交叉互連油氣彈簧抗側(cè)傾特性研究及試驗(yàn)

張軍偉，閆惠東，程斐，李超，徐彥超，魏建波

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076）

一般車輛，整車在左右側(cè)車輪的載荷分配是均衡的或者差別很小，不存在左右偏載的工況。但對(duì)于特種車輛，由于上裝設(shè)備的特殊性或者布置空間的限制，整車質(zhì)心從車輛中心平面向一側(cè)偏移，存在左右側(cè)載荷不均衡的現(xiàn)象，定義為偏載狀態(tài)。

車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，由于左右側(cè)載荷存在差值，而左右側(cè)彈簧的設(shè)計(jì)剛度是相同的，則會(huì)造成左右側(cè)彈簧的壓縮量不同，即車身呈現(xiàn)出側(cè)傾姿態(tài)，如圖1 所示，車身側(cè)傾角的大小與左右偏載量成正比。同時(shí)，車輛在偏載狀態(tài)下機(jī)動(dòng)行駛時(shí)，初始的車身側(cè)傾角會(huì)增大轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)的車身最大側(cè)傾角，還會(huì)導(dǎo)致車輪定位參數(shù)、輪胎側(cè)偏特性發(fā)生變化，影響整車行駛的操縱穩(wěn)定性。

圖1 車身姿態(tài)示意圖

為了提高車輛的抗側(cè)傾特性，對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行抗側(cè)傾設(shè)計(jì)，常用的抗側(cè)傾方案是采用交叉互連油氣彈簧。交叉互連油氣彈簧的提出，是為了解決重型車輛在惡劣工況下的側(cè)傾問(wèn)題，如全路面起重機(jī)、重型高機(jī)動(dòng)越野車輛等。交叉互連油氣彈簧的使用，增大了懸架側(cè)傾角剛度，改善了車輛在惡劣工況下的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，減小了由車身側(cè)傾導(dǎo)致的車架彎曲扭轉(zhuǎn)載荷。

本文針對(duì)多軸重型特種車輛存在偏載的問(wèn)題，提出一種交叉互連油氣彈簧，通過(guò)管路將整車油氣彈簧分組對(duì)應(yīng)或交叉連通，在實(shí)現(xiàn)平衡懸架功能的同時(shí)具有抗側(cè)傾作用。理論推導(dǎo)交叉互連油氣彈簧的懸架側(cè)傾角剛度，并與非交叉互連油氣彈簧對(duì)比，驗(yàn)證交叉互連油氣彈簧可增大懸架側(cè)傾角剛度的特性。將油氣彈簧裝車，通過(guò)跑車試驗(yàn)驗(yàn)證了交叉互連油氣彈簧的抗側(cè)傾特性。

1 結(jié)構(gòu)原理

單橋交叉互連油氣彈簧原理如圖2所示。

圖2 單橋交叉互連油氣彈簧示意圖

在圖2 中，當(dāng)車身向左側(cè)傾斜，左側(cè)車身下沉，液壓缸活塞桿壓縮，右側(cè)車身上揚(yáng)，液壓缸活塞桿拉伸。左側(cè)液壓缸上腔壓力增大，由于左側(cè)液壓缸上腔與右側(cè)液壓缸下腔連通，使右側(cè)下腔壓力增大，迫使活塞連同車身跟隨下降的趨勢(shì)，這與右側(cè)活塞桿受拉力、車身有上揚(yáng)的趨勢(shì)相抵抗。同樣，左側(cè)下腔壓力減小，吸入油液，也有使右側(cè)產(chǎn)生車身下降的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，左右側(cè)油氣彈簧上下腔交叉連通，可實(shí)現(xiàn)抗側(cè)傾效應(yīng)。

針對(duì)某四軸重型特種底盤(pán)，所設(shè)計(jì)的交叉互連油氣彈簧液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 交叉互連油氣彈簧液壓系統(tǒng)原理

油氣彈簧采用雙腔油缸，下腔為無(wú)桿腔，上腔為環(huán)形腔；整車油氣彈簧前2（1、2 橋）、后2（3、4 橋）分組連通；同側(cè)前后橋油氣彈簧上下腔對(duì)應(yīng)連通，實(shí)現(xiàn)均衡軸荷的功能；左右側(cè)油氣彈簧上下腔交叉連通，實(shí)現(xiàn)抗側(cè)傾功能。連通油路中設(shè)置有電磁閥，用于控制油路的通和斷，實(shí)現(xiàn)左右側(cè)油氣彈簧的交叉連通或非交叉連通，同時(shí)可配合油源實(shí)現(xiàn)調(diào)高操作。

