電控空氣懸掛剛度特性分析

謝東升， 王 璐， 汪國勝， 雷強(qiáng)順

(1. 73667 部隊(duì), 江蘇 鎮(zhèn)江 212421； 2. 中國北方車輛研究所, 北京 100072)

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電控空氣懸掛剛度特性分析

謝東升1， 王 璐2， 汪國勝2， 雷強(qiáng)順2

(1. 73667 部隊(duì), 江蘇 鎮(zhèn)江 212421； 2. 中國北方車輛研究所, 北京 100072)

針對(duì)某型履帶車輛用電控空氣懸掛系統(tǒng)(Electronically Controlled Air Suspension System，ECASS)仿求設(shè)計(jì)要求，首先采用受力三角形分析方法(Stress Triangle Method，STM)分析了電控空氣懸掛結(jié)構(gòu)與受力，理論推導(dǎo)了懸掛的剛度特性；然后，根據(jù)車重增大空氣彈簧內(nèi)徑方法對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿求分析；最后，對(duì)初步設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：基于STM的剛度特性分析方法推導(dǎo)過程簡單可行；懸掛負(fù)重輪支撐力曲線上凹懸掛、剛度曲線下凹，說明采用增大空氣彈簧內(nèi)徑方法后得到的電控空氣懸掛特性難以滿足軍用車輛的實(shí)際減振要求。相關(guān)剛度計(jì)算方法與懸掛結(jié)構(gòu)分析結(jié)果為后續(xù)的電控空氣懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

電控空氣懸掛； 受力三角形分析方法； 剛度特性； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電控空氣懸掛系統(tǒng)(Electronically Controlled Air Suspension System，ECASS)能夠顯著吸收車輛的沖擊和振動(dòng)能量,大幅減小車輛的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)，從而顯著提高車輛的行駛平順性與操控性、武器系統(tǒng)射擊穩(wěn)定性與乘坐舒適性。安裝ECASS后的輪式車輛或履帶車輛平臺(tái)的穩(wěn)定性、越野行駛時(shí)的操控性顯著提高,其越野速度可提高2～3倍，與傳統(tǒng)被動(dòng)懸掛系統(tǒng)相比，安裝ECASS具有無法比擬的性能優(yōu)勢(shì)[1-5]。

鑒于ECASS的優(yōu)越性能，筆者對(duì)ECASS懸掛系統(tǒng)進(jìn)行了仿求設(shè)計(jì)。根據(jù)某型履帶車輛平臺(tái)總體參數(shù)與行動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在參考ECASS結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用受力三角形分析方法(Stress Tringle Method,STM)分析電控空氣懸掛結(jié)構(gòu)與受力，理論推導(dǎo)基于擺動(dòng)缸空氣彈簧的電控空氣懸掛的剛度特性，最后對(duì)初步設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為后續(xù)的電控空氣懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

1 懸掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

懸掛作為彈性支撐與減振部件，要求具有盡可能強(qiáng)的緩沖與熄振功能，以使整車具有良好的行駛平順性。圖1為電控空氣懸掛的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要包括空氣彈簧、平衡肘和電磁致動(dòng)器。其中：空氣彈簧作為彈性元件為車輛提供靜態(tài)支撐力與緩沖功能；內(nèi)置減速器、電機(jī)的電磁致動(dòng)器在主動(dòng)工況時(shí)作為主動(dòng)執(zhí)行器，為懸掛提供主動(dòng)控制力，在被動(dòng)或半主動(dòng)工況時(shí)作為減振器為懸掛提供阻尼力。

圖1 電控空氣懸掛機(jī)械機(jī)構(gòu)

