基于剛度阻尼特性重載汽車油氣懸架性能分析

游 專，何 仁，劉文光

（1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

油氣懸架以其良好的剛度和阻尼特性，承載能力較強(qiáng)而被廣泛應(yīng)用于工程載重汽車領(lǐng)域[1]。油氣懸架通過密封在氣室內(nèi)的惰性氣體發(fā)揮彈性作用，而油液起到傳遞壓力的作用。由于油氣的非線性力學(xué)特性，使得整個(gè)懸架呈現(xiàn)出良好的減振效果，進(jìn)而整車表現(xiàn)出良好的平順性和舒適性。油氣懸架的剛度和阻尼特性，直接影響到整車的動(dòng)力學(xué)特征。因此，對油氣懸架的剛度和阻尼特性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上研究整車懸架性能，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了一定的研究：文獻(xiàn)[2]采用軟件建模的方法分析了油液溶解特性對油氣懸架整體性能的影響；文獻(xiàn)[3]采用試驗(yàn)的方法獲得油氣懸架的工作特性曲線；文獻(xiàn)[4]對油氣懸架的內(nèi)部阻尼孔尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行對比分析，獲取最優(yōu)參數(shù)；文獻(xiàn)[5]分析不同參數(shù)對油氣懸架承載特性的影響規(guī)律。

根據(jù)單氣室油氣懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特征，建立油氣懸架的物理簡化模型，基于剛體力學(xué)理論和運(yùn)動(dòng)力學(xué)平衡關(guān)系，建立其數(shù)學(xué)模型。分析油氣懸架的剛度和阻尼特性及其主要影響參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，基于AMESim搭建某載重汽車的1∕2懸架系統(tǒng)模型，分析正常行駛工況和越障工況，油氣懸架對路面激勵(lì)和障礙物的響應(yīng)特性；并對駕駛室的乘坐舒適性進(jìn)行評價(jià)。

2 油氣懸架模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

單氣室油氣懸架的結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)搭建物理模型[6]，如圖1（b）所示。圖中：1—活塞桿及活塞組件；2—阻尼孔；3—單向閥；4—缸筒。

圖1 單氣室油氣懸架模型Fig.1 Model of Hydro-pneumatic Suspension

根據(jù)受力平衡[7]，則懸架活塞桿的輸出力為：

懸架缸內(nèi)氣體的狀態(tài)方程為：

氣體體積V1和缸筒相對于活塞的位移x的關(guān)系為：

當(dāng)不考慮阻尼時(shí)，有如下關(guān)系：

根據(jù)以上各式，則彈性力為：

對式（5）求導(dǎo)，油氣懸架剛度k（x）為：

根據(jù)受力特點(diǎn)，則I腔和II腔的壓力差為：

流經(jīng)阻尼孔和單向閥的節(jié)流流量方程為：

式中：Cz、Az—阻尼孔的流量系數(shù)和過流面積；Cd、A d—單向閥的流量系數(shù)和過流面積。

流經(jīng)阻尼孔和單向閥的流量與活塞相對于缸筒的速度之間的關(guān)系為：

由式（8）～式（10）得：

其中，第二項(xiàng)為油氣懸架節(jié)流孔產(chǎn)生的阻尼力，用F z(x?)表示。

2.2 仿真模型

根據(jù)油氣懸架的剛度和阻尼特性，基于AMESim搭建其仿真分析模型[8]，如圖2（a）所示。同時(shí)根據(jù)油氣懸架在車輛上安裝特點(diǎn)，搭建1∕4車輛的實(shí)際加載模型，如圖2（b）所示。

圖2 油氣懸架仿真模型和試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Hydro-Pneumatic Suspension Simulation Model and Test-Bed

開始階段，Cd取0.82，整個(gè)過程中頻率比較低，時(shí)間較短，則整個(gè)過程作為等溫過程，取r=1；待系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)達(dá)到平穩(wěn)時(shí)，k取10000 bar[9]。輸出力與位移曲線試驗(yàn)值與仿真值結(jié)果，如圖3（a）所示。系統(tǒng)穩(wěn)定后氣體壓力與環(huán)形腔壓力變化，如圖3（b）所示。

圖3 結(jié)果對比分析Fig.3 Comparative Analysis of Result

圖3（a）可知，兩種分析結(jié)果的變化趨勢基本一致，壓縮階段出現(xiàn)差異的主要原因是模型中未充分考慮溫度變化的影響，在此階段溫度升高使得其他的壓強(qiáng)增大，從而出現(xiàn)試驗(yàn)和模擬之間的偏差；在拉伸階段，系統(tǒng)壓力的變化主要通過阻尼孔的作用，因此二種分析結(jié)果差別較小，總體而言模擬仿真與試驗(yàn)分析的結(jié)果是一致的，表明數(shù)學(xué)模型和仿真模型的準(zhǔn)確性。圖3（b）可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬仿真數(shù)據(jù)結(jié)果變化趨勢基本一致，二者吻合度良好。

3 1∕2車輛油氣懸架模型分析

3.1 模型建立

根據(jù)車輛懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[10]，首先建立1∕4分析模型，二自由度模型，如圖4所示。

