電控空氣懸掛剛度特性分析

謝東升， 王 璐， 汪國勝， 雷強順

(1. 73667 部隊, 江蘇 鎮江 212421； 2. 中國北方車輛研究所, 北京 100072)

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電控空氣懸掛剛度特性分析

謝東升1， 王 璐2， 汪國勝2， 雷強順2

(1. 73667 部隊, 江蘇 鎮江 212421； 2. 中國北方車輛研究所, 北京 100072)

針對某型履帶車輛用電控空氣懸掛系統(Electronically Controlled Air Suspension System，ECASS)仿求設計要求，首先采用受力三角形分析方法(Stress Triangle Method，STM)分析了電控空氣懸掛結構與受力，理論推導了懸掛的剛度特性；然后，根據車重增大空氣彈簧內徑方法對懸掛結構進行仿求分析；最后，對初步設計結果進行了評價。結果表明：基于STM的剛度特性分析方法推導過程簡單可行；懸掛負重輪支撐力曲線上凹懸掛、剛度曲線下凹，說明采用增大空氣彈簧內徑方法后得到的電控空氣懸掛特性難以滿足軍用車輛的實際減振要求。相關剛度計算方法與懸掛結構分析結果為后續的電控空氣懸掛結構優化設計奠定了技術基礎。

電控空氣懸掛； 受力三角形分析方法； 剛度特性； 結構優化

電控空氣懸掛系統(Electronically Controlled Air Suspension System，ECASS)能夠顯著吸收車輛的沖擊和振動能量,大幅減小車輛的相對運動和振動，從而顯著提高車輛的行駛平順性與操控性、武器系統射擊穩定性與乘坐舒適性。安裝ECASS后的輪式車輛或履帶車輛平臺的穩定性、越野行駛時的操控性顯著提高,其越野速度可提高2～3倍，與傳統被動懸掛系統相比，安裝ECASS具有無法比擬的性能優勢[1-5]。

鑒于ECASS的優越性能，筆者對ECASS懸掛系統進行了仿求設計。根據某型履帶車輛平臺總體參數與行動系統設計要求，在參考ECASS結構參數的基礎上，采用受力三角形分析方法(Stress Tringle Method,STM)分析電控空氣懸掛結構與受力，理論推導基于擺動缸空氣彈簧的電控空氣懸掛的剛度特性，最后對初步設計結果進行了評價，為后續的電控空氣懸掛結構優化設計奠定理論基礎。

1 懸掛結構設計

懸掛作為彈性支撐與減振部件，要求具有盡可能強的緩沖與熄振功能，以使整車具有良好的行駛平順性。圖1為電控空氣懸掛的機械結構，主要包括空氣彈簧、平衡肘和電磁致動器。其中：空氣彈簧作為彈性元件為車輛提供靜態支撐力與緩沖功能；內置減速器、電機的電磁致動器在主動工況時作為主動執行器，為懸掛提供主動控制力，在被動或半主動工況時作為減振器為懸掛提供阻尼力。

圖1 電控空氣懸掛機械機構

所設計車輛車重約30 t，根據履帶車輛行動總體設計要求可知，其后三輪承重均為24.276 kN?，F以后單輪懸掛為例，分析電控空氣懸掛的剛度特性。由于所設計車輛車重比美國槍騎兵履帶車輛大一些，并考慮到現階段國內密封水平(懸掛最大密封壓力約為40 MPa)，筆者在參考ECASS車輛懸掛系統結構及受力的基礎上，采取適當提高空氣彈簧缸徑(提高到63 mm)以提高承重能力的方法，對懸掛結構參數進行了初步設計。電控空氣懸掛結構參數及空氣彈簧內部結構相關尺寸如表1和圖1、2所示。

圖1中：坐標原點O為平衡肘在車體上的安裝支點；C為空氣彈簧在車體上的安裝支點，C點相對O點的坐標為(XC,YC)；O1點為負重輪軸在平衡肘上的安裝中心點；B為空氣彈簧在平衡肘翹耳上安裝支點，B點到平衡肘軸線上的垂足為點A；P點為過O1點的垂線與空氣彈簧軸線BC的交點；α為平衡肘中心線與水平面之間夾角；β為空氣彈簧活塞桿中心線與水平面之間的夾角；γ為OP方向與水平線夾角；δ為彈簧彈性力Fq作用于平衡肘的壓力角；ε=arctan(-YB/XB)，為OB與水平線的夾角；Lq為空氣彈簧上安裝點C與B之間距離；Ff為彈簧彈性力產生的負重輪軸的支撐力；Fp為車體通過平衡肘安裝支架施加給平衡肘的拉力。

