全地形越野車輛油氣懸架分析和跌落沖擊試驗研究

畢斌　李海龍　楊增杰

摘 要：對于越野車輛來說，其行駛路況復雜多變，并且懸架本身剛度特性具有明顯的非線性特征，特別是在整車跌落工況下，車體的沖擊效應難以精確計算，給整車性能帶來不確定性。針對這種現(xiàn)狀，本文搭建了跌落試驗臺，在整車布置了若干位移傳感器和加速度傳感器，并結(jié)合懸架系統(tǒng)臺架試驗獲取的油氣懸架剛度、阻尼等參數(shù)信息，進行了整車1m垂直高度下的跌落沖擊試驗，分析了懸架油缸大腔壓力、油缸作用力與位移變化在跌落過程中的變化情況。試驗結(jié)果表明，整車重心位置對沖擊載荷分布影響較為顯著，現(xiàn)有懸架系統(tǒng)中蓄能器緩沖作用較弱，為后續(xù)整車結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化指明了方向。

關(guān)鍵詞：輪式越野車 懸架 剛度 阻尼 沖擊

Analysis of Hydro-pneumatic Suspension and Drop Impact Test for All-terrain Off-road Vehicle

Bi Bin，Li Hailong，Yang zengjie

Abstract：For off-road vehicles， the road conditions are complicated and changeable， and the suspension stiffness has obvious non-linear characteristics. Especially in the case of vehicle fall and impact， the impact of vehicle body is difficult to calculate accurately. In view of this situation， this paper combines the engineering project， through the experimental test and the calibration method， obtains the vehicle hydro-pneumatic suspension stiffness， damping and other parameter information， and takes this as the benchmark to carry out the vehicle 1m vertical height fall impact， and the impact of suspension cylinder and body is measured by experiment， which provides the data base for the performance optimization of suspension system.

Key words：off-road vehicle， suspension， stiffness， damping

1 引言

不管是在城市周邊地區(qū)、復雜戰(zhàn)場環(huán)境和高危環(huán)境下，能夠搭載不同載荷與任務模塊，完成非視距偵察與觀測、崎嶇山地路面物資等功能的全地形越野車輛不僅在民用領(lǐng)域，甚至是未來戰(zhàn)爭等軍用領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用。對于越野車輛來說，其行駛路況復雜多變，懸架本身具有明顯的非線性特征，特別是在整車跌落工況下，車體的沖擊很難精確計算，往往要結(jié)合試驗數(shù)據(jù)綜合分析。為保證良好的越野越障性能，文中的全地形越野車輛采用6×6獨立驅(qū)動，每個驅(qū)動輪通過縱臂式獨立油氣懸架與車體鉸接。油氣懸架作為車輛懸架中的一種特殊形式，與傳統(tǒng)車輛的被動懸架相比，具有載重大、變剛度、變阻尼等性能。不僅具有良好的平順性、隔振性能及操作穩(wěn)定性，同時可以主動調(diào)節(jié)車身高度，提高車輛越野通過性。

本文結(jié)合工程項目，通過試驗測試及標定的方法，得到車輛油氣懸架剛度、阻尼等參數(shù)信息，并以此為基準進行了整車1m垂直高度下的跌落沖擊，通過試驗儀器及設(shè)備測得車身不同位置的沖擊及加速度，為下一步整車及懸架系統(tǒng)的性能優(yōu)化工作提供數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗方案

2.1 跌落試驗準備

選取6×6驅(qū)動全地形越野車為試驗對象，開展1m高度跌落沖擊試驗，主要參數(shù)如表1所示。

分別在車身的不同位置安裝不同的傳感器。在6個懸架油缸的大小腔分別連接壓力傳感器，測量其壓力變化。在左前、左中、左后、右前、右后的懸架油缸上安裝位移傳感器，測量跌落過程中的油缸長短變化情況。在車身縱梁位置設(shè)置三向加速度傳感器，其中Z方向為豎直向上，Y方向為沿車體前進方向;在左前輪、左后輪、右前輪分別設(shè)置有三向加速度傳感器，X方向為車體前進方向，Y方向為豎直向上。各傳感器在車身上的布置如圖1所示。

2.2 懸架參數(shù)獲取

2.2.1 懸架系統(tǒng)臺架試驗

為獲得準確的跌落沖擊數(shù)據(jù)，須獲得懸架的剛度、阻尼等參數(shù)。油氣懸架結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，其充當了普通懸架中的減震器和金屬彈簧的作用。主要結(jié)構(gòu)包括缸筒4、活塞桿和活塞桿組件1和蓄能器5組成。整個懸架缸內(nèi)形成Ⅰ腔及Ⅱ腔，活塞桿上設(shè)有阻尼空2和單向閥3。系統(tǒng)工作時通過液壓油缸和活塞將懸架的垂直運動轉(zhuǎn)化為油液在油缸和蓄能器之間油液的流動，壓縮時油液流向蓄能器，壓縮蓄能器中的高壓氮氣，吸收懸架的沖擊載荷，并且在油液的雙向流動過程中通過液壓系統(tǒng)中的各種管路和閥系，實現(xiàn)懸架阻尼力的控制。

