基于油氣彈簧的六臂結(jié)構(gòu)輪對(duì)式懸掛分析

馮偉琦，武志博，焦 斌，馬鐵華

(中北大學(xué) a.電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b.電氣與控制工程學(xué)院， 太原 030051)

1 引言

重載車輛輪對(duì)式驅(qū)動(dòng)模式擁有比傳統(tǒng)車輛優(yōu)越的機(jī)動(dòng)性，減少動(dòng)力傳遞中的損耗，實(shí)現(xiàn)單輪獨(dú)立的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制，但是傳統(tǒng)懸掛僅具有垂直方向的單一自由度，設(shè)計(jì)研究適用于輪轂電機(jī)輪對(duì)驅(qū)動(dòng)模式的多自由度懸掛裝置是當(dāng)前車輛懸掛領(lǐng)域的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)。本研究以油氣彈簧為基礎(chǔ)分析一種六臂油氣彈簧結(jié)構(gòu)懸掛設(shè)計(jì)的可行性。油氣彈簧由于非線性氣體特性使得懸掛剛度隨負(fù)載發(fā)生變化，相比傳統(tǒng)被動(dòng)懸掛能夠更好地適應(yīng)不同路況。目前由于油氣彈簧結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)懸掛復(fù)雜生產(chǎn)成本更高，因此并未在普通車輛廣泛應(yīng)用，但是油氣彈簧的非線性變剛度和剛度漸增(減)特性及單位儲(chǔ)能比大、結(jié)構(gòu)緊湊、參數(shù)調(diào)整方便、適應(yīng)負(fù)載變化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)卻滿足了一部分特種車輛(軍工特種車輛、消防車輛等)高性能的要求。油氣彈簧良好的非線性特性給車輛性能帶來(lái)提升的過(guò)程中，也由于非線性特性給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)重復(fù)性和不確定性，因此，為了提高油氣彈簧在重載車輛的應(yīng)用范圍以及提高重載車輛的懸掛性能減少不必要的重復(fù)性試驗(yàn)提高懸掛的設(shè)計(jì)效率，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模分析是十分必要的。

2 輪轂電機(jī)輪對(duì)式模塊化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將電機(jī)集成至車輛輪轂中作為獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元，相比于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式需要發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輪轂電機(jī)車輪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單分布驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)。同時(shí)傳統(tǒng)車輛轉(zhuǎn)向方式依然依靠轉(zhuǎn)向拉桿等機(jī)構(gòu)，而電機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展使得利用輪對(duì)差速控制轉(zhuǎn)向成為可能，如常見(jiàn)的平衡車，但若要將輪轂電機(jī)輪對(duì)式驅(qū)動(dòng)模式利用在大載荷的工程應(yīng)用中必須設(shè)計(jì)可靠合理的懸掛機(jī)構(gòu)。如圖1(a)、(b)所示為輪轂電機(jī)輪對(duì)式結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 輪轂電機(jī)輪對(duì)式結(jié)構(gòu)示意圖

獨(dú)立單元的輪轂電機(jī)輪對(duì)式模塊化驅(qū)動(dòng)對(duì)懸掛設(shè)計(jì)提出了新的要求即懸掛機(jī)構(gòu)也應(yīng)具有單元化模塊化的特點(diǎn)，這就要求單元化的懸掛模塊具有承受各向載荷的能力，而非傳統(tǒng)的懸掛只具有承受垂直載荷的能力，縱向載荷與橫向載荷依賴車架或承載式車身剛性抵抗沖擊。同時(shí)高靈活性與通過(guò)性對(duì)懸掛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣提出要求。故此基于油氣彈簧的六臂結(jié)構(gòu)懸掛可滿足以上要求，具體為外四臂與內(nèi)二臂的組合結(jié)構(gòu)，如圖2為六臂懸掛結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 六臂懸掛示意圖

