GB5902-86，取v=20 m/s，將設(shè)計產(chǎn)生的脈沖路譜輸入MTS320試驗臺，進(jìn)行脈沖輸入試驗，峰峰值及均方根值對比如表3所示,系統(tǒng)的時域響應(yīng)如圖8所示。

圖8　脈沖輸入時域響應(yīng)Fig.8　Time domain response of pulse input

均方根值質(zhì)心垂直加速度/(m·s-2)俯仰角加速度/(rad·s-2)左前車身垂直加速度/(m·s-2)左前車輪垂直加速度/(m·s-2)傳統(tǒng)懸架2.87782.34573.473314.3092ISD懸架1.76091.85092.563211.5542降幅/%38.8121.0926.219.25

由表3以及圖8可以看出, 在脈沖輸入下，液壓ISD懸架相對于傳統(tǒng)被動懸架，車身的質(zhì)心垂直加速度、俯仰角加速度、左前車身垂直加速度和左前車輪垂直加速度均顯著降低，均方根值分別降低了38.81%，21.09%，26.20%，19.25%?？芍诿}沖輸入下，液壓ISD懸架有效提高了車輛的乘坐舒適性。

4.2隨機(jī)路面激勵試驗

在四通道道路模擬機(jī)上根據(jù)GB/T4970-85，輸入來自某試驗場采集的路面譜，對液壓慣容器懸架和傳統(tǒng)的被動懸架進(jìn)行隨機(jī)激勵，所得隨機(jī)響應(yīng)加速度均方根值如表4所示,所得隨機(jī)路面輸入功率譜密度如圖9所示。

圖9　隨機(jī)輸入功率譜密度Fig.9　Stochastic input power spectral density

均方根值質(zhì)心垂直加速度/(m·s-2)俯仰角加速度/(rad·s-2)左前車身垂直加速度/(m·s-2)左前車輪垂直加速度/(m·s-2)傳統(tǒng)懸架17.5610.31770.04350.3092ISD懸架16.94800.28620.03810.2509降幅/%3.499.9112.4118.85

由圖9和表4顯示，在質(zhì)心垂直加速度等方面，慣容器懸架比傳統(tǒng)的被動懸架都有一定程度的降低，具體來看，慣容器懸架跟傳統(tǒng)的被動懸架相比，車輪垂直速度降低了3.49%，車身質(zhì)心垂直加速度降低了9.91%，車身俯仰角加速度降低了12.41%，車身側(cè)傾角加速度降低了18.85%。

5結(jié)束語

此種液壓結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)慣容器的特性，應(yīng)用在ISD慣容器懸架中與傳統(tǒng)被動懸架相比能夠改善車身加速度等性能參數(shù)，具有較大的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的被動懸架相比，裝有液壓慣容器的懸架能夠有效改善車輛的乘坐舒適性，同時改善了車輛的操縱穩(wěn)定性。

多種路面輸入下的仿真結(jié)果表明，ISD慣容器懸架可以有效抑制車身振動，兩級分別阻止高頻和低頻振動向車身傳遞，改善了車輛行駛平順性。

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E-mail:wrc@ujs.edu.cn

E-mail：601532371@qq.com.

doi:10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.02.026

收稿日期：2014-09-22；修回日期：2014-10-10

中圖分類號U463.33;TH137

第一作者簡介：汪若塵，男，1977年12月生，博士、教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向為車輛動態(tài)性能模擬與控制。曾發(fā)表《Design and test of vehicle suspension system with inerters》(《Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part C: Journal of Mechanical Engineering Science》2014,Vol.228,No.15)等論文。

通信作者簡介：葉青，男，1990年6月生，博士生。主要研究方向為車輛動態(tài)性能模擬與控制。

*國家自然科學(xué)基金資助項目(50905078，51575240);江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK2012714)