礦用寬體車油氣懸架系統(tǒng)及整車動力學仿真

王連志，趙 北，黎德才，劉 龍

(三一重型裝備有限公司研究本院，遼寧沈陽 110027)

引言

近年來，隨著中國經(jīng)濟和煤礦行業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的礦用寬體車和非公路自卸車投入到市場中[1]，隨著客戶需求的提升，車輛的載重能力也逐漸提升。由于礦用車輛行駛的路面環(huán)境通常比較惡劣。造成車輛受到很大的路面沖擊。由于車輛傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)是鋼板彈簧結(jié)構(gòu)，其剛度是一種近似線性的特性，不能適應(yīng)外載荷激勵的變化，因此導(dǎo)致整個車輛振動比較劇烈，不能滿足車輛的快速響應(yīng)能力和車輛行駛過程中的平順性[2]。

油氣懸架是一種融合了傳統(tǒng)懸架技術(shù)和液壓技術(shù)的新興懸架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部是由液壓傳動油和惰性氣體(一般為氮氣)組成，具有良好的壓縮性能，這就使得油氣懸架能夠很好的適應(yīng)外部激勵，可以根據(jù)外載的變化來調(diào)整自身的剛度，具有變剛度特性。因此，在大型工程車輛和重型越野車輛中應(yīng)用比較普遍[3]。

本研究主要利用一維仿真軟件AMESim來搭建寬體車的油氣懸架系統(tǒng)，分析油氣懸架的外特性性能，同時對影響外特性的幾個參數(shù)進行分析研究，最后搭建1/2前橋整車動力學模型，對整車的動力性能進行仿真分析。

1 油氣懸架結(jié)構(gòu)

油氣懸架主要利用液壓傳動油來傳遞系統(tǒng)壓力，利用惰性氣體(一般為氮氣)作為彈性物質(zhì)。懸架主要由液壓懸缸和蓄能器組成，有時蓄能器內(nèi)置于液壓缸內(nèi)。如圖1所示為單氣室油氣懸架結(jié)構(gòu)簡圖。

1.活塞 2.缸筒 3.氣室4.單向閥 5.節(jié)流孔圖1 單氣室油氣懸架結(jié)構(gòu)簡圖

在對油氣懸架進行數(shù)學模型分析時，由于其本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此常常進行一些簡化處理[4-6]：

(1) 忽略缸內(nèi)油液壓力對結(jié)構(gòu)件變形的影響；

(2) 氣室內(nèi)的氣體按理想氣體處理；

(3) 忽略油液中氣體對油液體積模量的影響。

2 油氣懸架仿真分析

根據(jù)油氣懸架的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，可對單氣室的油氣懸缸進行結(jié)構(gòu)簡化，簡化后的模型圖如圖2所示。利用AMESim軟件搭建油氣懸架的仿真分析模型，利用HCD庫中的缸體模型來等效無桿腔和環(huán)形腔，利用液壓庫中的單向閥和節(jié)流孔來等效實際模型中的單向閥和阻尼孔，利用外接蓄能器來等效氣室，將其利用節(jié)點和連線進行連接，就形成了單氣室油氣懸架的仿真模型，如圖3所示[7-8]。

1.單向閥 2.阻尼孔 3.氣室4.環(huán)形腔 5. 無桿腔圖2 單氣室油氣懸架結(jié)構(gòu)簡圖

1.懸缸 2.缸筒固定 3.路面激勵 4.氣室5.節(jié)流孔 6.單向閥圖3 油氣懸架仿真分析模型

在對油氣懸架性能仿真分析時，常采用懸架的位移輸出力特性曲線和速度輸出力特性曲線對其進行性能評估。

實際車輛所受的激勵來自于路面隨機激勵，由于實際響應(yīng)比較復(fù)雜，為了定量分析油氣懸架的系統(tǒng)性能，采用標準的正弦激勵信號來模擬地面的激勵，設(shè)定輸入信號的頻率為0.25 Hz，振動幅值為120 mm，模擬懸架系統(tǒng)受到外部激勵下的運行情況[9-12]，激勵信號如圖4所示，模型主要參數(shù)見表1。

圖4 路面激勵信號

表1 模型主要仿真參數(shù)

根據(jù)上面搭建的AMESim模型以及設(shè)定的參數(shù)，對油氣懸架進行仿真分析，計算其在1個周期內(nèi)的位移輸出力特性和速度輸出力特性[13]，結(jié)果如圖5所示。