基于油氣彈簧六臂結(jié)構(gòu)懸掛將自由度由傳統(tǒng)的2自由度放開(kāi)至6自由度，首先具有承受各向載荷的特點(diǎn)，同時(shí)提高了輪對(duì)的機(jī)動(dòng)性和靈活性，但卻存在輪對(duì)差速轉(zhuǎn)向過(guò)程中存在不穩(wěn)定以及輪轂電機(jī)車輪導(dǎo)致的簧下質(zhì)量過(guò)高的缺點(diǎn)。在輔以拉伸彈簧的作用下，不僅可有效改善輪對(duì)差速轉(zhuǎn)向的不穩(wěn)定問(wèn)題，同時(shí)拉伸彈簧的作用等效降低了簧下質(zhì)量提高了懸掛響應(yīng)速度，而且拉伸彈簧對(duì)抵抗橫向載荷與縱向載荷也具有輔助作用。圖3為拉伸彈簧示意圖。

圖3 拉伸彈簧示意圖

綜上基于油氣彈簧的六臂結(jié)構(gòu)懸掛結(jié)合拉伸彈簧作用下，具有以下特點(diǎn)：

1) 承受縱向載荷：剎車、加速等情況下的縱向載荷通過(guò)相應(yīng)的油氣彈簧與拉伸彈簧抵抗并通過(guò)阻尼孔卸掉沖擊，如圖4(a)所示。

2) 承受橫向載荷：轉(zhuǎn)彎、側(cè)傾等情況下的橫向載荷通過(guò)相應(yīng)的油氣彈簧與拉伸彈簧抵抗并通過(guò)阻尼孔卸掉沖擊，如圖4(b)所示。

3) 承受垂直載荷：路面不平整等情況下的和垂直載荷在油氣彈簧與拉伸彈簧作用下快速響應(yīng)，如圖4(c)所示。

4) 水平轉(zhuǎn)向：輪對(duì)差速轉(zhuǎn)向過(guò)程中，油氣彈簧隨之扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生擾動(dòng)扭轉(zhuǎn)的扭矩，在拉伸彈簧的矯正作用下，具有抵抗擾動(dòng)力矩的能力，如圖4(d)所示。

圖4 不同情況下輪對(duì)受力示意圖

通過(guò)上述定性分析六臂結(jié)構(gòu)的輪對(duì)式懸掛在輔以拉伸彈簧的作用下，具有承受各項(xiàng)載荷的能力，同時(shí)在垂直載荷上拉伸彈簧具有降低簧下質(zhì)量提高懸掛響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)向過(guò)程存在的不穩(wěn)定性問(wèn)題還需定量研究。

3 油氣彈簧數(shù)學(xué)建模

為適應(yīng)六臂結(jié)構(gòu)的油氣彈簧結(jié)構(gòu)采用單氣室油氣彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小。單氣室油氣彈簧結(jié)構(gòu)如圖5所示，活塞桿上下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中液壓油通過(guò)阻尼孔在內(nèi)油室和外油室之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓縮氣室內(nèi)的高壓氮?dú)膺_(dá)到減振作用。

圖5 油氣彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

圖5中，對(duì)應(yīng)活塞桿氮?dú)馇?，?duì)應(yīng)活塞桿內(nèi)油室，對(duì)應(yīng)活塞桿外油室。代表氮?dú)馇挥行ё饔妹娣e，代表內(nèi)油室有效作用面積，代表外油室有效作用面積。則

(1)

(2)

當(dāng)活塞桿處于靜平衡狀態(tài)時(shí)，靜平衡力方程為

0·=·=·

(3)

當(dāng)活塞桿發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，氮?dú)馇慌c內(nèi)外兩油室的容積變化量為

(4)

(5)

(6)

當(dāng)油氣彈簧活塞桿發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，其內(nèi)外油室中的體積變化如下：

Δ=Δ

(7)

(8)

根據(jù)體積變化可求得無(wú)桿活塞運(yùn)動(dòng)位移為

(9)

將氮?dú)馇粌?nèi)的氣體看作理想氣體，根據(jù)理想狀態(tài)方程有

(10)

由此可得出

(11)

整理得

(12)

綜上油氣彈簧的負(fù)載與位移的關(guān)系，即單氣室油氣彈簧的彈性力方程為

(13)

式中：為氮?dú)馇挥行ё饔妹娣e；為內(nèi)油室有效作用面積；為外油室有效作用面積；為外缸體內(nèi)徑；為活塞桿內(nèi)徑；0為氮?dú)馇怀跏細(xì)鈮海?span id="j5i0abt0b" class="subscript">為內(nèi)油室初始油壓；為外油室初始油壓；Δ為活塞桿內(nèi)氮?dú)馇蝗莘e變化量；Δ為活塞桿內(nèi)油室容積變化量；Δ為活塞桿外油室容積變化量；為浮動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)位移；為氮?dú)馇怀跏細(xì)怏w體積；為活塞桿發(fā)生位移時(shí)對(duì)應(yīng)氮?dú)鈿馇粴鈮?；為活塞發(fā)生位移時(shí)對(duì)應(yīng)氮?dú)馇惑w積；為氣體多變指數(shù)。