2 懸架側(cè)傾角剛度計(jì)算

懸架型式為雙橫臂獨(dú)立懸架，針對(duì)雙橫臂獨(dú)立懸架的側(cè)傾角剛度進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，運(yùn)動(dòng)、受力分析如圖4所示。

圖4 雙橫臂獨(dú)立懸架側(cè)傾角剛度計(jì)算

雙橫臂獨(dú)立懸架杠桿比計(jì)算如式（1）所示。

彈簧的變形量如式（2）所示。

若彈簧為線性剛度，側(cè)傾時(shí)彈簧力的變化量如式（3）所示。

式中：Δ為側(cè)傾時(shí)彈簧力的變化量；為彈簧剛度，線性剛度；為輪距；為懸架杠桿比；為車身側(cè)傾角。

懸架系統(tǒng)側(cè)傾力矩如式（4）所示。

將懸架系統(tǒng)側(cè)傾力矩對(duì)側(cè)傾角求導(dǎo)，得到懸架系統(tǒng)的側(cè)傾角剛度，如式（5）所示。

若彈簧為油氣彈簧，則其剛度為非線性剛度。非交叉互連油氣彈簧單橋液壓系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 非交叉互連油氣彈簧單橋液壓系統(tǒng)原理示意圖

任一位置處，當(dāng)油氣彈簧壓縮量為時(shí)，油氣彈簧輸出力如式（6）所示。

將式（6）代入式（4）中，得到側(cè)傾時(shí)懸架系統(tǒng)的側(cè)傾力矩，如式（7）所示。

將懸架系統(tǒng)側(cè)傾力矩對(duì)側(cè)傾角求導(dǎo)，得到懸架系統(tǒng)的側(cè)傾角剛度如式（8）所示。

式中：為蓄能器的預(yù)充氣壓力；為蓄能器的初始容積；為滿載靜平衡位置的油氣彈簧載荷；為氣體多變指數(shù)，取值1.3。

如果已知側(cè)傾角，也可以得到相對(duì)應(yīng)的等效線性懸架系統(tǒng)的平均側(cè)傾角剛度，如式（9）所示。

交叉互連油氣彈簧單橋液壓系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 交叉互連油氣彈簧單橋液壓系統(tǒng)原理示意圖

對(duì)于左右交叉互連油氣彈簧，任意位置的油氣彈簧載荷如式（10）所示。

式中：為無(wú)桿腔作用面積；為環(huán)形腔作用面積；為油氣彈簧位移，可用式（2）來(lái)表示。

將式（10）代入式（4）中，得到側(cè)傾時(shí)懸架系統(tǒng)的側(cè)傾力矩如式（11）所示。

將懸架系統(tǒng)側(cè)傾力矩對(duì)側(cè)傾角求導(dǎo)，得到懸架系統(tǒng)的側(cè)傾角剛度如式（12）所示。

如果已知側(cè)傾角，也可以得到相對(duì)應(yīng)的等效線性懸架系統(tǒng)的平均側(cè)傾角剛度，如式（13）所示。

3 懸架側(cè)傾角剛度仿真分析

4.1 懸架側(cè)傾角剛度對(duì)比

懸架側(cè)傾角剛度是當(dāng)簧上質(zhì)量發(fā)生單位側(cè)傾角時(shí)懸架給簧上質(zhì)量的彈性恢復(fù)力矩，所以，懸架側(cè)傾角剛度是表征車輛抗側(cè)傾性能的主要指標(biāo)參數(shù)。

從油氣彈簧的連通結(jié)構(gòu)原理分析，交叉互連油氣彈簧具有抗側(cè)傾特性，下面利用Matlab對(duì)比計(jì)算交叉互連油氣彈簧與非交叉互連油氣彈簧的懸架側(cè)傾角剛度，來(lái)表征交叉互連油氣彈簧具有優(yōu)異的抗側(cè)傾特性，輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1。

表1 輸入?yún)?shù)

圖7 為交叉互連油氣彈簧與非交叉互連油氣彈簧的懸架側(cè)傾角剛度對(duì)比，黑色曲線為非交叉互連油氣彈簧的懸架側(cè)傾角剛度，紅色曲線為交叉互連油氣彈簧的懸架側(cè)傾角剛度。由圖中曲線對(duì)比可知，交叉互連油氣彈簧的懸架側(cè)傾角剛度要大于非交叉互連油氣彈簧的懸架側(cè)傾角剛度，且由于油氣彈簧線剛度的非線性，車身側(cè)傾角越大，兩種油氣彈簧的懸架側(cè)傾角剛度差別越大。仿真對(duì)比計(jì)算結(jié)果，表明了交叉互連油氣彈簧相比非交叉互連油氣彈簧具有更好的抗側(cè)傾特性。

