客車空氣懸架振動(dòng)特性仿真研究

程相勛

摘 要：本文在建立客車空氣懸架振動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)客車空氣懸架振動(dòng)特性進(jìn)行了仿真模擬，對(duì)其位移、加速度等重要參數(shù)進(jìn)行了一定分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)客車空氣懸架模型控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，旨在為進(jìn)一步提升我國(guó)客車空氣懸架創(chuàng)新水平帶來(lái)一定的思考和啟迪。

關(guān)鍵詞：客車;空氣懸架;仿真研究

1 引言

隨著我國(guó)科技的進(jìn)一步發(fā)展和人民生活水平的不斷提升，我國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)一步完善，客車、小汽車、轎車等交通工具數(shù)量進(jìn)一步增多，在為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鲗W(xué)習(xí)提供方便的同時(shí)，也對(duì)我國(guó)客車質(zhì)量及其它重要性能提出了更高要求。懸架振動(dòng)控制裝置是客車行車系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的良好與否在極大程度上與客車車身和車輪之間的彈性連接、減少行車荷載、緩和沖擊力及保持車身穩(wěn)定等諸多功能直接相關(guān)。因此，加強(qiáng)對(duì)懸架振動(dòng)控制技術(shù)的探討和研究有利于不斷提升客車實(shí)際運(yùn)行能力，在此背景下，對(duì)客車空氣懸架振動(dòng)特性的仿真研究與模擬便有著不容忽視的重要理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

2 空氣懸架模型的建立

通常情況下，為更方便地研究客車車輛的懸架動(dòng)力學(xué)特性，大多將客車車輛系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用2自由度1/4車輛模型對(duì)客車懸架動(dòng)力學(xué)相關(guān)性能和重要參數(shù)進(jìn)行探討研究。因此，本文在對(duì)客車空氣懸架振動(dòng)特性進(jìn)行仿真研究和模擬試驗(yàn)時(shí)，也進(jìn)一步采用了2自由度1/4車輛力學(xué)模型，以此盡可能真實(shí)科學(xué)地反映客車車輛在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的垂向動(dòng)力學(xué)特性。同時(shí)，為更準(zhǔn)確、更科學(xué)地描述空氣彈簧的實(shí)際剛度特性，本論文進(jìn)一步采用了空氣彈簧剛性特性曲線對(duì)客車實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的空氣重要參數(shù)進(jìn)行模擬。在選擇空氣彈簧為主要試驗(yàn)對(duì)象的同時(shí)，利用加載部件、空氣壓縮機(jī)及其他測(cè)試系統(tǒng)，以255mm為空氣彈簧靜態(tài)平衡的實(shí)際工作高度，利用固定工作高度下分別充氣到0.3帕、0.4帕和0.5帕的方式，盡可能周全地記錄空氣彈簧實(shí)際工作高度與荷載的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取不同靜荷載下的空氣彈簧特性曲線圖，進(jìn)而為計(jì)算客車空氣懸架振動(dòng)特性相關(guān)參數(shù)奠定一定基礎(chǔ)。在此背景上，本文進(jìn)一步利用了ADAMS軟件中的交互式圖形環(huán)境和諸多數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)建了全參數(shù)模型下的客車機(jī)械系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)模型，在建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上對(duì)客車機(jī)械系統(tǒng)模型進(jìn)行了一定的力學(xué)分析，進(jìn)而輸出相應(yīng)的位移、速度、加速度甚至反作用曲線示意圖。

3 客車空氣懸架振動(dòng)特性仿真分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)方案

以某低入口型客車作為本論文實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)象，借助空氣彈簧作為重要彈性元件，客車1/4車輛的滿載質(zhì)量為2700千克，彈簧下的質(zhì)量為320千克，輪胎整體剛度為1200千牛每米，仿真試驗(yàn)所用的減振器阻尼系數(shù)為13.7。在整個(gè)仿真試驗(yàn)過(guò)程中，以0-8赫茲的不同頻率和5-10毫米的不同振幅信號(hào)作為激勵(lì)參數(shù)，以此方式測(cè)定整個(gè)客車車身的實(shí)際位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)車輛的實(shí)際行駛平順性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。同時(shí)，就客車系統(tǒng)而言，車內(nèi)乘客的多少會(huì)進(jìn)一步引起實(shí)際彈簧載重質(zhì)量的變化，而在傳統(tǒng)模式下的金屬?gòu)椈蓱壹苤?，簧載質(zhì)量的變化會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致客車車身離地高度發(fā)生變化，進(jìn)而使懸架固有頻率發(fā)生相應(yīng)變化。但針對(duì)客車空氣懸架系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)可進(jìn)一步借助高度閥自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣彈簧內(nèi)的氣壓，以此方式保證客車車身的高度不變，保證懸架固有頻率不變。在空氣彈簧高度保持不變的前提下，利用每一簧載質(zhì)量、對(duì)應(yīng)的空氣彈簧初始靜態(tài)氣壓計(jì)算和繪制出如前文所述的空氣彈簧剛性曲線圖，對(duì)圖形進(jìn)行對(duì)比分析，以探究不同簧載質(zhì)量下客車空氣懸架的實(shí)際振動(dòng)特性。

