裝有液壓互聯懸架的礦山車輛動力學分析與實驗研究*

章 杰,周 敏，張邦基，王立夫,張 農,

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.悉尼科技大學工程與信息技術學院，悉尼2007，澳大利亞)

2016114

裝有液壓互聯懸架的礦山車輛動力學分析與實驗研究*

章 杰1,周 敏1，張邦基1，王立夫2,張 農1,2

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.悉尼科技大學工程與信息技術學院，悉尼2007，澳大利亞)

礦山車輛因載質量大通常選擇較硬的板簧，但是過高的彈簧剛度會導致舒適性下降；又由于坑道坡度較大，下坡制動時整車載荷向前軸轉移，前板簧因應力過大而斷裂的情況時有發生。為此本文首次提出一種和板簧相匹配的新型液壓互聯被動懸架系統。該系統通過互聯安裝在車輛懸架位置的4個液壓作動器，可以在垂向和俯仰兩個模態分別提供所需的剛度和阻尼，因此原車板簧剛度可以設計得較軟以提高舒適性；在坑道制動時，該液壓系統可提供抗俯仰力矩以減少對前板簧的沖擊。建立了該液壓系統和整車的動力學模型，設計并制作出了液壓互聯懸架樣件，并裝配到試驗車上。模型的動力學仿真和樣車的道路試驗的結果表明，仿真結果和試驗數據吻合良好；液壓互聯懸架可有效改善礦山車輛的舒適性和抗俯仰能力。

液壓互聯懸架系統；機液耦合；舒適性；抗俯仰

前言

懸架系統是影響車輛乘坐舒適性的重要因素[1]。由于礦山車輛條件惡劣[2]、工況復雜，一般采用鋼板彈簧懸架提供較大的剛度和阻尼,保證結構緊湊；同時礦山車輛的另一個特點是加載和卸載時簧載質量變化較大，為了滿足車輛的加載要求通常把鋼板彈簧設計得較硬,當車輛空載時,過硬的鋼板彈簧會降低車輛的乘坐舒適性[3]，同時產生嚴重的噪聲；設計較軟的鋼板彈簧具有較好的乘坐舒適性，但車輛的操縱穩定性較差，俯仰點頭較為嚴重；而傳統懸架無法同時協調車輛的垂向和俯仰振動。

油氣懸架[4]由于其承載能力和舒適性，可用于大型承重車輛，但是其成本較高。本文中旨在設計一種油氣懸架，通過互聯結構來有針對性地解決車輛平順性和俯仰問題，作為板簧的輔助系統，在大幅提高性能的同時又能有效控制成本。液壓互聯懸架(hydraulically interconnected suspension, HIS)是一種新型懸架系統，其優點在于能夠獨立控制車輪相對車身的某個運動模態[5-6]，從而更好地改善車輛操縱穩定性和舒適性。

