活塞導(dǎo)向長度對(duì)油氣懸架減振性能的影響

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

引言

油氣懸架具有剛度非線性和阻尼非線性的特點(diǎn)，能夠很好的起到減振吸能的作用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種汽車和工程車輛。燭式懸架結(jié)構(gòu)簡單，成本低，承載能力強(qiáng)，在大噸位礦用車輛上應(yīng)用越來越廣泛[1]。燭式懸架兼有主銷作用，所以有一定的安裝內(nèi)傾角，內(nèi)傾角會(huì)產(chǎn)生橫向力，造成缸筒和活塞之間摩擦阻力增大，在一定程度上影響懸架的減振性和車輛的舒適性。

懸架作為車輛減振的關(guān)鍵部件，其減振能力對(duì)車輛的舒適性有重要影響。周創(chuàng)輝等[2]為了在改善車輛平順性的同時(shí)獲得較好的饋能效果, 提出一種改進(jìn)型天棚阻尼半主動(dòng)控制算法, 可以有效地兼顧車輛的平順性和懸架的饋能功率。王旭等[3]分析了同側(cè)耦連油氣懸架對(duì)多軸車輛行駛平順性的影響，并和獨(dú)立懸架進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，隨機(jī)路面輸入下，同側(cè)耦連油氣懸架各油氣缸剛度特性一致，因此車身俯仰角比獨(dú)立懸架小，且能夠平衡各軸輪胎動(dòng)載荷，隨著車速的增加，車身質(zhì)心加權(quán)加速度和輪胎動(dòng)載荷均呈增加趨勢(shì)。王連志等[4]以礦用寬體車前橋油氣懸架為研究對(duì)象，利用AMESim仿真軟件進(jìn)行模型搭建，分析了油氣懸架的外特性性能及其影響因素；同時(shí)搭建了1/2 前橋整車模型，對(duì)整車動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，油氣懸架具有非線性特性，同時(shí)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)節(jié)油氣懸架的外特性。

油氣懸架參數(shù)對(duì)其減振能力有重要影響[5-7]。劉建輝等[8]分析了油氣狀態(tài)對(duì)懸架性能的影響，提出了真實(shí)氣體狀態(tài)方程，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。李閣強(qiáng)等[9]以某型號(hào)油氣懸架為研究對(duì)象，根據(jù)流體力學(xué)和熱力學(xué)理論，建立油氣懸架的數(shù)學(xué)模型，并利用Simulink進(jìn)行仿真，研究了溫升對(duì)油氣懸架剛度特性的影響，結(jié)果表明，隨溫度升高油氣懸架的剛度明顯升高。王云超等[10]提出了一種基于體積壓縮率和體積壓縮速率的真實(shí)氣體多變指數(shù)模型，為更加準(zhǔn)確地研究油氣懸架系統(tǒng)真實(shí)特性奠定了基礎(chǔ)。甄龍信等[11]分析油氣懸架性能時(shí)考慮了密封摩擦的影響，建立了單氣室油氣懸架的非線性數(shù)學(xué)模型，將考慮密封摩擦和不考慮密封摩擦的結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，考慮密封摩擦的數(shù)學(xué)模型更精確。

缸筒和活塞之間摩擦阻力與橫向力的大小有關(guān)，而橫向力的大小主要取決于油氣缸安裝內(nèi)傾角的大小，安裝內(nèi)傾角越大引起的橫向力就會(huì)越大，在安裝內(nèi)傾角不變的情況下，橫向力還會(huì)造成活塞和缸筒之間的接觸部分產(chǎn)生壓縮變形，造成實(shí)際內(nèi)傾角增大，從而使活塞和缸筒之間的摩擦力增大。延長活塞導(dǎo)向長度，會(huì)使缸筒和活塞之間的接觸面積變大，壓縮變形量減小，減小活塞和缸筒之間摩擦力，提高油氣缸的減振能力。

以上多數(shù)研究借助仿真軟件分析了油氣缸參數(shù)對(duì)其減振能力的影響，往往忽略了活塞和缸筒之間摩擦力的影響，這將使分析結(jié)果和實(shí)際情況存在一定的誤差。本研究結(jié)合上述研究成果，以某礦用自卸車燭式油氣懸架為研究對(duì)象，分析了活塞導(dǎo)向長度對(duì)摩擦力大小的影響，并通過試驗(yàn)對(duì)比了導(dǎo)向長度對(duì)懸架減振能力和車輛乘坐舒適性的影響。

