油氣懸掛類型對多軸轉向車輛側傾特性的影響

鄭東強，周 梅

(集美大學機械工程學院，廈門 361021)

多軸轉向車輛指的是參與轉向的車軸軸數在3軸及3軸以上的車輛，是伴隨大型工程機械的不斷涌現而產生的，如國內目前最大的全路面起重機就是采用9軸轉向。多軸轉向的主要目的是提高車輛的轉向機動性及靈活性。大型工程機械質量大，重心高，工作條件通常較惡劣，加之還需具有高速行駛能力，因此油氣懸掛系統是主要采用的懸掛方式。油氣懸掛系統是全路面起重機底盤的兩大核心技術之一。

油氣懸掛系統通過調整蓄能器的壓力來改變懸掛系統的特性，并具有改變車身高度和整車軸負載自動調平等功能［1］。

國內關于油氣懸掛系統特性研究的報告較多，通常是使用Matlab構建仿真的數學模型，并研究其關鍵參數，例如蓄能器的壓力、阻尼孔的尺寸及有關長度、蓄能器的體積等對油氣懸掛系統的非線性影響［2－8］，但多數的研究卻集中在單一油氣懸掛缸的非線性特性分析上。本文利用虛擬樣機技術，對比研究了2類常用油氣懸掛系統的側傾特性，即非獨立式油氣懸掛系統以及連通式油氣懸掛系統。同時比較了2類懸掛系統對車輛側傾剛度和側傾角度的影響規律。

車身側傾角會改變左右車輪的載荷和輪胎的附著力，影響著車輛的側向穩定性和操縱穩定性，如圖1所示。側傾角太大會讓駕駛員覺得車輛不穩定且不安全，也會讓乘客不舒適。車身側傾剛度則是決定側傾角的主要因素。故此本文深入研究2類油氣懸掛系統對于車輛側傾特性的影響規律。

圖1 車輛的側傾力學模型

連通式和非獨立式油氣懸掛系統是目前多軸轉向車輛普遍采用的2種形式，如圖2、圖3所示。全路面起重機上廣泛采用的是連通式油氣懸掛，又稱為互聯式油氣。

連通式油氣懸掛系統通過油管將左右兩側懸掛油缸的上油腔和下油腔連通。當車輛發生側傾運動時，兩側懸掛油缸之間產生聯系，運動會互相影響。非獨立式油氣懸掛系統的左右兩側懸掛油缸之間沒有連通，其懸掛油缸的上油腔和下油腔各自連接一蓄能器。車輛發生側傾時，懸掛油缸左右互相獨立，彼此不影響。

1 單個油氣懸掛系統虛擬樣機的建立

單個油氣懸掛油缸系統的主要組成有懸掛油缸和連上油腔和下油腔相的2個蓄能器，如圖4所示。阻尼孔7和單向閥6將懸掛缸的A腔及B腔連通，B腔和C腔通過油管分別與蓄能器1和4蓄能器連通。

圖4 單個油氣懸掛系統組成

依據單個油氣懸掛系統的結構組成和工作機理，采用 Adams/Hydraulics模塊，構建了仿真模型，如圖5所示。依據實際情況，使用了一些等效處理，例如將油氣懸掛缸等效為圖5所示的油缸8、阻尼孔2及單向閥3，用油缸8的上油腔作為圖4中的A腔，而下腔則作為C腔;B腔被簡化成圖5中2、3加上油管4連接點的接頭容積，并使接頭容積和B腔具有相等體積。

圖5 單個油氣懸掛系統模型

2 單個油氣懸掛系統虛擬樣機驗證

采用文獻［2］提出的方法對所建立的單個油氣懸掛系統虛擬樣機進行了分析驗證。驗證使用工況:激振振幅30 mm;激振頻率0.5 Hz。

圖6為驗證結果的對比，從圖中可以看出，油氣懸掛虛擬樣機的非線性剛度及阻尼特性能夠基本吻合試驗所得結果。由此可進一步分析車輛側傾在非獨立式和連通式油氣懸掛系統的下的響應情況。

圖6 單個油氣懸掛系統虛擬樣機模型驗證

3 車輛側傾特性虛擬試驗平臺

基于Adams軟件建立了車輛側傾特性的虛擬試驗平臺，模型的建立條件為:

1)采用氮氣的實際氣體狀態方程進行仿真，氣體狀態的變化過程是絕熱過程;

2)將輪胎簡成為剛體，以消除輪胎的非線性特性對系統的影響;

