自卸車油氣懸架特性仿真與平順性研究

張 迪，田晉躍

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212000)

自卸車油氣懸架特性仿真與平順性研究

張 迪，田晉躍

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212000)

以某自卸車為研究對象，提出一種單氣室油氣懸架方案，建立了考慮摩擦、沿程壓力損失、進口局部阻力損失等因素的油氣懸架非線性數學模型，得到了較為精確的彈性力和阻尼力公式。基于Simulink仿真，研究各參數對油氣懸架彈性力和阻尼力的影響，并通過脈沖路面與D級隨機路面仿真分析油氣懸架對平順性的影響。本研究為油氣懸架的設計提供了一定的參考依據。

油氣懸架；剛度；阻尼；平順性

Abstract: This research put forward a kind of single air chamber hydro-pneumatic suspension with its application to a dump truck. It established the non-linear mathematical model of hydro-pneumatic suspension considering friction, pressure loss in pipe and other factors. The accurate formulas of elastica and damping are established. Researched the influence factor to stiffness and damping characteristics of hydro-pneumatic suspension by simulink. It analyzed the hydro-pneumatic suspension effect on ride comfort by simulation of pulse road and the random road of D.The research results provide preference for the design of the hydro-pneumatic suspension．

Keywords: hydro-pneumatic suspension; stiffness; damping; ride comfort

自卸車往往由于工作路面條件差、車輛載荷大、車輪垂直方向受到較強的沖擊力等因素，導致車輛的操縱穩定性和平順性較差。油氣懸架以惰性氣體為彈性元件，利用油液的流動阻尼減振，并利用油液的不可壓縮性實現較為準確的運動和力的傳遞[1]。油氣懸架具有很好的非線性特性,可提高車輛的行駛平順性，是自卸車一種較為理想的懸架系統，研究其非線性特性對優化整車平順性具有重要意義[2]。

本文針對某自卸車提出一種單氣室油氣懸架系統方案，建立了考慮摩擦、沿程壓力損失、進口局部阻力損失等因素的油氣懸架非線性數學模型，得到了較為精確的彈性力和阻尼力公式；進而分析了主要設計參數對懸架剛度特性和阻尼特性的影響趨勢；最后對車輛進行平順性分析，在D級隨機路面激勵和三角脈沖激勵兩種典型路面下，對比分析了安裝油氣懸架的車輛和原車的平順性，研究油氣懸架在車輛平順性方面的表現。

1 單氣室油氣懸架結構及工作原理

單氣室油氣懸架結構如圖1所示，由懸架缸和蓄能器組成，懸架缸又包括活塞、缸筒、阻尼孔、常通節流孔和單向閥[3]。

圖1 單氣室油氣懸架結構

在壓縮行程中，活塞相對主油室向上移動，主油室內的油液受到壓力后，通過單向閥和阻尼孔進入副油室。副油室的油液一部分通過常通節流孔進入無桿環形腔，另一部分通過油管進入蓄能器。蓄能器內的惰性氣體受到壓縮，產生氣體彈性力。復原行程中，活塞相對主油室向下移動。一方面，蓄能器內的氮氣膨脹將油液壓入副油室；另一方面，無桿環形腔體積減小，油液通過常通節流孔進入副油室。當副油室的油液進入主油室時，單向閥關閉，副油室內的油液只能通過阻尼孔流入主油室，此時阻尼力較大，可以迅速衰減振動。

2 油氣懸架非線性數學模型

建立非線性數學模型時做如下假設：

1) 液壓油以及各部件的質量忽略不計；

2) 油氣懸架密封良好，不存在油液泄漏；

3) 忽略因油液的壓縮造成的誤差；

4) 不考慮氣體在油液中的溶解效應；

5) 不計壓力變化引起的系統剛性構件的彈性變形。

以油氣懸架滿載時的平衡位置為原點，規定活塞向下的位移為正，即復原行程位移方向為正，速度方向規定與位移相同。對活塞進行受力分析，則活塞作用力F可表示為：

F=P2A2+P3(A1-A2)-P1A1+

(1)

其中：P1、P2為主、副油室油壓(Pa)；A1、A2為主、副油室橫截面積(m2)；P3為環形腔油壓(Pa)；Fd為活塞與缸套之間的滑動摩擦力(N)；x為活塞與缸套之間的相對位移(m)。

2.1 油氣懸架氣體彈性力模型

當壓力和溫度的變化范圍較大時，應用實際氣體狀態方程來建立蓄能器的數學模型[4]。本文選取R-K方程來描述蓄能器內氣體狀態變化，表達式如下[2]：

(2)