1 摩擦力分析

該礦用自卸車前懸架采用了燭式油氣懸架，其安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中油氣缸安裝的內(nèi)傾角為α。

圖1 燭式油氣懸架安裝結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Installation structure of candle-type hydro-pneumatic suspension

油氣缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2a所示，主要由缸筒和活塞桿兩部分組成。油氣缸分為I腔和II腔，I腔上部是惰性氣體N2，下部是油液；II腔(環(huán)形腔)內(nèi)充滿油液，油液流過阻尼孔和單向閥起到衰減振動(dòng)、吸收能量的作用?；钊麠U隨著路面的激勵(lì)上下運(yùn)動(dòng)，使I腔內(nèi)的氣體不斷壓縮和膨脹，起彈性元件的作用。

摩擦力是由懸架安裝內(nèi)傾角產(chǎn)生的橫向力引起的，圖2b為活塞桿受力分析圖。

橫向力的大小為：

Fc=Mgtanα

(1)

式中，F(xiàn)c—— 理論橫向力

M—— 簧載質(zhì)量

活塞和缸筒之間的橫向力會(huì)造成導(dǎo)向部分產(chǎn)生壓縮變形，增大活塞桿的內(nèi)傾角，從而使橫向力產(chǎn)生的摩擦力增大。根據(jù)赫茲接觸可得：

圖2 油氣缸結(jié)構(gòu)及受力分析Fig.2 Structure and force analysis of cylinder

(2)

式中，Re—— 綜合曲率半徑

R1—— 導(dǎo)向部分外徑

R2—— 缸筒內(nèi)徑

(3)

式中，E—— 等效彈性模量

E1，ν1—— 導(dǎo)向部分材料(聚四氟乙烯)的彈性模量和泊松比

E2，ν2—— 缸筒的彈性模量和泊松比

(4)

式中，lx—— 導(dǎo)向部分長度

b—— 導(dǎo)向部分和缸筒之間的接觸面寬度

由于缸筒的壓縮變形量非常小，所以本研究中忽略不計(jì)，活塞導(dǎo)向部分的壓縮變形量δ為：

(5)

油氣缸內(nèi)傾角增量為β，因?yàn)棣陆呛苄?，可近似得出?/p>

(6)

(7)

因活塞導(dǎo)向部分壓縮變形產(chǎn)生的摩擦力為：

(8)

因?yàn)閠anβ≈sinβ，則有：

(9)

油氣缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，把相關(guān)參數(shù)帶入式(9)，可以得出壓縮變形產(chǎn)生的摩擦力與活塞導(dǎo)向長度之間的關(guān)系，如圖3所示，由圖可知，摩擦力大小與活塞導(dǎo)向長度成反比。

2 樣車試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證油氣缸導(dǎo)向長度對(duì)油氣懸架減振性能的影響，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 油氣缸結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of cylinder

圖3 活塞導(dǎo)向部分壓縮變形產(chǎn)生的摩擦力Fig.3 Friction caused by compression deformation of piston guide

試驗(yàn)樣車選擇某型號(hào)礦用自卸車，其前懸架采用了燭式油氣懸架，在實(shí)際工況下進(jìn)行試驗(yàn)。選取活塞導(dǎo)向長度分別為0.10，0.15，0.20 m的3種油氣缸，分別安裝在礦用自卸車前懸架上進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為裝載試驗(yàn)和礦區(qū)路面行駛試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 樣車實(shí)車試驗(yàn)Fig.4 Prototype experiment

2.1 裝載試驗(yàn)條件

選擇礦用自卸車實(shí)際裝料過程進(jìn)行測(cè)試[12-13]，車輛載重為70 t，裝料采用10 t的電鏟，裝料7次。

試驗(yàn)設(shè)備采用DEWE-2600多通道數(shù)據(jù)信號(hào)采集儀，油氣缸上、下端分別安裝了加速度傳感器，用來測(cè)試裝載過程中加速度的變化；同時(shí)安裝了壓力傳感器可以測(cè)量試驗(yàn)過程中油氣缸壓力的變化，壓力傳感器安裝位置如圖5所示；裝載試驗(yàn)設(shè)備清單如表2所示。