表1 電控空氣懸掛結構參數表

圖2 空氣彈簧內部結構相關尺寸

圖2中：L3為氣缸筒上安裝軸軸線到缸筒口的距離；L4為活塞桿長度。

2 懸掛結構與受力分析

2.1 懸掛結構分析

由圖1中幾何關系，可知A、B兩點坐標分別為

(1)

(2)

則有

Lq=[(Lp+l0)2+r2+XC2+YC2-2r(XCsinα+

YCcosα)-2XC(Lp+l0)cosα+

2YC(Lp+l0)sinα]1/2,

(3)

(4)

式中：H=H0+f，為任何位置時的距地高，其中f為懸掛行程。根據懸掛動、靜行程fd、fj，履帶厚HLV和負重輪直徑D，可計算得到對應的平衡肘與水平面的夾角αd、αj。

活塞靜行程為

Sj=Lql-Lqj，

(5)

活塞動行程為

Sd=Lqj-Lqd，

(6)

氣缸筒上安裝軸軸線離缸筒口距離為

L3=Lqd-L2-S0，

(7)

活塞桿長度為

L4=L1+Lqd-Δs。

(8)

式中：Lql、Lqj、Lqd分別為靜平衡及平衡肘處于上/下極限位置時空氣彈簧上安裝點C與B之間的距離。

2.2 懸掛靜平衡時受力分析

由圖1可看出：懸掛工作時，平衡肘受彈簧彈性力Fq、負重輪軸的支撐力Ff及車體通過平衡肘安裝支架施加給平衡肘的拉力Fp共同作用。在靜平衡時，由于平衡肘受三力作用平衡，其三力必交于點P，受力三角形如圖3所示。

圖3 靜平衡時平衡肘受力示意圖

對于彈簧彈性力Fq，其作用線(缸筒軸線方向)與水平線夾角β，有

(9)

(l0cosα+rsinα)tanβ]/(Lpcosα)。

(10)

由圖3所示的受力三角形，應用正弦定理得

(11)

由此可得,靜平衡時平衡肘受力Fpj和彈簧彈性力Fqj分別為

(12)

(13)

彈簧彈性力Fq作用于平衡肘的壓力角δ為

δ=βj-ε。

(14)

2.3 空氣彈簧內部壓強

空氣彈簧和油氣彈簧目前只應用在小噸位車輛上，因其密封壓力在中型履帶車輛上應用受限，因此設計時必須在全行程內考核。靜平衡時，負重輪軸給平衡肘的支撐力Ffj為

Ffj=G1，

(15)

式中：G1為單個懸掛所支撐的懸置重量。

結合式(12)、(13)、(15)可推導得

(16)

式中：Ah=πd22/4，為活塞桿有效面積；P0=1.013×105Pa，為大氣壓強；Pj為靜平衡時氣缸內氣壓。

由式(16)可得

(17)

相對于靜平衡位置，空氣彈簧在任意位置時內部壓強P、彈簧彈性力Fq分別為

P=Pj(Vj/V)m，

(18)

Fq=(P-P0)Ah=(PjVjm/Vm-P0)Ah。

(19)

將式(19)代入式(12)，求得任意位置靜平衡條件下彈簧彈性力產生的負重輪支撐力為

Ff=Fqsin(β-γ)/cosγ=

(20)

式中：Vj與V分別為靜平衡狀態與任意位置時彈簧內部壓縮空氣體積；m=1.25,為壓縮氣體的多變指數。

圖4為初始充氣狀態下空氣彈簧內部結構相關尺寸。

圖4 初始充氣狀態下空氣彈簧內部結構相關尺寸

(21)

式中：s、sd、sj分別為任意情況下空氣彈簧活塞相對于初始充氣位置以及其動、靜行程。

根據式(18)，可計算初始充氣壓強Pl及懸掛上極限位置時彈簧壓強Pd分別為

Pl=Pj(Vj/Vl)m,
Pd=Pj(Vj/Vd)m。

(22)

根據懸掛靜平衡時及懸掛動、靜行程的要求，把表1中相關參數代入上面諸式中，計算得到與電控空氣懸掛結構參數值，見表2。

表2 計算所得電控空氣懸掛結構參數值

3 懸掛剛度特性

單輪懸掛裝置的剛度為

(23)

將式(20)、(21)代入式(23)中，并化簡可得

當k值較大時，代表車輪運動接近于穩態，即接觸斑和其他參數變化較慢；當k值較小時，代表車輪運動在非穩態，即接觸斑和其他參數變化較快。

(24)