表1 油氣彈簧初始參數(shù)

代入表1中的油氣彈簧的初始參數(shù)到模型中，得到圖6油氣彈簧的位移負(fù)載曲線。

4 水平旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定分析

六臂油氣彈簧結(jié)構(gòu)懸掛裝置在水平旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于六臂油氣彈簧的伸縮程度各不相同會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩對(duì)于影響懸掛的穩(wěn)定性，因此分析計(jì)算在輔以拉伸彈簧的作用下水平旋轉(zhuǎn)方向的穩(wěn)定性必不可少。如圖7所示為水平旋轉(zhuǎn)示意圖其中、、、、、為油氣彈簧上端與車體連接球頭，、、、、為油氣彈簧下端與輪對(duì)連接球頭，為水平旋轉(zhuǎn)中心，′′′′為4個(gè)角油氣彈簧下端旋轉(zhuǎn)之后的球頭位置。

圖6 油氣彈簧的位移負(fù)載曲線

圖7 水平旋轉(zhuǎn)示意圖

4.1 油氣彈簧位移負(fù)載變化分析

如圖8所示，規(guī)定逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较?，由圖7可知在水平旋轉(zhuǎn)過(guò)程中油氣彈簧位移負(fù)載上下對(duì)稱，因此分析上方3根油氣彈簧的位移負(fù)載變化。由圖8可知旋轉(zhuǎn)過(guò)程中即中間油氣彈簧不會(huì)產(chǎn)生影響懸掛穩(wěn)定性的旋轉(zhuǎn)扭矩，而左右兩根油氣彈簧會(huì)產(chǎn)生影響懸掛穩(wěn)定性的旋轉(zhuǎn)扭矩，假設(shè)輪對(duì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，其中為油氣彈簧上下球頭垂直距離；為油氣彈簧初始長(zhǎng)度為；為下球角與旋轉(zhuǎn)中心的距離；為上球角與旋轉(zhuǎn)中心的水平投影距離。

圖8 上方3根油氣彈簧水平旋轉(zhuǎn)簡(jiǎn)化模型示意圖

4.1.1 左側(cè)油氣彈簧位移負(fù)載變化分析

靜平衡位置處左側(cè)油氣彈簧上下球角水平距離

(14)

靜平衡位置處油氣彈簧下端球頭與旋轉(zhuǎn)中心連線和上端球頭與旋轉(zhuǎn)中心連接線夾角

(15)

旋轉(zhuǎn)后，油氣彈簧水平投影長(zhǎng)度

(16)

則變化后的油氣彈簧長(zhǎng)度

(17)

左側(cè)油氣彈簧對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)力臂為

(18)

=sin

(19)

聯(lián)立式(14)～式(19)得到旋轉(zhuǎn)角后，左側(cè)油氣彈簧力負(fù)載為

(20)

則左側(cè)油氣彈簧提供的不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)扭矩為

(21)

412 右側(cè)油氣彈簧位移負(fù)載變化分析

靜平衡位置處右側(cè)油氣彈簧上下球角水平距離為

(22)

靜平衡位置處油氣彈簧下端球頭與旋轉(zhuǎn)中心連線和上端球頭與旋轉(zhuǎn)中心連接線夾角為

(23)

旋轉(zhuǎn)后，油氣彈簧水平投影長(zhǎng)度為

(24)

則變化后的油氣彈簧長(zhǎng)度為

(25)

右側(cè)油氣彈簧對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)力臂為

(26)

=sin

(27)

聯(lián)立式(22)～式(27)得到旋轉(zhuǎn)角后，右側(cè)油氣彈簧力負(fù)載為

(28)

則右側(cè)油氣彈簧提供的不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)扭矩為

(29)

聯(lián)立式(21)和式(29)隨著水平旋轉(zhuǎn)角度的變化，不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)扭矩為

(30)