HIS包括安裝于各車輪與車身之間的液壓缸、連接各液壓缸之間的多個油管支路、各油管支路上裝配的蓄能器和蓄能器與液壓缸之間的阻尼閥等。系統以密封在蓄能器中的氣體為彈性元件，以氣體與液壓缸活塞之間注入的液壓油作為傳遞力的介質；管路的連接方式取決于車體狀態。系統不需要外部能量輸入，比主動懸架結構簡單可靠、成本低、易于實現。國外學者對互聯懸架系統及其應用作了有益的探索。文獻[6]中最早提出了被動互聯懸架理論；文獻[7]中提出了互聯懸架能獨立控制車身運動模態，但沒有詳細分析互聯懸架動態響應；文獻[8]中研究了雙氣室油氣懸架時域動態響應，但沒有直接定性分析液壓系統參數對車輛運動性能的影響；文獻[9]中結合實驗和仿真分析了油氣互聯懸架對越野車動態性能影響；文獻[10]中主要分析了抗側傾液壓互聯懸架對車輛穩定性的影響。但上述研究基本上未涉及抗俯仰性能。國內學者對油氣互聯懸架的研究起步比較晚，但也進行了大量深入的基礎理論研究，從不同角度分析油氣懸掛系統對車輛性能影響。文獻[11]中建立了耦合的油氣減扭懸架多體動力學模型，通過仿真表明該懸架能有效地減小作用于車體的扭矩；文獻[12]中以油氣懸架本身為研究對象，對油氣懸架進行了非線性特性分析；文獻[13]中研究了新型肘內油氣懸架原理，利用LMS軟件分析了油氣懸架非線性特性；文獻[14]中在液力減振器研究理論基礎上建立了單氣室油氣懸架非線性數學模型，考慮了關鍵參數對油氣彈簧性能的影響；文獻[15]中對互聯式油氣懸架剛度和車輛振動響應進行了分析計算；文獻[16]中提出了一種雙氣室油氣懸架，并進行了整車平順性分析；文獻[17]中分析了氣體彈簧剛度非線性，建立了主動油氣懸架非線性模型，進一步研究了油氣懸架運動學特性；文獻[18]中建立了車輛主動油氣懸架的數學模型，從控制角度分析了油氣懸架對車輛平順性的影響。從上述研究成果可以看出，研究內容主要集中在油氣懸架性能分析上，能夠改善車輛某一性能，但將車輛平順性和穩定性同時結合起來的研究很少，且基本上未涉及其在礦山車輛中的應用。

本文中在上述研究基礎上提出一種新型被動液壓互聯系統，可同時提供非線性垂向剛度和俯仰剛度。它能夠為鋼板彈簧分擔部分垂向載荷,從而可將礦山車輛鋼板彈簧設計較軟。本文中首次將液壓互聯系統和鋼板彈簧結合進行匹配設計，這是一種新型車輛懸架結構。利用液壓互聯系統的非線性，提供不同路況下所需的垂向剛度和阻尼，從而提高乘車舒適性；同時還可增加礦山車輛的俯仰剛度，提高抗俯仰能力。該系統能夠兼顧車輛垂向和俯仰兩種運動模態，這是傳統懸架無法解決的問題。另外，本文中將該液壓互聯系統和板簧整體匹配應用于改善礦山車輛懸架系統特性，從仿真和實驗角度分析礦山車輛動力學特性，并進一步分析液壓互聯系統對車輛運動特性的影響。

1 液壓互聯系統原理

本文中提出的液壓互聯懸架系統均為整車4輪互聯而成的一種液壓系統，其原理如圖1所示。該液壓互聯懸架系統[19]包括：連接在各個車輪總成與車架之間的4個雙作用液壓缸(前輪液壓缸2，3和后輪液壓缸4，5)，具體連接方式是4個液壓缸缸體固定在車身1上、4個活塞桿固定在車輪總成上；液壓回路包括第1支路A和第2支路B，A連通前輪液壓缸2和3的上腔(無桿腔)和后輪液壓缸4和5的下腔(有桿腔)，B連通前輪液壓缸2和3的有桿腔和后輪液壓缸4和5的無桿腔；蓄能器分為兩組，第1組蓄能器7設置在液壓支路A中，第2組蓄能器6設置在液壓支路B中，即前輪液壓缸2和3無桿腔和后輪液壓缸4和5的有桿腔連接形成液壓回路，前輪液壓缸2和3有桿腔和后輪液壓缸4和5的無桿腔連接形成液壓回路。蓄能器7和6分別連接于液壓支路A和液壓支路B中。液壓支路A和B之間用可控球閥C連通，用來平衡兩液壓支路中壓力，使管路中的瞬態壓力不會過高。