根據圖3可知，

f=H0-H=Lp(sinα0-sinα)。

(25)

對式(25)求導可得

(26)

由圖3所示幾何關系可得

s=Lq0-Lq,

(27)

可推得

(28)

對式(3)求導得

(29)

對式(9)求導，并化簡得

rsinα]+YC[(Lp+l0)sinα-rcosα]}×

(30)

對式(10)求導，并化簡得

(31)

將式(26)、(29)-(31)代入式(24)中，可求得懸掛剛度K。根據式(24)、(25)進行數值計算，可分別得到如圖5-7所示的空氣彈簧內部壓強P、懸掛負重輪軸支撐力Ff、懸掛剛度K與懸掛行程f的關系曲線。

由圖5可知：基于原有結構參數的電控空氣懸掛滿足彈簧內壓強小于動密封壓強極限(40 MPa)要求。由圖6可知：懸掛負重輪支撐力曲線呈上凹狀，這說明在不同的懸掛行程下存在相同的懸掛受力，使得懸掛位移與受力不再一一對應[6]，這將使車姿調節困難且易發生變動。由圖7可知：懸掛行程末端懸掛剛度較小且呈下降趨勢，使得懸掛剛度曲線呈下凹狀，這表明懸掛緩沖能力較差，容易導致懸掛擊穿與脫帶。

圖5 空氣彈簧內部壓力與懸掛行程的關系曲線

圖6 懸掛負重輪軸支撐力與懸掛行程的關系曲線

圖7 懸掛剛度與懸掛行程關系曲線

結合圖5-7可以得出：通過簡單增大空氣彈簧內徑方法的初步仿求設計結果難以滿足設計樣車的實際減振要求。

4 結論

基于受力三角形的剛度分析方法推導過程簡單、可行。通過簡單增大空氣彈簧內徑方法的初步仿求設計結果難以滿足設計樣車的實際減振要求，主要表現為懸掛特性曲線不理想：懸掛負重輪支撐力曲線上凹，這將導致車姿調節困難且易發生變動；懸掛剛度曲線下凹，這表明在動行程末端懸掛緩沖能力較差，從而易發生懸掛擊穿與脫帶現象。相關剛度計算方法與分析結果為后續的電控空氣懸掛結構優化設計奠定了技術基礎。

下一步,在分析電控空氣懸掛減振特性影響因素與影響程度的基礎上，對電控空氣懸掛結構參數進行優化。

[1] BENO J H,BRESIE D A,INGRAM S K,et al. Electromechanical suspension system,final report to U.S. army tank and automotive command[R].Warren:MI,1995.

[2] WEEKS D A,BENO J H,BRESIE D A,et al.Control system for single wheel station tracked vehicle active electromagnetic suspension[C]∥Proceedings of International Congress and Exposition. Detroit,MI,U.S.：SAE Technical Paper,1997：971087.

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[5] 何鵬.主動懸掛技術的應用與發展[J].車輛與動力技術,2009,113(1):57-60.

[6] 汪國勝,雷強順,李波,等.基于雙彈簧對稱布置的剛度可調式半主動懸架設計[J].裝甲兵工程學院學報，2014,28(5):25-28.

(責任編輯: 尚菲菲)

Stiffness Characteristics of Electronically Controlled Air Suspension System

XIE Dong-sheng1, WANG Lu2, WANG Guo-sheng2, LEI Qiang-shun2

(1. Troop No. 73667 of PLA, Zhenjiang 212421, China; 2. China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

Aiming at design requirements of coping the Electronically Controlled Air Suspension System (ECASS) used in the tracked vehicle, a new analysis method named Stress Triangle Method (STM) is proposed to analyze the structure stress and the stiffness characteristics of electromagnetic suspension theoretically. Then the suspension’ structure is simulated and analyzed by increasing the internal diameter of the air spring according to the gravity of the vehicle, and the design result is evaluated at the end. The research results show that the stiffness characteristics based on STM is simple and practicable. It is found that the curve of suspension bogie-wheel characteristics is concave-up and the curve of suspension stiffness characteristics is concave-down, which demonstrate ECASS′stiffness cannot meet the requirement of vibration reduction of military vehicles. The relevant calculation method on stiffness and the analysis result of suspension structure are the technical foundation for the subsequent ECASS’ structure optimization.

Electronically Controlled Air Suspension System (ECASS); Stress Triangle Method (STM); stiffness characteristics; structure optimization

1672-1497(2017)03-0053-05

2016-11-25

軍隊科研計劃項目

謝東升(1963-)，男，高級工程師。

TJ81+0.332

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.03.010