圖4 二自由度振動(dòng)模型Fig.4 Two degree of Freedom Vibration Model

根據(jù)圖4模型，可以建立其數(shù)學(xué)模型：

前懸掛缸滿載時(shí)長度L=1208mm，后懸掛缸滿載時(shí)長度L=900mm。前后懸掛缸參數(shù)，如表1所示。

表1 懸掛缸參數(shù)Tab.1 Suspension Cylinder Parameter

3.2 路面行駛工況

在建立仿真模型之前，必須要建立前后輪相關(guān)路面隨機(jī)輸入函數(shù)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)并按照D級路面建立路面激勵(lì)函數(shù)[11]：

式中：u—車速；L—軸距前懸輸入激勵(lì)后懸輸入激勵(lì)；白噪聲函數(shù)。

根據(jù)式（12）所示，獲得前后懸的路面隨機(jī)輸入信號[12]，如圖5所示，激勵(lì)白噪聲信號，如圖6所示。為了更好的研究車輛的輸出特性和舒適性，根據(jù)圖4和式（11），基于AMESim搭建1∕2車模型，其中包括車架模型和駕駛室模型，如圖7所示。

圖5 路面譜激勵(lì)Fig.5 Pavement Spectrum Excitation

圖6 激勵(lì)白噪聲Fig.6 Exciting White Noise

圖7 1∕2分析模型Fig.7 1∕2 Analysis Model

圖7所示模型中，根據(jù)式（12）產(chǎn)生前懸和后懸的路面隨機(jī)輸入信號（圖5所示），經(jīng)過前后懸的減振后傳到車架上，同時(shí)輸入車架的也包括發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號，最終將振動(dòng)傳到駕駛室。

改變油液彈性模量取值，在不同彈性模量時(shí)，車架的位移功率譜密度，如圖8所示。

圖8 不同彈性模量時(shí)位移功率譜曲線Fig.8 Displacement Power Spectrum Curves with Different Elastic Moduli

從圖中可以得知，不同彈性模量狀態(tài)下，其振動(dòng)情況隨彈性模量的增加先是減小，然后增加，在15000時(shí)振動(dòng)最強(qiáng)。因?yàn)檎駝?dòng)響應(yīng)越大，對乘坐舒適性影響越大。

3.3 越障工況

建立在滿載下，以不同車速，通過不同障礙高度時(shí)，前后輪依次通過臺(tái)階的激勵(lì)后，車身響應(yīng)及衰減狀況模型，如圖9所示。

圖9 1∕2越障模型Fig.9 1∕2 Obstacle-Crossing Model

階躍激勵(lì)分別設(shè)置為0.2m、0.3m和0.4m，車速分別設(shè)置為10km∕h、30km∕h和50km∕h，用以模擬車輛過障礙物時(shí)車架的振動(dòng)響應(yīng)?；奢d質(zhì)量對階躍激勵(lì)的響應(yīng)曲線，如圖10所示。

圖10 不同工況時(shí)簧上質(zhì)量響應(yīng)曲線Fig.10 Mass response Curve of Spring Under Different Condition

由圖中可以得到，當(dāng)車輛通過0.2m，0.3m和0.4m的階梯障礙后，簧載質(zhì)量均在三個(gè)周期內(nèi)衰減振動(dòng)達(dá)到90%以上，滿足車輛設(shè)計(jì)時(shí)對懸架衰減振動(dòng)的要求。

3.4 舒適性評價(jià)

從圖8的頻域響應(yīng)曲線可以看出，其功率譜峰值在1.28Hz左右，避過了人體的共振區(qū)域，符合乘坐舒適性的要求。人體舒適程度的評價(jià)指標(biāo)[13]，如表2所示。主要是通過加權(quán)加速度均方根值和加權(quán)振級進(jìn)行評價(jià)。

表2 主觀感覺之間的關(guān)系Tab.2 The Relationship Between Subjective Feeling

進(jìn)行評價(jià)時(shí)，先計(jì)算縱向加權(quán)均方根值：

提取駕駛室的加速度曲線，如圖11所示。

圖11 加速度曲線Fig.11 Acceleration Curve

經(jīng)過計(jì)算得到：

在得到加權(quán)加速度均方根值以后，就可以根據(jù)公式：

計(jì)算得到加權(quán)振級La w=102dB。

在得到加權(quán)加速度和加權(quán)振級以后，可以根據(jù)表2對車輛的乘坐舒適性進(jìn)行評價(jià)，對照表2后可以得到aw<0.315m∕s2，Law<110dB，人體的主觀感受為：沒有不舒服。

4 結(jié)論

根據(jù)油氣懸架的物理模型建立阻尼和剛度的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上基于AMESim建立車輛的1∕2懸架模型，分析正常行駛和越障兩種工況，駕駛室的響應(yīng)，并分析乘坐舒適性。結(jié)果可知：（1）油氣懸架的剛度和阻尼特性呈現(xiàn)明顯的非線性特征，影響剛度特性的主要因素包括：環(huán)形腔面積、工作腔面積和氣體的初始體積；而阻尼特性主要影響因素則包括：環(huán)形腔面積、阻尼孔面積和單向閥有效過流面積；（2）試驗(yàn)對比表明，基于AMESim建立的仿真模型輸出特性與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，理論分析和模型分析結(jié)果可靠；（3）簧載質(zhì)量在三個(gè)周期內(nèi)衰減振動(dòng)達(dá)到90%以上，滿足車輛設(shè)計(jì)時(shí)對懸架衰減振動(dòng)的要求；路面隨機(jī)激勵(lì)的頻域響應(yīng)曲線可以看出，其功率譜峰值在1.28Hz左右，避過了人體的共振區(qū)域，符合乘坐舒適性的要求；人體的主觀感受為：沒有不舒服。