圖1 液壓互聯系統原理圖

圖2 HIS系統的液壓回路互聯結構原理圖

傳統懸架的礦山車輛在上坡或下坡行駛時，最容易發生繞后軸或前軸的縱向翻車事故。當車輛以低速勻速爬坡時(各種阻力忽略不計)，隨著道路縱向坡度角的變大，地面對前輪的垂直作用力將減小，后輪的垂直作用反力將增大。當地面對前輪的垂直作用力為零時，此時礦山車輛最有可能發生縱向翻車。對于裝有液壓互聯系統的礦山車輛，前、后車輪通過兩條液壓管路進行連通，圖2為HIS系統液壓回路互聯結構原理圖。當車輛以低速勻速爬坡時，隨著坡度角的變大，載荷逐漸轉移到后軸。此時，后輪液壓缸的上腔和前輪液壓缸下腔體積同時變小，液體受到擠壓，使得液體流入蓄能器A，從而導致該管路內壓強升高；后輪液壓缸的下腔和前輪液壓缸上腔體積變大，使儲存在蓄能器液體被釋放通過管路流入后輪和前輪，從而導致該管路內壓強下降。由于前、后輪液壓缸上、下腔存在一定壓差，后輪液壓缸會對車身產生向上的作用力，從而減小地面對后輪垂直作用反力；而前輪液壓缸會對車身產生向下的作用力，增加地面對前輪的垂直作用反力，使得前、后輪胎力趨于均衡，進一步改善載荷分配，這是該互聯結構所具有的特性。同時，前、后輪液壓缸對車身產生的力將會形成一對抗縱向翻轉的力偶，從而減小礦山車輛發生縱向翻車的危險，也減緩車輛在直線路面緊急制動時容易引起的點頭(俯仰)效應。

圖3 液壓互聯系統實物圖

提高車輛俯仰剛度，最常見方法是增大懸架剛度，但這勢必影響車輛的平順性，這是傳統懸架無法調和的矛盾。文獻[5]和文獻[6]中表明該系統可使車輛的運動模態單獨解耦，很好地解決舒適性和穩定性這一矛盾。當前礦用車輛大多屬于重型車輛,行駛工況較差,工作環境極其惡劣。對于采用傳統懸架的車輛,在低速較好路面行駛時或者載荷較小時，可以滿足舒適性要求；但在工況較差路面上行駛時,尤其在車身質量較大時,來自路面的沖擊很大,導致車體劇烈振動,舒適性極差，此時要求有較大的懸掛剛度和動行程來迅速衰減振動能量。然而對于液壓互聯系統(實物見圖3)的車輛而言，由于液壓缸上、下腔存在壓力差和面積差，使液壓互聯系統能夠承擔部分車身動載荷，正是這一優勢可將傳統板簧懸架設計得較軟。由于液壓互聯系統具有強非線性剛度和阻尼特性，當礦山車輛在較好路面行駛時提供較小的垂向剛度，具有較好平順性；當車輛在較差路面行駛時，可以提供較大垂向剛度和阻尼來緩解路面的較大沖擊。該系統能夠根據外加激勵的不同來調整懸架特性，從而提高車輛平順性。當車輛在坑洼路面行駛時，非互聯傳統懸架很可能出現前輪受到很大載荷沖擊,此時后輪很容易出現離地騰空的情況,這樣會降低車輛的通過性和縱向穩定性；對于液壓互聯系統而言，由于前、后液壓缸互聯，此時管路中液壓油會從壓力較高的前輪油缸向后輪油缸流動,減小了前輪的垂向反力,而增加了后輪的垂向反力,使前、后輪載荷趨于均勻，有利于提高車輛的舒適性和通過性。

2 機械液壓多體動力學建模

本文中引入7自由度整車模型[20]分析車輛瞬態響應，包括簧上質量垂向、俯仰、側傾3個自由度振動和4個簧下質量垂向振動，圖4為機液耦合車輛7自由度模型。

圖4 機液耦合車輛7自由度模型

為求解整車多體動力學微分方程，引入狀態空間變量法求得車輛的瞬態響應，對機械系統和液壓系統的狀態變量進行定義。位移向量X定義為

X=[ZsθφZu1Zu2Zu3Zu4]T

(1)

(2)