2.2 礦區(qū)路面行駛試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選擇礦區(qū)路面進(jìn)行測(cè)試，路段全長2.5 km，最大坡度為32%，車輛行駛速度是15 km/h，行駛速度波動(dòng)范圍±10%。

表2 裝載試驗(yàn)設(shè)備清單Tab.2 List of loading experiment equipment

在踏板、座椅和靠背分別安裝了三軸加速度傳感器，安裝位置如圖6所示，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可得出總加權(quán)加速度均方根值aw，對(duì)照ISO 2631-1∶1997(E)標(biāo)準(zhǔn)可以得出油氣缸不同導(dǎo)向長度對(duì)應(yīng)的車輛乘坐舒適性[14-15]，礦區(qū)路面行駛試驗(yàn)設(shè)備清單如表3所示。

圖6 三軸加速度傳感器安裝位置Fig.6 Mounting position of three-axis acceleration sensor

表3 礦區(qū)路面行駛試驗(yàn)設(shè)備清單Tab.3 List of mining road driving experiment equipment

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 活塞導(dǎo)向長度對(duì)油氣缸壓力的影響

車輛在礦區(qū)路面行駛過程中油氣缸壓力變化的曲線如圖7所示：圖7a對(duì)應(yīng)油氣缸的導(dǎo)向長度為0.10 m，可以看出車輛行駛過程中壓力變化存在“停滯”現(xiàn)象，路面沖擊較小時(shí)，缸筒和活塞之間存在短暫的“摩擦鎖死”現(xiàn)象；圖7b對(duì)應(yīng)油氣缸導(dǎo)向長度為0.20 m，壓力連續(xù)變化，未出現(xiàn)壓力“停滯”現(xiàn)象。

圖7 路面行駛過程中油氣缸壓力變化Fig.7 Cylinder pressure changes during road driving

裝載過程油氣缸壓力變化如圖8所示，當(dāng)活塞導(dǎo)向長度為0.10 m時(shí)，裝載7次，壓力共變化5次，且每次裝載后壓力振蕩衰減過程并不明顯，缸筒和活塞之間摩擦力比較大，存在短暫“摩擦鎖死”現(xiàn)象。

當(dāng)油氣缸導(dǎo)向長度為0.15 m時(shí)，每次裝載油氣缸壓力都有明顯變化，但是每次裝載后壓力增量并不均勻，且油氣缸都有振動(dòng)衰減過程。

當(dāng)油氣缸導(dǎo)向長度為0.20 m時(shí)，每次裝載油氣缸壓力有明顯變化，可看出明顯的振動(dòng)衰減過程，且壓力增量均勻。

從裝載過程3種不同活塞導(dǎo)向長度懸架壓力變化情況可以看出，油氣懸架活塞導(dǎo)向長度對(duì)懸架減振性能有很大影響，導(dǎo)向部分越長，其減振吸能效果越好。

圖8 裝載過程油氣缸壓力變化Fig.8 Cylinder pressure changes during loading

3.2 活塞導(dǎo)向長度對(duì)油氣缸的振動(dòng)傳遞率的影響

在裝載試驗(yàn)過程中對(duì)油氣缸上、下端的振動(dòng)加速度進(jìn)行了測(cè)試，裝載時(shí)油氣缸上端是振動(dòng)的輸入端，下端是振動(dòng)的輸出端，此時(shí)油氣缸是一個(gè)單輸入、單輸出的減振體。

圖9a是活塞導(dǎo)向長度為0.10 m裝載時(shí)油氣缸上、下端加速度的時(shí)域變化，可以看出隨著裝載次數(shù)的增加，油氣懸架上端的沖擊加速度峰值逐漸減小，每次裝載，油氣缸下端的加速度值都明顯小于其上端的加速度，油氣懸架有明顯的減振作用；圖9b是活塞導(dǎo)向長度為0.20 m裝載時(shí)油氣缸上、下端加速度的時(shí)域變化。通過對(duì)比可以看出，油氣缸活塞導(dǎo)向長度為0.20 m 時(shí)的減振能力優(yōu)于其長度為0.10 m時(shí)。