所設(shè)計(jì)車輛車重約30 t，根據(jù)履帶車輛行動(dòng)總體設(shè)計(jì)要求可知，其后三輪承重均為24.276 kN?，F(xiàn)以后單輪懸掛為例，分析電控空氣懸掛的剛度特性。由于所設(shè)計(jì)車輛車重比美國槍騎兵履帶車輛大一些，并考慮到現(xiàn)階段國內(nèi)密封水平(懸掛最大密封壓力約為40 MPa)，筆者在參考ECASS車輛懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及受力的基礎(chǔ)上，采取適當(dāng)提高空氣彈簧缸徑(提高到63 mm)以提高承重能力的方法，對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。電控空氣懸掛結(jié)構(gòu)參數(shù)及空氣彈簧內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)尺寸如表1和圖1、2所示。

圖1中：坐標(biāo)原點(diǎn)O為平衡肘在車體上的安裝支點(diǎn)；C為空氣彈簧在車體上的安裝支點(diǎn)，C點(diǎn)相對(duì)O點(diǎn)的坐標(biāo)為(XC,YC)；O1點(diǎn)為負(fù)重輪軸在平衡肘上的安裝中心點(diǎn)；B為空氣彈簧在平衡肘翹耳上安裝支點(diǎn)，B點(diǎn)到平衡肘軸線上的垂足為點(diǎn)A；P點(diǎn)為過O1點(diǎn)的垂線與空氣彈簧軸線BC的交點(diǎn)；α為平衡肘中心線與水平面之間夾角；β為空氣彈簧活塞桿中心線與水平面之間的夾角；γ為OP方向與水平線夾角；δ為彈簧彈性力Fq作用于平衡肘的壓力角；ε=arctan(-YB/XB)，為OB與水平線的夾角；Lq為空氣彈簧上安裝點(diǎn)C與B之間距離；Ff為彈簧彈性力產(chǎn)生的負(fù)重輪軸的支撐力；Fp為車體通過平衡肘安裝支架施加給平衡肘的拉力。

表1 電控空氣懸掛結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖2 空氣彈簧內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)尺寸

圖2中：L3為氣缸筒上安裝軸軸線到缸筒口的距離；L4為活塞桿長度。

2 懸掛結(jié)構(gòu)與受力分析

2.1 懸掛結(jié)構(gòu)分析

由圖1中幾何關(guān)系，可知A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)分別為

(1)

(2)

則有

Lq=[(Lp+l0)2+r2+XC2+YC2-2r(XCsinα+

YCcosα)-2XC(Lp+l0)cosα+

2YC(Lp+l0)sinα]1/2,

(3)

(4)

式中：H=H0+f，為任何位置時(shí)的距地高，其中f為懸掛行程。根據(jù)懸掛動(dòng)、靜行程fd、fj，履帶厚HLV和負(fù)重輪直徑D，可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的平衡肘與水平面的夾角αd、αj。

活塞靜行程為

Sj=Lql-Lqj，

(5)

活塞動(dòng)行程為

Sd=Lqj-Lqd，

(6)

氣缸筒上安裝軸軸線離缸筒口距離為

L3=Lqd-L2-S0，

(7)

活塞桿長度為

L4=L1+Lqd-Δs。

(8)

式中：Lql、Lqj、Lqd分別為靜平衡及平衡肘處于上/下極限位置時(shí)空氣彈簧上安裝點(diǎn)C與B之間的距離。

2.2 懸掛靜平衡時(shí)受力分析

由圖1可看出：懸掛工作時(shí)，平衡肘受彈簧彈性力Fq、負(fù)重輪軸的支撐力Ff及車體通過平衡肘安裝支架施加給平衡肘的拉力Fp共同作用。在靜平衡時(shí)，由于平衡肘受三力作用平衡，其三力必交于點(diǎn)P，受力三角形如圖3所示。

圖3 靜平衡時(shí)平衡肘受力示意圖

對(duì)于彈簧彈性力Fq，其作用線(缸筒軸線方向)與水平線夾角β，有

(9)

(l0cosα+rsinα)tanβ]/(Lpcosα)。

(10)

由圖3所示的受力三角形，應(yīng)用正弦定理得

(11)

由此可得,靜平衡時(shí)平衡肘受力Fpj和彈簧彈性力Fqj分別為

(12)

(13)

彈簧彈性力Fq作用于平衡肘的壓力角δ為

δ=βj-ε。

(14)