式中：Zs為質心垂向位移；θ為車身俯仰角；φ為車身側傾角；Zui(i=1,2,3,4)為各輪胎垂向跳動位移。

液壓系統狀態向量Z可以表示為

(3)

式中：piT(i=1,2,3,4)分別為4支油缸的上腔壓力；piB(i=1,2,3,4)分別為4支油缸的下腔的壓力；ppA和ppA分別為蓄能器A和B的壓力；QiT(i=1,2,3,4)分別為4支油缸的上腔流量；QiB(i=1,2,3,4)分別為4支油缸的下腔流量；QA和QB分別為蓄能器A和B的液體流量。

將位移向量、速度向量和液壓系統狀態向量進行整合，可以得到機液耦合的整車系統狀態向量Y：

(4)

(5)

式中：M，C和K分別為車輛的質量、阻尼和剛度矩陣；TH和SH為液壓系統動態特性相關系數矩陣；FM和FH為外力向量；I為單位矩陣(7行和7列)。

外力向量FM和FH包含液壓系統和機械系統，可以定義為如下形式：

FM=Fm+SH2MZ

(6)

(7)

式中：Fm和Fh分別為與液壓系統和機械系統相關的外部激勵矩陣；SH2M，KZ2H和CZ2H為與機械系統和液壓耦合系統動力學相關系數矩陣。

將式(6)和式(7)代入式(5)進一步整合，可得

(8)

為了進一步求解上述方程，將采用14個方程組確定機械多剛體模型和18個方程確定液壓系統模型，運用Matlab對上述耦合方程進行編程求出數值解。

3 數值分析和結果討論

為了驗證安裝液壓互聯系統后礦山車輛的平順性，本文中建立機械-液壓耦合整車7自由度模型(表1為液壓系統參數)，通過對車輛模型施加模擬路況的激勵(包括縱向加速度和路面輸入)來獲得時域動態響應。根據上述建立的機液耦合多剛體動力學模型，對比分析原車和改裝后礦山車輛在垂向和俯仰模態運動性能。

表1 液壓系統參數

3.1 直行制動

為體現安裝液壓互聯系統后礦山車輛具有較大的俯仰剛度和制動時點頭效應明顯降低，直行制動作為一項重要測試項目來驗證上述結論?？紤]制動激勵主要體現車輛的俯仰運動模態，運用上述方法推導整車系統模擬車輛制動狀態。車輛等效縱向加速度如圖5所示，縱向加速度先增大0.6g，然后保持1.5s左右，最后突然減小到零，其外力激勵Mpitch為

(9)

式中：ms為簧載質量；h為質心高度；Iyy為車身的俯仰轉動慣量；ax為車輛縱向加速度。

圖5 制動時車輛縱向加速度

圖6為原車和安裝液壓互聯系統車輛在直行制動情況下的瞬態響應。由圖可見，安裝液壓互聯系統的車輛具有較小的俯仰角，俯仰效應明顯減小。這是因為當車輛處于俯仰模態時，安裝液壓互聯系統車輛俯仰剛度明顯增大，因此“點頭”效應明顯減弱。另外，隨著工作壓力的升高，車輛的俯仰剛度逐漸增大，俯仰角逐漸減小。液壓系統工作壓力處于2MPa時，車輛俯仰角度由原車的2.9°減至2°，減小了31%。

圖6 制動時俯仰角

3.2 三角形凸塊脈沖激勵

采用的三角形凸塊激勵如圖7所示，具體的路面激勵為

(10)

式中：Zg為隨時間t變化的路面輸入激勵;v為車速；t1為凸塊作用的起始時間；2t2為凸塊持續作用的時間；H為三角形凸塊高度；B為凸塊寬度。

圖7 三角形凸塊激勵

圖8為原車和安裝液壓互聯系統車輛的前、后輪以18km/h速度依次經過三角形凸塊時的響應。由圖可見，安裝液壓互聯系統車輛的質心加速度明顯小于原車質心加速度。當液壓系統工作壓力處于2MPa時，車輛質心加速度最大絕對值由原車的2.6g降至1.7g，降低了35%。