將表2中的初始參數(shù)輸入到模型中，得到圖9所示的液壓桿力隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線，圖10為旋轉(zhuǎn)液壓桿伸縮變化量隨旋轉(zhuǎn)角度變化量曲線，圖11為旋轉(zhuǎn)力矩、抵抗力矩、合力矩隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線。

表2 懸掛初始參數(shù)

圖9 液壓桿力隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線

圖10 旋轉(zhuǎn)液壓桿伸縮變化量隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線

圖11 旋轉(zhuǎn)力矩、抵抗力矩、合力矩隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線

根據(jù)圖11可以得出在不輔以彈簧作用下，六臂油氣彈簧結(jié)構(gòu)隨水平旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化即偏離初始位置后，由于六臂油氣彈簧的非線性剛度特性，在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，左側(cè)油氣彈簧雖然旋轉(zhuǎn)力臂一直在減小，但是彈性力增加的更快，最終結(jié)果是在一定范圍內(nèi)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中有抵抗旋轉(zhuǎn)的扭矩即六臂油氣彈簧具有較強(qiáng)的自穩(wěn)狀態(tài)。

4.2 彈簧矯正力分析

如圖12所示，4根拉伸彈簧固定端安裝在與4個(gè)角上油氣彈簧上端球頭垂直的車體下方，活動(dòng)端安裝在油氣彈簧下端球頭固定處。故而彈簧受力水平投影分析圖與圖8一致，但彈簧初始長(zhǎng)度及上下兩端的垂直距離與油氣彈簧不同，規(guī)定彈簧初始長(zhǎng)度為，彈簧上下兩端垂直距離為。

圖12 彈簧受力水平投影分析示意圖

彈簧剛度計(jì)算公式為

(31)

其中：為彈簧材料的剪切模量；為彈簧絲徑；為彈簧中徑；為彈簧有效圈數(shù)。

421 左側(cè)拉伸彈簧位移拉力變化

靜平衡位置處左側(cè)拉伸彈簧上下固定端水平距離為

(32)

靜平衡位置處拉伸彈簧下固定端與旋轉(zhuǎn)中心連線和上固定端與旋轉(zhuǎn)中心連接線夾角為

(33)

旋轉(zhuǎn)后，拉伸彈簧水平面投影長(zhǎng)度為

(34)

則變化后的拉伸彈簧長(zhǎng)度為

(35)

左側(cè)油氣彈簧對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)力臂為

(36)

1=sin

(37)

聯(lián)立式(32)～式(37)得到旋轉(zhuǎn)角后，左側(cè)拉伸彈簧拉伸力為

(38)

則左側(cè)油氣彈簧提供的不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)扭矩為

(39)

422 右側(cè)拉伸彈簧位移拉力變化

靜平衡位置處右側(cè)拉伸彈簧上下球角水平距離為

(40)

靜平衡位置處拉右側(cè)伸彈簧下固定端與旋轉(zhuǎn)中心連線和上端球頭與旋轉(zhuǎn)中心連接線夾角為

(41)

旋轉(zhuǎn)后，右側(cè)拉伸彈簧水平投影長(zhǎng)度為

(42)

則變化后的右側(cè)拉伸彈簧長(zhǎng)度為

(43)

右側(cè)拉伸彈簧對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)力臂為

(44)

2=sin

(45)

聯(lián)立式(40)～式(45)得到旋轉(zhuǎn)角后，右側(cè)拉伸彈簧拉力為

(46)

則右側(cè)拉伸彈簧提供的矯正旋轉(zhuǎn)扭矩為

(47)

聯(lián)立式(39)和式(47)隨著水平旋轉(zhuǎn)角度的變化，彈簧矯正扭矩為

(48)

4.3 輪對(duì)水平旋轉(zhuǎn)扭矩分析

在六臂油氣彈簧懸掛結(jié)構(gòu)中輔以拉伸彈簧，輪對(duì)最終受到的旋轉(zhuǎn)扭矩為

=+=2(+)+2(1+2)=

將拉伸彈簧參數(shù)(如表3所示)代入到模型中，最終可以得到圖13油氣彈簧旋轉(zhuǎn)力矩、拉伸抵抗力矩、合力矩隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線。