其中：a、b均為氣體種類有關常數(Pa·m6·K1/2/mol2)；v為氣體摩爾體積(m3/mol)；R為通用氣體常數(296.8 J/kg.K)；T為實際氣體絕對溫度(K)。

根據式(2)得到蓄能器內氣體壓力表達式：

(3)

2.2 油氣懸架油液阻尼力模型

依據達朗伯原理，分別計算不同影響因素產生的阻尼力。

1) 阻尼孔和單向閥的阻尼力

該油氣懸架阻尼孔、單向閥以及常通節流孔0.5

(4)

其中：CQ為流量系數；AZ為阻尼孔過流面積(m2)；AD為單向閥過流面積(m2)；ρ為油液密度(kg/m3)。

(5)

其中AJ為常通節流孔過流面積。

2) 活塞與油缸摩擦產生的阻尼力

由文獻[6]得到活塞與油缸摩擦力表達式：

(6)

3) 壓力損失造成的阻尼力

沿程壓力損失阻尼力為

(7)

局部壓力損失阻尼力為

(8)

由式(4)～(8)得到總的阻尼力為

(9)

3 油氣懸架非線性特性仿真

3.1 剛度特性仿真分析

圖2為油氣懸架剛度特性曲線，可以看出：油氣懸架的剛度隨著活塞與缸筒的相對位移變化而變化，且動剛度的變化幅度比靜剛度大。因此，油氣懸架具有明顯的變剛度特性。當車輛行駛在良好路面上時，懸架的動行程在較小范圍內，油氣懸架剛度隨著動行程的增加而緩慢增加，有利于改善車輛的操縱穩定性；當車輛行駛的路況較差時，懸架的動行程較大，油氣懸架剛度隨著動行程的增大而快速增大，保證了車輛具有良好的緩和沖擊能力，同時能大大地減小車輛在惡劣路面上行駛時懸架被擊穿的概率[7]。圖3～5分別為初始充氣壓力、初始充氣體積、活塞腔直徑對剛度的影響。

圖2 油氣懸架剛度特性曲線

圖3 初始充氣壓力對剛度的影響

圖4 初始充氣體積對剛度的影響

圖5 活塞腔直徑對剛度的影響

綜合以上仿真結果，可得到各影響因素對油氣懸架剛度的影響趨勢，見表1。

表1 各影響因素對油氣懸架剛度的影響趨勢

3.2 阻尼特性仿真分析

圖6為油氣懸架阻尼特性曲線，它表明油氣懸架具有非線性阻尼特性。圖6(a)曲線在復原行程和壓縮行程方面呈現明顯的不對稱性，復原行程最大阻尼力約為壓縮行程最大阻尼力的3倍。這表明：在壓縮行程，懸架阻尼較小，懸架主要充當彈性元件來減小來自路面的沖擊；在復原行程，懸架具有較大的阻尼，主要充當阻尼元件，衰減振動。圖6(b)曲線表明：隨著活塞與缸筒相對運動速度的增大，油氣懸架的阻尼力呈非線性增長。圖7～10分別為活塞腔直徑、油缸內徑、阻尼孔徑、單向閥過流面積對阻尼特性的影響。

圖6 油氣懸架阻尼特性曲線

圖7 活塞腔直徑對阻尼特性的影響

圖8 油缸內徑對阻尼特性的影響

圖9 阻尼孔徑對阻尼特性的影響

圖10 單向閥過流面積對阻尼特性的影響

綜合以上仿真結果，可得到各影響因素對油氣懸架阻尼特性的影響趨勢，見表2。

表2 各影響因素對油氣懸架阻尼特性的影響趨勢

4 油氣懸架與原車平順性對比分析

4.1 6自由度車輛振動模型

本文建立了包括座椅在內的6自由度車輛振動模型研究油氣懸架車輛的平順性。為方便研究，對所建模型作如下假設：

1) 車身、車架、駕駛室和座椅的剛度遠大于懸架及駕駛室懸置的剛度，假設為剛體。

2) 車輛勻速直線行駛，輪胎與地面保持接觸，無跳起；

3) 忽略輪胎的阻尼作用，只考慮其剛度的影響；

4) 忽略發動機、傳動系等系統振動的影響；

5) 主要研究車輛在隨機路面直線行駛時的振動特性，故只考慮車身和駕駛室的垂直振動和俯仰運動，忽略其側傾運動與橫擺運動。

所建立的6自由度車輛振動物理模型如圖11所示。

圖11 6自由度車輛振動物理模型

根據牛頓第二定律，得到系統的運動微分方程：

(10)