圖8 車速18km·h-1時質心加速度

圖9為原車和安裝液壓互聯系統車輛前、后輪以36km/h速度依次經過三角形凸塊時的響應。由圖可見，安裝液壓互聯系統車輛的質心加速度小于原車質心加速度。當液壓系統工作壓力為2MPa時，車輛加速度最大絕對值由原車的3g降至2g，降低了33%。

圖9 車速36km·h-1時質心加速度

對比圖8和圖9的結果表明，在三角形凸塊激勵下，低速行駛時安裝液壓互聯系統對改善行駛舒適性的效果比高速行駛時好。

綜合3.1和3.2兩節的結果可見，安裝液壓互聯系統后車輛的平順性和抗俯仰[21-22]能力有明顯改善。

4 實驗驗證

4.1 直行緊急制動實驗

為驗證裝有液壓互聯懸架的礦山車輛的縱向穩定性，從時域角度進行直線行駛時的緊急制動實驗，以車身俯仰角作為評價指標，因篇幅所限，本文中僅在工作壓力為2MPa情況下進行液壓互聯系統的實驗。

直行制動實驗是將第3節中縱向加速度作為測試依據，得出此工況下車輛俯仰角，結果如圖10所示。由圖可見，原車最大俯仰角接近3°，而2MPa HIS車輛最大俯仰角為2°，減小了33%。實驗結果和仿真結果基本吻合，驗證了模型的正確性，進一步表明液壓互聯懸架有助于提高車輛抗俯仰能力。

圖10 制動俯仰角

4.2 平順性實驗

為了闡明該液壓互聯系統能夠改善車輛舒適性，根據《GB/T 4970—2009汽車平順性實驗方法》[23]對礦山車輛進行隨機路面輸入和脈沖輸入平順性實驗，將車身垂直振動加速度作為評價指標。圖11為測試的數據采集系統，它包括裝有Labview采集系統的筆記本電腦、NI數據采集設備、電源箱、若干數據線和4個加速度傳感器。在實驗過程中，利用該數據采集系統獲取了車速為18和36km/h時駕駛員座椅、質心、后排座椅(左和右)的垂向加速度振動信號。

圖11 數據采集系統

圖12和圖13分別為不同速度下車輛駛過三角形凸塊時的質心加速度響應。從實驗結果可以看出，垂向振動加速度仿真值和實際脈沖實驗的測試值在峰值上基本吻合，HIS車輛的質心加速度響應明顯小于原車響應，驗證HIS車輛具有較好舒適性。由于該測點在質心處，實驗值會有某些高頻信號存在，同時實際車輛的阻尼非線性較強，使得實驗值和仿真值的趨勢部分吻合較好。從上述結果可以看出，液壓互聯懸架在高頻振動具有較大非線性阻尼特性，可能是存在管道阻尼，液壓互聯懸架阻尼如何優化設計也是后續需要深入研究的方向。

圖12 18km·h-1時質心加速度響應

圖13 36km·h-1時質心加速度響應

圖14 36km·h-1時隨機路面駕駛員座椅底板加速度響應

圖14～圖17分別為隨機路面輸入下駕駛員座椅底板、質心、左座椅底板和右座椅底板的垂向加速度響應，從上述實驗數據可以看出HIS車輛4處垂向加速度明顯小于原車垂向加速度，進一步驗證HIS車輛具有較軟的垂向剛度。圖18～圖21為駕駛員座椅底板、質心、左座椅底板和右座椅底板的垂向加速度功率譜圖，從振動能量角度分析在低頻帶，HIS車輛4處垂向振動能量峰值遠小于原車，再次驗證HIS車輛能夠改善車輛的平順性。表2為兩種實驗車輛各測點加速度均方根值實驗結果，從實驗數據可以看出HIS車輛4點加速均方根值均比原車結果明顯降低。由于礦用車輛后懸架比前懸架硬，因此左和后車廂底板的加速度均方根值稍大。根據表2的加速度均方根值數據得到，4個測點結果分別改善了40.4%，39.2%，35.8%和38.7%，表明HIS系統能夠有效改善系統平順性。