文中全地形越野車共有三個車橋，6支油缸，整個懸掛系統(tǒng)分為兩組，前橋為一組，采用左右交叉互聯(lián)，中橋與后橋為一組，將左側(cè)有桿腔和無桿腔分別與右側(cè)無桿腔和有桿腔連通，前側(cè)無桿腔與后側(cè)無桿腔連通，即采用左右交叉、前后平行的連通方式。油缸大小腔與蓄能器之間裝有開關(guān)閉鎖閥，車輛行駛時閥一直打開，使懸架處于彈性狀態(tài)。駐車時此閥關(guān)閉，此時油缸與蓄能器不連通，使懸架處于剛性閉鎖狀態(tài)。

為簡化試驗，結(jié)合整車油氣懸架系統(tǒng)，取單輪懸架油缸大小腔互聯(lián)，大腔與蓄能器接通，其余閥組與管路按照系統(tǒng)布置進行連接，確保懸架系統(tǒng)簡化前后外特性一致。簡化后的懸架原理如圖3所示。

懸架油缸上下兩端安裝在振動試驗臺上，其一端固定，另一端實現(xiàn)諧波（正弦）運動，全行程可調(diào)（500mm），滿足油缸最大行程150mm需求。油源采用可調(diào)節(jié)溢流壓力的泵油與回油泵站，DEWEbox數(shù)據(jù)采集設(shè)備，連接完畢的試驗臺架見圖4。

2.2.2 懸架彈性特性分析

依據(jù)整車在靜止狀態(tài)下的油缸負載，設(shè)定油氣懸架蓄能器初始充氣壓力為2.0MPa，系統(tǒng)平衡壓力為4.3MPa，此時壓縮行程輸出力與位移擬合關(guān)系見圖5，圖6。

根據(jù)試驗結(jié)果，可以得到平衡位置油氣懸架剛度為36.6N/mm。

帶入數(shù)據(jù)計算可得，懸架偏頻為1.152Hz。對于工程車輛而言，懸架偏頻應處于1.0～1.7Hz范圍內(nèi)，滿足實際工程需求。

2.2.3 懸架阻尼特性分析

初始充氣壓力2.0MPa，系統(tǒng)壓力4.3MPa下，設(shè)置臺架試驗中油氣彈簧的振幅為50mm，根據(jù)整車實際狀態(tài)下的管路連接模式，測得不同頻率與速度激勵下的系統(tǒng)阻尼如下表所示。

通過對以上數(shù)據(jù)進行曲線擬合可得到懸架相對阻尼系數(shù)隨激勵速度變化，如圖7所示?？梢钥闯?，隨著最大激勵速度的增加，油氣懸架的相對阻尼系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，大約在0.13m/s左右取得極小值0.72，且當激勵速度大于0.05m/s，相對阻尼系數(shù)值變化不大。

2.3 跌落試驗方案

使用行車通過脫鉤器吊起被試車輛，懸架全伸且適當調(diào)整前橋輪胎使六個輪胎基本保持在一個水平面內(nèi)。以輪胎最下點為基準，保持其與地面的高度為1m。然后測量車體自由落體與地面碰撞過程中的各個測量值，見圖8。

3 試驗結(jié)果與分析

分別取油缸大腔壓力、油缸作用力與位移變化數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果見圖9、圖10：

以上兩圖縱坐標為壓力，單位為MPa，橫坐標為時間，單位為s。通過以上測試，6個懸架油缸的大腔的最大壓力峰值，分別統(tǒng)計如下表3所示：

通過油缸壓力變化得出每根懸架的受力狀態(tài)變化，如圖11所示，其中豎直坐標單位為kN，橫坐標為時間。整數(shù)表示油缸受壓，負數(shù)表示油缸受拉，根據(jù)曲線整理得到每個油缸的沖擊力峰值，并與平衡位置初始值進行比較。

通過油缸壓力變化得出每根懸架的受力狀態(tài)變化，如圖12所示，中縱坐標單位為長度mm，橫坐標單位為時間s。根據(jù)曲線整理得到每個油缸的長度變化量，與平衡位置初始值進行比較。

4 結(jié)語

（1）通過懸架系統(tǒng)臺架試驗，獲取了剛度、偏頻、阻尼等性能參數(shù)，驗證了懸架系統(tǒng)設(shè)計的有效性;

（2）搭建了跌落試驗臺，并借此分析了整車跌落沖擊試驗，為整車結(jié)構(gòu)強度沖擊校核提供數(shù)據(jù)依據(jù);

（3）通過跌落試驗沖擊分析，發(fā)現(xiàn)整車重心位置對沖擊載荷分布影響較為顯著，這為后續(xù)整車結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了設(shè)計指導。

此外，通過上述研究還發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有懸架系統(tǒng)中蓄能器緩沖作用較弱，為進一步優(yōu)化整車沖擊性能指明了改進方向。

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