圖5 油氣懸架外特性曲線

從上面的仿真分析結(jié)果可知，當向油氣懸架施加激勵時，油氣懸架的輸出力隨著激勵位移和速度不斷發(fā)生變化。從位移特性曲線可以看出，油氣懸架輸出力與位置的關(guān)系并不是線性的，隨著激勵位置的逐漸增大，懸架的輸出力呈現(xiàn)出明顯的非線性特性，這主要是由于氣體和節(jié)流孔的非線性特性引起的。閉合的位移特性曲線所形成的面積代表了1個周期內(nèi)油氣懸架所消耗的能量。從圖中可以看出，懸架在壓縮行程和復(fù)原行程的輸出力并不是對稱的，這是由于單向閥在壓縮行程開啟而在復(fù)原行程關(guān)閉導(dǎo)致的。

對影響油氣懸架性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)(節(jié)流孔直徑、單向閥過流面積、氣室體積以及預(yù)充氣壓力)進行分析。

針對不同尺寸的節(jié)流孔和單向閥進行分析，分析結(jié)果如圖6和圖7所示，分析結(jié)果表明：在壓縮行程中單向閥和節(jié)流孔同時工作，故節(jié)流孔和單向閥的尺寸對于油氣懸架的輸出力特性影響并不大，而在復(fù)原行程時，由于單向閥是關(guān)閉的，此時只有節(jié)流孔有油液流通，故此節(jié)流孔尺寸對油氣懸架的輸出力特性影響很大，同時由于隨著孔徑的增大，節(jié)流孔的節(jié)流阻力下降，因此輸出力下降趨于平緩。

針對不同的氣室充氣體積和充氣壓力進行分析，如圖8和圖9所示，分析結(jié)果表明：對于充氣氣室進行分析可知，當增加氣室體積時，會使氣體的彈性變大，從而增加油氣懸架的剛度，進而使得輸出力特性曲線平緩；當充氣壓力降低時，油氣懸架的輸出力特性曲線變的比較陡峭，這時由于氣室壓力的減小會使得氣體的彈性變小，進而使油氣懸架的剛度降低。

圖6 不同節(jié)流孔直徑

圖7 不同單向閥過流面積對油氣懸架性能的影響

3 整車動力學分析

對于整車動力學分析，選取油氣懸架為前懸結(jié)構(gòu)，由于前橋是對稱的，因此選取一側(cè)進行分析。由于只研究油氣懸架對整車動力性能的影響，故此對整車模型進行如下簡化：

圖8 不同氣室充氣體積對油氣懸架性能的影響

圖9 不同氣室充氣壓力對油氣懸架性能的影響

(1) 把車身及車架等部件的質(zhì)量等效成1個集中質(zhì)量塊；

(2) 把輪胎模型等效成1個彈簧阻尼器和1個質(zhì)量塊。

利用上面搭建的懸架模型，增加車身和輪胎模型，可得1/2整車動力學模型，如圖10所示。模型的具體參數(shù)如表2所示[14-15]。

根據(jù)實際工況，車輛滿載時路面的不平度不大于120 mm，因此輸入為1個50 mm單凸的信號激勵，如圖11所示，對車輛的動力學性能進行仿真分析。

1.1/2前橋質(zhì)量 2.輪胎模型 3.油氣懸架 4.路面激勵圖10 1/2前橋整車動力學模型

注：其他參數(shù)與表1相同。

圖11 路面激勵信號

本研究主要選取車身質(zhì)量加速度和懸架動行程這2個參數(shù)作為動力性能的評價標準。仿真結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 車身加速度響應(yīng)曲線

根據(jù)上面的計算結(jié)果可知，隨著車身重量的增加，車身的加速度和懸架的行程的穩(wěn)定時間加長，整車在外部擾動下的平穩(wěn)時間增加了，因此可知整車的穩(wěn)定性減弱了，整車的平順性下降。

圖13 懸架行程響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

本研究利用AMESim軟件對寬體車的油氣懸架系統(tǒng)進行了仿真，分析可知油氣懸架具有非線性的阻尼和剛度特性；同時對影響油氣懸架性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)(節(jié)流孔過流面積、單向閥直徑大小、氣室體積以及預(yù)充氣壓力)進行了深入分析；最后搭建了1/2前橋整車動力學模型，分析了整車在空載和負載2種工況下的車身加速度和油氣懸架的特性。根據(jù)分析可知，隨著車身重量的增加，車身的穩(wěn)定時間增加，因此，整車的動力性減弱，整車的平順性下降。本研究搭建的模型能夠很好對油氣懸架和整車的動力性能進行評估，為后期油氣懸架的選型設(shè)計以及整車性能評估提供了一個重要的手段。