3)假設液壓油為不可壓縮;

4)液壓缸的缸壁設置為鋼的柔性特性。

3.1 機械部分虛擬樣機模型

利用Adams/View軟件的Hydraulics模塊構建了如圖7所示油氣懸掛車輛的側傾模型。

用平面副約束左右側車輪與激勵平臺，使車輪不能和激勵平臺脫離。固定左側激勵平臺不動，允許右側激勵平臺上下運動。通過該試驗平臺可仿真測量車身的跳動量以及車身的側傾角。

圖7 車輛側傾特性虛擬試驗臺

3.2 液壓部分虛擬樣機模型

依據連通式及非獨立式油氣懸掛系統的工作原理和結構組成，使用Adams/Hydraulics模塊構建了各自的液壓系統虛擬樣機仿真模型，如圖8所示。

圖8 兩類懸掛系統液壓系統虛擬樣機模型

4 油氣懸掛系統側傾特性分析

4.1 離散激勵剛度特性

以圖7所建立的車輛側傾特性虛擬試驗平臺分別對非獨立式及連通式油氣懸掛系統的側傾特性進行分析。對位移激勵平臺3運動副中輸入頻率為1 Hz，振幅為100 mm的正弦式位移激勵，用以模擬車輛在通過凸凹不平的路面時，離散激勵所引起的油氣懸掛系統自身剛度的變化。2類油氣懸掛系統的左右掛缸剛度仿真結果曲線如圖9所示。

圖9 兩類油氣懸掛系統剛度特性對比

4.2 側向加速度對剛度特性的影響

為得到不同側向加速度對2類油氣懸掛系統剛度影響的規律，以圖7所構建的試驗平臺仿真在不同的側向加速時懸掛系統的剛度值。仿真采用的工況:固定全部位移激勵平臺，在懸掛重量1的重心位置，施加由變化的側向加速度導致的向左方的離心力。

由圖10可知，連通式油氣懸掛系統受壓側的懸掛油缸剛度比非獨立式更大(圖10(a))，而受拉側的剛度則更小(圖10(b))。對于非獨立式油氣懸掛系統，其左右懸掛油缸的剛度特性基本不變。如圖11所示，由2類懸掛系統的車身側傾剛度曲線可知，非獨立式油氣懸掛系統的側傾剛度大于連通式的側傾剛度，故在多軸轉向車輛中，采用非獨立式油氣懸掛系統的，其車身側傾角在轉向時相對更小，而連通式油氣懸掛系統更有利于提高多軸轉向車輛的平順性。

5 結束語

通過對單個雙氣室油氣懸掛系統進行建模和仿真研究，進一步構建了連通式及非獨立式油氣懸掛系統的虛擬樣機仿真模型和車輛側傾特性的虛擬試驗平臺，詳細分析了連通式及非獨立式這2類油氣懸掛對于多軸轉向車輛側傾特性的影響。分析結果表明，非獨立式油氣懸掛的側傾剛度要比連通式油氣懸掛大，從而有利于提高車輛的轉向性能，連通式油氣懸掛系統則更能提高多軸轉向車輛的平順性。試驗研究［8］證明了該結論的正確性。

［1］江志林，陳偉，黃亮.某主動懸掛液壓伺服系統性能分析［J］.四川兵工學報，2009，30(4):24 －26.

［2］王云超.油氣懸掛系統的非線性特性虛擬樣機研究［J］.系統仿真學報，2006，18(8):2183 －2186.

［2］馬國清，檀潤華.油氣懸掛系統非線性數學模型的建立及其計算機仿真［J］.機械工程學報，2002，38(5):71－74.

［3］王漢平，張聘義.混合連通式油氣懸掛重型車輛的振動性能研究［J］.導彈與航天運載技術，2003，264:7－11.

［4］封士彩，吳仁智.工程車輛油氣懸掛性能的試驗研究［J］.工程機械，2000(12):9－11.

［5］馬國清，王樹新.油氣懸掛系統特性研究［J］.液壓與氣動，2002(3):1 －2.

［6］周德成，王國強.油氣懸掛缸參數對車輛平順性影響的理論研究［J］.農業機械學報，2004，35(5):25－28.

［7］郭建華.全路面起重機油氣懸掛系統建模與動力學仿真研究［M］.長春:吉林大學機械學院，2005:55－66.

［8］吳仁智.油氣懸掛系統動力學建模仿真和試驗研究［D］.杭州:浙江大學，2000:91 －93.