圖15 36km·h-1時隨機路面質心加速度響應

圖16 36km·h-1時隨機路面左座椅底板加速度響應

圖17 36km·h-1時隨機路面右座椅底板加速度響應

圖18 36km·h-1時隨機路面駕駛員座椅底板加速度功率譜

圖19 36km·h-1時隨機路面質心加速度功率譜

圖20 36km·h-1時隨機路面左座椅底板加速度功率譜

圖21 36km·h-1時隨機路面右座椅底板加速度功率譜

表2 36km·h-1時各測點加速度均方根值

5 結論

本文中提出了一種新型的車輛懸架系統，模型仿真和實驗結果表明，液壓互聯懸架能夠協調控制車輛垂向/俯仰耦合模態，在增加俯仰剛度的同時，保障較低的垂向剛度；然而傳統懸架如果提高車輛俯仰剛度必然需要增加懸架剛度，勢必帶來較差的乘車舒適性，這是傳統懸架無法解決的問題。更為重要的是，在此基礎上改變該液壓互聯懸架互聯的結構方式，可提高車輛的抗側傾能力、減扭和越野通過性，后續研究會得到驗證，這也是傳統懸架無法比擬的優勢。本文仿真和實驗的研究表明如下結果。

(1) 液壓互聯懸架系統在提高車輛舒適性的同時有效減小車輛的俯仰振動。

(2) 隨著工作壓力升高，液壓互聯懸架系統能明顯提高車輛的俯仰剛度。

(3) 隨著工作壓力升高，液壓互聯懸架系統會微幅增加車輛垂向剛度，但靈敏性較弱，使車輛具有較好的行駛平順性。

(4) 由于液壓阻尼的強非線性，液壓互聯懸架系統對高頻路面激勵的敏感性強于對低頻路面的激勵。

由上述分析可以看出，液壓互聯懸架系統能夠改善車輛平順性和提高車輛穩定性，可以應用于乘用車、客車和商用車等，為以后懸架的優化設計提供一種新思路和實驗依據。

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Dynamics Analysis and Experimental Study on a Mining Vehicle Fittedwith Hydraulically Interconnected Suspension

Zhang Jie1, Zhou Min1, Zhang Bangji1, Wang Lifu2& Zhang Nong1,2

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082; 2.FacultyofEngineeringandInformationTechnology,SydneyUniversityofTechnology,Sydney2007,Australia

In view of the problems of mining vehicles that stiffer leaf springs are commonly used due to heavier load, but too high a stiffness of spring may lead to the worsening of ride comfort; and because of significant load transfer to front axle in downhill braking on gallery with large slope, cracks in front axle often occur, a novel hydraulically interconnected passive suspension system matched with leaf spring is proposed for the first time in this paper. By installing four interconnected hydraulic actuators on vehicle suspensions, the system can provide desired stiffness and damping in both vertical and pitch modes respectively, and hence the original leaf spring can be designed to be softer for enhancing ride comfort. When braking on gallery the hydraulic system can provide anti-pitching moment to reduce the impact on front axle. The dynamic models for the hydraulic system and vehicle are built and the prototype of interconnected hydraulic suspension is designed, produced and installed on experimental vehicle. Both dynamics simulation on models and road tests on experimental vehicle are carried out with the results showing that simulation results well agree with test data, and the hydraulically interconnected suspension can effectively improve the ride comfort and anti-pitching ability of mining vehicles.

hydraulically interconnected suspension system; mechanical-hydraulic coupling; ride comfort; anti-pitching

*國家自然科學基金(51175157)和湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室自主研究課題(71575005)資助。

原稿收到日期為2015年4月15日。