2.3 空氣彈簧內(nèi)部壓強(qiáng)

空氣彈簧和油氣彈簧目前只應(yīng)用在小噸位車輛上，因其密封壓力在中型履帶車輛上應(yīng)用受限，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須在全行程內(nèi)考核。靜平衡時(shí)，負(fù)重輪軸給平衡肘的支撐力Ffj為

Ffj=G1，

(15)

式中：G1為單個(gè)懸掛所支撐的懸置重量。

結(jié)合式(12)、(13)、(15)可推導(dǎo)得

(16)

式中：Ah=πd22/4，為活塞桿有效面積；P0=1.013×105Pa，為大氣壓強(qiáng)；Pj為靜平衡時(shí)氣缸內(nèi)氣壓。

由式(16)可得

(17)

相對(duì)于靜平衡位置，空氣彈簧在任意位置時(shí)內(nèi)部壓強(qiáng)P、彈簧彈性力Fq分別為

P=Pj(Vj/V)m，

(18)

Fq=(P-P0)Ah=(PjVjm/Vm-P0)Ah。

(19)

將式(19)代入式(12)，求得任意位置靜平衡條件下彈簧彈性力產(chǎn)生的負(fù)重輪支撐力為

Ff=Fqsin(β-γ)/cosγ=

(20)

式中：Vj與V分別為靜平衡狀態(tài)與任意位置時(shí)彈簧內(nèi)部壓縮空氣體積；m=1.25,為壓縮氣體的多變指數(shù)。

圖4為初始充氣狀態(tài)下空氣彈簧內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)尺寸。

圖4 初始充氣狀態(tài)下空氣彈簧內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)尺寸

(21)

式中：s、sd、sj分別為任意情況下空氣彈簧活塞相對(duì)于初始充氣位置以及其動(dòng)、靜行程。

根據(jù)式(18)，可計(jì)算初始充氣壓強(qiáng)Pl及懸掛上極限位置時(shí)彈簧壓強(qiáng)Pd分別為

Pl=Pj(Vj/Vl)m,
Pd=Pj(Vj/Vd)m。

(22)

根據(jù)懸掛靜平衡時(shí)及懸掛動(dòng)、靜行程的要求，把表1中相關(guān)參數(shù)代入上面諸式中，計(jì)算得到與電控空氣懸掛結(jié)構(gòu)參數(shù)值，見表2。

表2 計(jì)算所得電控空氣懸掛結(jié)構(gòu)參數(shù)值

3 懸掛剛度特性

單輪懸掛裝置的剛度為

(23)

將式(20)、(21)代入式(23)中，并化簡可得

當(dāng)k值較大時(shí)，代表車輪運(yùn)動(dòng)接近于穩(wěn)態(tài)，即接觸斑和其他參數(shù)變化較慢；當(dāng)k值較小時(shí)，代表車輪運(yùn)動(dòng)在非穩(wěn)態(tài)，即接觸斑和其他參數(shù)變化較快。

(24)

根據(jù)圖3可知，

f=H0-H=Lp(sinα0-sinα)。

(25)

對(duì)式(25)求導(dǎo)可得

(26)

由圖3所示幾何關(guān)系可得

s=Lq0-Lq,

(27)

可推得

(28)

對(duì)式(3)求導(dǎo)得

(29)

對(duì)式(9)求導(dǎo)，并化簡得

rsinα]+YC[(Lp+l0)sinα-rcosα]}×

(30)

對(duì)式(10)求導(dǎo)，并化簡得

(31)

將式(26)、(29)-(31)代入式(24)中，可求得懸掛剛度K。根據(jù)式(24)、(25)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可分別得到如圖5-7所示的空氣彈簧內(nèi)部壓強(qiáng)P、懸掛負(fù)重輪軸支撐力Ff、懸掛剛度K與懸掛行程f的關(guān)系曲線。