圖9 裝載時(shí)油氣缸上、下端加速度時(shí)域變化Fig.9 Time domain change of acceleration both upper and lower of cylinder during loading

為了準(zhǔn)確地衡量油氣缸的減振性能，采用振動(dòng)傳遞率對(duì)油氣缸的減振能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，它是一個(gè)無量綱的參數(shù)，表示振動(dòng)響應(yīng)加速度均方根值與激勵(lì)加速度均方根值之比，其數(shù)值越小說明油氣懸架減振吸能效果越好。

在車輛裝料時(shí)振動(dòng)是從上往下傳遞，所以振動(dòng)傳遞率指的是油氣缸下端加速度的均方根值與其上端加速度均方根值之比。

振動(dòng)響應(yīng)加速度的均方根值aτ：

(10)

式中，T—— 分析時(shí)間

aτ(t) —— 油氣缸下端的加速度

振動(dòng)激勵(lì)加速度的均方根值av：

(11)

式中，av(t) —— 油氣缸上端的加速度

振動(dòng)傳遞率Tr：

(12)

不同活塞導(dǎo)向長度油氣缸對(duì)應(yīng)的振動(dòng)傳遞率如圖10所示，由圖10可以看出，其他參數(shù)不變，當(dāng)活塞導(dǎo)向長度由0.10 m增加至0.20 m，其振動(dòng)傳遞率由0.65變?yōu)?.47，油氣缸的減振能力提高了27.7%。

圖10 活塞導(dǎo)向長度對(duì)油氣缸振動(dòng)傳遞率的影響Fig.10 Influence of piston guide length on vibration transference of cylinder

3.3 車輛的乘坐舒適性

懸架的減振性能會(huì)影響車輛的乘坐舒適性，為了分析活塞導(dǎo)向長度對(duì)車輛舒適性的影響，本研究按照ISO 2631-1∶1997(E)，用車輛踏板、座椅和靠背的總加權(quán)加速度均方根值aw評(píng)價(jià)車輛的乘坐舒適性：

(13)

式中,Ga(f) —— 加速度譜密度函數(shù)

w(f) —— 各軸向頻率加權(quán)函數(shù)

圖11為活塞導(dǎo)向長度對(duì)總加權(quán)加速度均方根值的影響，由圖11可以看出，隨著活塞導(dǎo)向長度增加，車輛的總加權(quán)加速度均方根值aw減小，當(dāng)導(dǎo)向長度由0.10 m增加到0.20 m，車輛總加速度均方根值aw由1.06 m/s2減小到0.72 m/s2，車輛的乘坐舒適性有了明顯改善。從曲線的變化趨勢(shì)來看，曲線越來越平，說明隨著活塞導(dǎo)向長度增加總加速度均方根值的變化率越來越小。

4 結(jié)論

通過理論分析了燭式油氣懸架缸筒和活塞之間摩擦力大小的影響因素，得出了延長活塞導(dǎo)向長度可以減小缸筒和活塞之間摩擦力的結(jié)論。通過試驗(yàn)對(duì)活塞導(dǎo)向長度分別為0.10，0.15，0.20 m的3種油氣缸的減振能力和車輛的乘坐舒適性進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明延長活塞導(dǎo)向長度可以提高懸架的減振能力，改善車輛的乘坐舒適性，具體結(jié)果如下：

圖11 活塞導(dǎo)向長度對(duì)總加權(quán)加速度均方根值的影響Fig.11 Influence of piston guide length on RMS value of total weighted acceleration

(1) 延長活塞導(dǎo)向長度可以避免出現(xiàn)壓力“停滯”，防止缸筒和活塞之間出現(xiàn)“摩擦鎖死”現(xiàn)象；

(2) 當(dāng)活塞導(dǎo)向長度由0.10 m增加至0.20 m，油氣缸的振動(dòng)傳遞率由0.65變?yōu)?.47，油氣缸的減振能力提高27.7%；

(3) 當(dāng)活塞導(dǎo)向長度由0.10 m增加至0.20 m，車輛的總加權(quán)加速度均方根值由1.06 m/s2減小到0.72 m/s2，降低了32.1%，車輛乘坐舒適性明顯提高。