圖7 懸架側(cè)傾角剛度對(duì)比

4.2 懸架側(cè)傾角剛度影響因素分析

由第2 部分懸架側(cè)傾角剛度的公式可知，由于油氣彈簧本身線剛度的非線性特性，油氣彈簧的懸架側(cè)傾角剛度主要與平衡位置油氣彈簧載荷、車身側(cè)傾角有關(guān)，即對(duì)于確定的一種油氣彈簧，裝載不同的簧上質(zhì)量，車身處于不同的側(cè)傾姿態(tài)，其懸架側(cè)傾角剛度不同。

下面分別仿真計(jì)算軸荷10 t、11 t、12 t 狀態(tài)下的懸架側(cè)傾角剛度與車身側(cè)傾角變化曲線，分析軸荷、車身側(cè)傾角對(duì)懸架側(cè)傾角剛度的影響，如圖8所示。

圖8 軸荷對(duì)懸架側(cè)傾角剛度的影響

圖8 為不同軸荷的懸架側(cè)傾角剛度隨車身側(cè)傾角的變化曲線，黑色曲線為軸荷10 t 的懸架側(cè)傾角剛度曲線，紅色曲線為軸荷11 t 的懸架側(cè)傾角剛度曲線，藍(lán)色曲線為軸荷12 t的懸架側(cè)傾角剛度曲線。

由三條曲線對(duì)比可知，隨著軸荷的增大，懸架側(cè)傾角剛度也增大，這是由于油氣彈簧是由蓄能器內(nèi)的氣體受壓縮和伸張產(chǎn)生彈性力，蓄能器內(nèi)氣體受壓縮的程度與彈簧所受的載荷成正比，即軸荷越大，油氣彈簧的線剛度越大，懸架側(cè)傾角剛度也越大。對(duì)應(yīng)到實(shí)車狀態(tài)，車輛滿載狀態(tài)的懸架側(cè)傾角剛度要大于空載狀態(tài)的懸架側(cè)傾角剛度。

分析懸架側(cè)傾角剛度隨車身側(cè)傾角的變化規(guī)律，以軸荷12 t 的懸架側(cè)傾角剛度曲線為例，車身側(cè)傾角越大，懸架側(cè)傾角剛度越大，懸架側(cè)傾角剛度隨車身側(cè)傾角成非線性增長(zhǎng)，這也與油氣彈簧的剛度非線性直接相關(guān)。對(duì)應(yīng)到實(shí)車狀態(tài)，車身側(cè)傾得越厲害，懸架側(cè)傾角剛度越大，車身繼續(xù)側(cè)傾的難度越大，保持車輛轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)的車身側(cè)傾角不超限，保證車輛行駛的穩(wěn)定性。

基于以上分析，給出實(shí)車空載、半載、滿載狀態(tài)的懸架側(cè)傾角剛度變化曲線，載荷參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 載荷參數(shù)

空載、半載、滿載軸荷下的懸架側(cè)傾角剛度如圖9 所示。由圖9 的曲線可知，懸架側(cè)傾角剛度隨著軸荷的增大而增大，滿載狀態(tài)的懸架側(cè)傾角剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空載和半載。

圖9 空載、半載、滿載狀態(tài)下的懸架側(cè)傾角剛度

4 實(shí)車試驗(yàn)

由以上理論及仿真分析可知，交叉互連油氣彈簧相比非交叉互連油氣彈簧，具有更大的側(cè)傾角剛度，為了進(jìn)一步驗(yàn)證交叉互連油氣彈簧的抗側(cè)傾特性，利用某四軸重型車輛，將兩種油氣彈簧裝車，進(jìn)行靜止工況、轉(zhuǎn)彎行駛工況的實(shí)車試驗(yàn)，關(guān)注的指標(biāo)為車身側(cè)傾角、油氣彈簧壓力。

在車架尾梁中心裝有陀螺儀，用于測(cè)量車身側(cè)傾角；在油氣彈簧處裝有位移傳感器，用于測(cè)量油氣彈簧位移；在油氣彈簧液壓管路中裝有壓力傳感器，用于測(cè)量每組連通的油氣彈簧壓力。