由圖13結(jié)果表明，六臂油氣彈簧結(jié)構(gòu)懸掛裝置在水平旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于油氣彈簧伸縮程度各不相同而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩，在油氣彈簧旋轉(zhuǎn)力矩和拉伸彈簧抵抗力矩的共同作用下，輪對(duì)受到的合力矩基本維持在0 N·m。

表3 拉伸彈簧參數(shù)

圖13 油氣彈簧旋轉(zhuǎn)力矩、拉伸抵抗力矩、合力矩 隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線

4.4 彈簧一致性分析及剛度校準(zhǔn)

由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)工藝的限制會(huì)導(dǎo)致彈簧的絲徑、外徑以及材料的應(yīng)力等誤差，間接導(dǎo)致彈簧的剛度誤差即多組彈簧的不一致性問(wèn)題。彈簧的不一致性會(huì)對(duì)六臂結(jié)構(gòu)輪對(duì)式懸掛裝置的矯正產(chǎn)生與理論計(jì)算不適應(yīng)的問(wèn)題。通過(guò)在彈簧與懸掛機(jī)構(gòu)安裝處設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性校準(zhǔn)將彈簧不一致性降到最低；同時(shí)通過(guò)左右車輪與地面摩擦力的不同而產(chǎn)生的扭矩動(dòng)態(tài)彌補(bǔ)由于彈簧不一致性導(dǎo)致的非零矯正扭。

在彈簧與模塊化輪腿定子連接處設(shè)置有可對(duì)彈簧初始長(zhǎng)度微調(diào)的機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)彈簧長(zhǎng)度的微調(diào)盡可能將彈簧剛度調(diào)整為與理論值相同。

以彈簧剛度誤差±5%作為計(jì)算最大誤差進(jìn)行仿真計(jì)算，當(dāng)分別沿對(duì)角線的兩組彈簧，一組為+5%，一組為-5%時(shí)，產(chǎn)生的矯正扭矩誤差最大，進(jìn)行計(jì)算后仿真結(jié)果如圖14，仿真結(jié)果表明，在彈簧剛度±5%誤差情況下，彈簧矯正作用會(huì)產(chǎn)生抵抗旋轉(zhuǎn)/助推旋轉(zhuǎn)的扭矩，扭矩大小為約±50 N·m，對(duì)于輪對(duì)式驅(qū)動(dòng)模式，依靠左右車輪動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)彌補(bǔ)小于50 N·m的力矩仍具有可實(shí)現(xiàn)性與實(shí)用性。

圖14 彈簧不一致情況下各力矩隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線

5 結(jié)論

隨著新型驅(qū)動(dòng)模式不斷發(fā)展，提出了一種模塊化輪對(duì)驅(qū)動(dòng)模式，即驅(qū)動(dòng)與懸掛裝置一體的驅(qū)動(dòng)模式，并針對(duì)此驅(qū)動(dòng)模式設(shè)計(jì)了一種基于油氣彈簧的六臂結(jié)構(gòu)輪對(duì)式懸掛裝置。對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，在輪對(duì)轉(zhuǎn)向即水平旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于氣體的非線性剛度特性，雖然推動(dòng)旋轉(zhuǎn)的油氣彈簧旋轉(zhuǎn)力臂隨旋轉(zhuǎn)角增大而阻礙旋轉(zhuǎn)的油氣彈簧旋轉(zhuǎn)力臂隨旋轉(zhuǎn)角減小，但是阻礙旋轉(zhuǎn)的油氣彈簧負(fù)載力呈指數(shù)增加，使得在一定范圍內(nèi)懸掛結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的自穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但同時(shí)此結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重的影響輪對(duì)的差速轉(zhuǎn)向過(guò)程，帶來(lái)極大的負(fù)面作用。在輔以拉伸彈簧的作用下，油氣彈簧的旋轉(zhuǎn)力矩與拉伸彈簧的拉伸抵抗力矩相互抵消，輪對(duì)所受到合力矩基本維持在0 N·m，同時(shí)考慮彈簧在加工過(guò)程中存在的不一致性，利用調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)彈簧不一致性進(jìn)行校準(zhǔn)將彈簧剛度誤差保持在±5%內(nèi)得到最大誤差扭矩約50 N·m，依賴輪對(duì)差速的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)以彌補(bǔ)彈簧的不一致性，依然可達(dá)到理想的穩(wěn)定效果與轉(zhuǎn)向條件。