3.2 位移和加速度響應(yīng)的時(shí)間歷程

在對(duì)客車空氣懸架進(jìn)行振動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制彈簧靜態(tài)氣壓、簧載質(zhì)量、激振頻率和振幅等重要參數(shù)，本文得出了圖1和圖2所示的客車激勵(lì)位移與實(shí)際響應(yīng)位移時(shí)間歷程、激勵(lì)加速度與實(shí)際響應(yīng)加速度的時(shí)間歷程示意圖。由圖可知，客車空氣懸架系統(tǒng)中的激勵(lì)信號(hào)和實(shí)際響應(yīng)信號(hào)的變化趨勢(shì)相同，兩者處于相同的頻率變化范圍，但整個(gè)空氣懸架系統(tǒng)的相位差值與振幅差異有所不同，且系統(tǒng)整體響應(yīng)信號(hào)略微滯后于激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)。

3.3 位移幅頻特性

根據(jù)上述仿真試驗(yàn)重要參數(shù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別繪制客車空氣懸架系統(tǒng)在不同振幅數(shù)值和不同數(shù)值的彈簧初始?xì)鈮合碌膽壹芪灰品l特性曲線示意圖。由圖可知，在客車空氣懸架系統(tǒng)的整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，共振點(diǎn)將會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)整體位移傳遞率的最大值。若仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的初始?xì)鈮汉突奢d質(zhì)量均較大，客車空氣懸架在共振點(diǎn)出現(xiàn)的位移傳遞率最大值將會(huì)進(jìn)一步增加;而當(dāng)激振頻率超過(guò)客車空氣懸架系統(tǒng)共振區(qū)的數(shù)值范圍后，位移傳遞率的最大值與簧載質(zhì)量呈反比例關(guān)系，簧載質(zhì)量越大，位移傳遞率反而越小。此外，客車空氣懸架系統(tǒng)初始?xì)鈮号c共振頻率呈反比例關(guān)系，較大的客車空氣懸架共振頻率反而略低于較小氣壓的共振頻率，但兩者間的相位相差并不大，大多集中在1.1-1.2赫茲左右。也就是說(shuō)，對(duì)客車空氣懸架系統(tǒng)而言，簧載質(zhì)量的變化對(duì)整個(gè)懸架系統(tǒng)的固有頻率影響不大，也在一定程度上反面印證了客車空氣懸架系統(tǒng)相關(guān)性能優(yōu)于鋼板彈簧懸架系統(tǒng)的重要特性。

3.4 加速度均方根值

根據(jù)仿真試驗(yàn)和重要參數(shù)結(jié)論，分別繪制客車空氣懸架系統(tǒng)在不同振幅激勵(lì)和不同的初始彈簧氣壓下的客車車身加速度均方根值變化曲線示意圖。由圖可知，客車車身在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的加速度隨頻率值的上升緩慢增大，當(dāng)頻率值相對(duì)較低時(shí)，不同氣壓值下的客車車身加速度基本無(wú)變化。也就是說(shuō)，在小于1.5赫茲的較低的頻率范圍內(nèi)，簧載質(zhì)量的變化對(duì)客車車身加速度的影響可以忽略不計(jì)。而當(dāng)頻率值逐步增大時(shí)，初始?xì)鈮涸酱?，客車車身加速度值越大，且加速度增加的絕對(duì)值隨著頻率值的增高愈加明顯。

4 改進(jìn)懸架控制系統(tǒng)

在改進(jìn)客車空氣懸架控制系統(tǒng)相關(guān)性能的過(guò)程中，有關(guān)工作人員可進(jìn)一步利用單片機(jī)技術(shù)有效控制減振器的實(shí)際阻尼效果，進(jìn)而改善整個(gè)空氣懸架系統(tǒng)的非線性振動(dòng)特性，以最大程度上控制懸架系統(tǒng)的實(shí)際振動(dòng)效果。在對(duì)空氣懸架的減振器阻尼進(jìn)行一定調(diào)節(jié)時(shí)，客車車身的實(shí)際振動(dòng)會(huì)因此受到直接調(diào)控，也就會(huì)影響到客車車身的實(shí)際振動(dòng)加速度振幅響應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)人員可將減少客車車身的垂直振動(dòng)加速度作為實(shí)際控制目標(biāo)，而在以客車空氣懸架2自由度振動(dòng)模型為重要研究對(duì)象的基礎(chǔ)上，工作人員還可進(jìn)一步通過(guò)改變減振器節(jié)流口的大小或減振油液粘度的方式改善減振器實(shí)際處理效果。

5 結(jié)論

總之，現(xiàn)階段隨著國(guó)內(nèi)高速公路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不斷完善和民眾對(duì)客車性能要求的不斷提升，傳統(tǒng)模式下的鋼板彈簧懸架已然不能滿足人們多樣化的需求，因此，空氣懸架控制系統(tǒng)憑借其良好性能獲得了相關(guān)設(shè)計(jì)人員的關(guān)注，為進(jìn)一步改善客車空氣懸架系統(tǒng)模式下的乘坐舒適度做出了重要貢獻(xiàn)，更極大地滿足了民眾出行需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁繼斌，何仁.農(nóng)用運(yùn)輸車油氣懸架振動(dòng)特性仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2015，44（3）：27-32.

[2]王艷霞.汽車懸架振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2013（21）：196.