由圖5可知：基于原有結(jié)構(gòu)參數(shù)的電控空氣懸掛滿足彈簧內(nèi)壓強(qiáng)小于動(dòng)密封壓強(qiáng)極限(40 MPa)要求。由圖6可知：懸掛負(fù)重輪支撐力曲線呈上凹狀，這說明在不同的懸掛行程下存在相同的懸掛受力，使得懸掛位移與受力不再一一對(duì)應(yīng)[6]，這將使車姿調(diào)節(jié)困難且易發(fā)生變動(dòng)。由圖7可知：懸掛行程末端懸掛剛度較小且呈下降趨勢(shì)，使得懸掛剛度曲線呈下凹狀，這表明懸掛緩沖能力較差，容易導(dǎo)致懸掛擊穿與脫帶。

圖5 空氣彈簧內(nèi)部壓力與懸掛行程的關(guān)系曲線

圖6 懸掛負(fù)重輪軸支撐力與懸掛行程的關(guān)系曲線

圖7 懸掛剛度與懸掛行程關(guān)系曲線

結(jié)合圖5-7可以得出：通過簡單增大空氣彈簧內(nèi)徑方法的初步仿求設(shè)計(jì)結(jié)果難以滿足設(shè)計(jì)樣車的實(shí)際減振要求。

4 結(jié)論

基于受力三角形的剛度分析方法推導(dǎo)過程簡單、可行。通過簡單增大空氣彈簧內(nèi)徑方法的初步仿求設(shè)計(jì)結(jié)果難以滿足設(shè)計(jì)樣車的實(shí)際減振要求，主要表現(xiàn)為懸掛特性曲線不理想：懸掛負(fù)重輪支撐力曲線上凹，這將導(dǎo)致車姿調(diào)節(jié)困難且易發(fā)生變動(dòng)；懸掛剛度曲線下凹，這表明在動(dòng)行程末端懸掛緩沖能力較差，從而易發(fā)生懸掛擊穿與脫帶現(xiàn)象。相關(guān)剛度計(jì)算方法與分析結(jié)果為后續(xù)的電控空氣懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

下一步,在分析電控空氣懸掛減振特性影響因素與影響程度的基礎(chǔ)上，對(duì)電控空氣懸掛結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

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[3] WEEKS D A,BENO J H,BRESIE D A,et al. Laboratory testing of active electromagnetic Near Constant Force Suspension(NCFS) concept on subscale four corner,full vehicle test-rig[C]∥Proceedings of International Congress & Exposition. Detroit,MI,U.S.:SAE Technical Paper,1997：971088.

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[6] 汪國勝,雷強(qiáng)順,李波,等.基于雙彈簧對(duì)稱布置的剛度可調(diào)式半主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014,28(5):25-28.

(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Stiffness Characteristics of Electronically Controlled Air Suspension System

XIE Dong-sheng1, WANG Lu2, WANG Guo-sheng2, LEI Qiang-shun2

(1. Troop No. 73667 of PLA, Zhenjiang 212421, China; 2. China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

Aiming at design requirements of coping the Electronically Controlled Air Suspension System (ECASS) used in the tracked vehicle, a new analysis method named Stress Triangle Method (STM) is proposed to analyze the structure stress and the stiffness characteristics of electromagnetic suspension theoretically. Then the suspension’ structure is simulated and analyzed by increasing the internal diameter of the air spring according to the gravity of the vehicle, and the design result is evaluated at the end. The research results show that the stiffness characteristics based on STM is simple and practicable. It is found that the curve of suspension bogie-wheel characteristics is concave-up and the curve of suspension stiffness characteristics is concave-down, which demonstrate ECASS′stiffness cannot meet the requirement of vibration reduction of military vehicles. The relevant calculation method on stiffness and the analysis result of suspension structure are the technical foundation for the subsequent ECASS’ structure optimization.

Electronically Controlled Air Suspension System (ECASS); Stress Triangle Method (STM); stiffness characteristics; structure optimization

1672-1497(2017)03-0053-05

2016-11-25

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

謝東升(1963-)，男，高級(jí)工程師。

TJ81+0.332

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.03.010