其中：Xf=Z1f-Z2+φ·a

Xm=Z1m-Z2-φ·b

Xr=Z1r-Z2-φ·c

4.2 三角脈沖路面激勵仿真

自卸車輛行駛工況復雜，經常會遇到路面上的凸起障礙物。使用凸塊脈沖輸入，可以很好地模擬路面上的凸起障礙物，檢驗路面脈沖激勵下車輛的行駛平順性。三角形凸塊頻率成分豐富，能激起車輛較強的振動，實際路面的許多障礙物都可以簡化為三角形凸塊。參考標準《GB/T5902—86汽車平順性脈沖輸入試驗方法》，采用三角脈沖作為路面激勵[8-15]。三角形凸塊的截面積尺寸具體：底邊長為400 mm、高為80 mm，如圖12所示。

仿真主要模擬車輛在路面上經過障礙物時，整車的振動振幅大小，以及振動頻率和振動衰減情況，評價整車的平順性。仿真車速選取30 km/h，車輛經過障礙，得到座椅的垂向加速度響應與車身俯仰角加速度響應。仿真結果如圖13～14所示，其中紅色曲線為裝有油氣懸架車輛響應曲線，藍色曲線為原車響應曲線。

通過圖13～14可以看出：裝有油氣懸架車輛座椅的垂向加速度峰值由9.56 m/s2降低到6.05 m/s2，下降了36.7%；車身俯仰角加速度峰值由5.33 m/s2降低到3.12 m/s2，下降了41.4%。因此，裝有油氣懸架的車輛在通過障礙物時具有更好的平順性表現。另一方面，車身穩定時間較原車更短，說明相對于傳統懸架，油氣懸架系統具有更好的減振性能。

圖13 脈沖路面激勵座椅垂向加速度變化

圖14 脈沖路面激勵車身俯仰角加速度變化

4.3 D級路面激勵仿真

自卸車工作路面往往為沙石路面等，故選取D級路面作為路面輸入。建立D級隨機路面模型，如圖15所示。

圖15 D級隨機路面Simulink仿真模型

本仿真以選定的仿真車速30 km/h勻速直線行駛，在D級隨機路面、滿載工況下，仿真分析裝有油氣懸架的車輛與原車傳統懸架，得到相應的座椅垂向加速度、車身俯仰角加速度、車輪動載荷、懸架動撓度響應。同樣，紅色曲線為裝有油氣懸架車輛響應曲線，藍色曲線為原車響應曲線。仿真結果見圖16～19。

圖16 座椅垂向加速度變化

圖17 車身俯仰角加速度變化

圖18 車輪動載荷變化

圖19 懸架動撓度變化

由圖16～19可以看出：與原車相比，油氣懸架車輛車身垂向加速度響應及縱傾角加速度響應改善明顯，說明油氣懸架不僅能改善車輛的垂向振動，還能提高車輛的抗縱傾性能。其次，在車輪動載方面，油氣懸架車輛響應值與原車比較接近。在懸架動撓度方面，油氣懸架的動撓度相比原車的稍小，即油氣懸架撞擊限位塊的概率要低一些。這是由于油氣懸架在壓縮行程，其剛度是逐漸增大的；而在復原行程，油氣懸架動撓度峰值稍微大一些，這是油氣懸架變剛度導致的。

5 結束語

以某自卸車為研究對象，提出一種單氣室油氣懸架方案，建立了考慮摩擦、沿程壓力損失、進口局部阻力損失等因素的油氣懸架非線性數學模型，得到了較為精確的彈性力和阻尼力公式，研究了各參數對油氣懸架彈性力和阻尼力的影響。

通過平順性仿真結果可以看出：在座椅垂向振動和車輛的抗縱傾性能方面，油氣懸架明顯優于原車；在車輪動載方面，油氣懸架車輛響應值與原車比較接近；在懸架動撓度方面，油氣懸架的動撓度要比原車的稍小。這說明油氣懸架的非線性特性對于車輛的平順性改善效果比較明顯。

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(責任編輯楊黎麗)

ResearchontheCharacteristicsandRideComfortofDumpTruck’sHydro-PneumaticSuspension

ZHANG Di, TIAN Jinyue

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China)

2016-04-09

江蘇省第四期“333工程”科研資助項目(BRA2013217)

張迪(1991—)，男，碩士研究生，主要從事車輛動力學研究，E-mail：jijingyoufeng@163.com。

張迪，田晉躍.自卸車油氣懸架特性仿真與平順性研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(9):45-52.

formatZHANG Di, TIAN Jinyue.Research on the Characteristics and Ride Comfort of Dump Truck’s Hydro-Pneumatic Suspension[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):45-52.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.007

U463.4

A

1674-8425(2017)09-0045-08