車輛的載荷狀態(tài)為偏載，整車左右側(cè)載荷差為6 t，油氣彈簧型式包括兩種：非交叉互連、交叉互連。

圖10 傳感器布置

圖11 跑車試驗(yàn)

靜止工況對(duì)比的指標(biāo)為車身側(cè)傾角、油氣彈簧位移、油氣彈簧壓力穩(wěn)態(tài)值，轉(zhuǎn)彎工況對(duì)比的指標(biāo)為車身側(cè)傾角、油氣彈簧位移、油氣彈簧壓力峰值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 車身姿態(tài)及油氣彈簧位移

由表3 統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果可知，靜止工況，車輛裝非交叉互連油氣彈簧時(shí)的車身側(cè)傾角為-0.82°，車輛裝交叉互連油氣彈簧時(shí)的車身側(cè)傾角為-0.52°，減小36.6%，驗(yàn)證了交叉互連油氣彈簧的懸架側(cè)傾角剛度更大，減小了由左右偏載導(dǎo)致的車身側(cè)傾角，能夠更好地保持車身姿態(tài)。對(duì)比兩種型式的油氣彈簧位移，交叉互連油氣彈簧的左右側(cè)位移差更小，是與車身側(cè)傾角直接對(duì)應(yīng)的。對(duì)比兩種型式的油氣彈簧壓力，交叉互連油氣彈簧的左右側(cè)壓力差更小，說(shuō)明交叉互連油氣彈簧能夠減小左右側(cè)載荷差，能夠在一定程度上均衡左右側(cè)載荷。

轉(zhuǎn)彎工況，分別對(duì)裝有交叉互連油氣彈簧、非交叉互連油氣彈簧的車輛做相同工況的轉(zhuǎn)彎行駛，車輛以30 km/h車速轉(zhuǎn)彎，車身側(cè)向加速度達(dá)到4 m/s，對(duì)比在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的車身側(cè)傾角變化。由表3 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，在轉(zhuǎn)彎行駛過(guò)程中，裝有交叉互連油氣彈簧的車輛車身側(cè)傾角更小，左轉(zhuǎn)工況側(cè)傾角減小44.1%，右轉(zhuǎn)工況側(cè)傾角減小16.4%，很好地說(shuō)明了交叉互連油氣彈簧能夠提高車輛轉(zhuǎn)彎行駛的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)多軸重型特種車輛存在的偏載問(wèn)題，為了減小偏載帶來(lái)的對(duì)靜態(tài)姿態(tài)以及轉(zhuǎn)彎行駛穩(wěn)定性的不良影響，設(shè)計(jì)一種交叉互連油氣彈簧，同側(cè)油氣彈簧上下腔對(duì)應(yīng)連通，左右側(cè)油氣彈簧上下腔交叉連通，從液壓原理、懸架側(cè)傾角剛度計(jì)算仿真、實(shí)車試驗(yàn)方面，驗(yàn)證了交叉互連油氣彈簧具有良好的抗側(cè)傾特性。得到的主要結(jié)論如下：

（1）從交叉互連油氣彈簧的液壓原理分析，當(dāng)車身側(cè)傾時(shí)，側(cè)傾一側(cè)油氣彈簧無(wú)桿腔的油液會(huì)壓入對(duì)側(cè)油氣彈簧的環(huán)形腔，產(chǎn)生與車身側(cè)傾運(yùn)動(dòng)相反的趨勢(shì)，形成抗側(cè)傾作用。

（2）理論推導(dǎo)了交叉互連油氣彈簧與非交叉油氣彈簧的懸架側(cè)傾角剛度，仿真計(jì)算結(jié)果表明，交叉互連油氣彈簧能夠大幅增加懸架側(cè)傾角剛度，并且體現(xiàn)出非線性特性，懸架側(cè)傾角剛度與車身側(cè)傾角、軸荷成正比。從懸架側(cè)傾角剛度方面驗(yàn)證了交叉互連油氣彈簧具有良好的抗側(cè)傾特性。

（3）針對(duì)靜止工況、轉(zhuǎn)彎行駛工況下的車身側(cè)傾角、左右側(cè)油氣彈簧位移、左右側(cè)油氣彈簧壓力參數(shù)，通過(guò)兩種型式油氣彈簧的裝車實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了交叉互連油氣彈簧能夠更好地保持車身姿態(tài)、提高轉(zhuǎn)彎行駛穩(wěn)定性，具有良好的抗側(cè)傾特性。