一種井下電動防爆礦用運輸車懸架分析及優(yōu)化*

許聯(lián)航

(神東煤炭集團(tuán)技術(shù)研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

井下電動防爆礦用人員運輸車應(yīng)具有良好的操縱穩(wěn)定性和平順性，而懸架性能是直接影響整車的操縱穩(wěn)定性和平順性的重要因素[1-3]。利用Adams/Car軟件建立該車前、后懸架仿真模型，并對后懸架進(jìn)行分析，靈敏度分析采用Adams/Insight進(jìn)行，確定硬點坐標(biāo)與懸架K特性、C特性的關(guān)系，并針對硬點進(jìn)行優(yōu)化。在其輪跳中應(yīng)保證前、后輪定位參數(shù)在合理范圍內(nèi)變動，使懸架具有良好的運動學(xué)特性，從而保障車輛的操縱穩(wěn)定性、平順性，減少輪胎磨損等。

1 懸架的性能對車輛的影響

懸架運動特性主要是指車輪運動過程中，軸距、輪距、懸架彈性特性等參數(shù)隨之改變的特性[4-5]。彈性運動學(xué)是來描述輪胎和地面之間力和力矩引起的定位參數(shù)、懸架剛度等參數(shù)的變化特點，并同時考慮彈性橡膠等連接件對懸架性能的影響。構(gòu)成綜合的汽車懸架特性包括K特性與C特性，兩者缺一不可[6-7]。第一，車輛的操縱穩(wěn)定性很大程度上取決于這兩個特性，若匹配不合理，可能造成跑偏、甩尾等后果；第二，汽車的平順性也取決于這兩個特性，匹配合理，則可以提高整車的抗俯仰、側(cè)傾性能，同時減少輪胎磨損，增加輪胎壽命。

2 前后懸架仿真模型的建立與分析

2.1 懸架模型的建立

在懸架分析過程中，考慮襯套的影響，建立C模型，與實際情況接近。在車輪運動過程中，為了能更接近車輛的實際行車情況，在半載情況下，設(shè)置懸架行程跳動量為正負(fù)50 mm。左、右車輪對稱，分析左側(cè)車輪即可。

本車前懸結(jié)構(gòu)是雙橫臂螺旋彈簧獨立懸架，后懸結(jié)構(gòu)是鋼板彈簧非獨立懸架，利用動力學(xué)分析軟件Adams建立前后懸架仿真模型，建立懸架、轉(zhuǎn)向系及橫向穩(wěn)定桿子系統(tǒng)，輸入懸架硬點坐標(biāo)、部件、幾何結(jié)構(gòu)及各部件之間的運動關(guān)系，輸入包括彈性元件特性、四輪定位參數(shù)等裝配在試驗臺上，如圖1、2所示。懸架分析的工況設(shè)置見表1。

圖1 前懸架仿真模型

圖2 后懸架仿真模型

表1 平跳及反跳參數(shù)設(shè)置

前、后懸架試驗臺采用靜載半徑為322 mm，輪胎剛度為200 N/mm的子午線輪胎。由于是非獨立懸架，剛性軸結(jié)構(gòu)，后懸在進(jìn)行跳動行程模擬時，其下跳行程約在0～20 mm。

2.2 前懸架運動分析

車輛前束/輪心縱向位移：車輛前束是指車輪中心平面和地面的交線與汽車縱向中心平面之間形成的夾角，車輪的前部外轉(zhuǎn)為負(fù)值，內(nèi)轉(zhuǎn)為正值。前束是車輛重要的參數(shù)之一，隨車輪的跳動，前束會變化，車身與車輪發(fā)生相對運動、車輪受到各個方向的作用力都會造成前束變化。

前束的設(shè)計原則是車輪跳動時其變化量越小越好。整車的前束一般設(shè)計成負(fù)前束，使整車具有轉(zhuǎn)向不足特性。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時，對于負(fù)前束的車輛，左、右車輪上的載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，例如左轉(zhuǎn)時，右側(cè)車輪上跳，呈負(fù)前束變化趨勢，左側(cè)車輪下跳，車輪往里轉(zhuǎn)，呈正前束變化趨勢，轉(zhuǎn)向的程度被削弱，使整車呈現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足的特性。

對于普通乘用車，前束的變化幅度在-0.001～-0.008°/mm之間，本項目為煤礦井下人員運輸車輛，考慮井下路面沒有公路平坦以及承載要求，取大值-0.008°/mm，當(dāng)懸架跳動行程為100 mm時，前輪的轉(zhuǎn)角在0.8°左右。

從圖3、4中可以看出，左、右車輪正向同時跳動時，雖然前束角隨車輪跳動呈現(xiàn)負(fù)前束特性，但是轉(zhuǎn)角變化量太大，需要優(yōu)化；前左、右輪反向同時跳動時，能夠滿足轉(zhuǎn)向不足的特性。

圖3 平行輪跳前束角特性

圖4 反向輪跳前束角特性

車輪外傾角/輪心垂向位移：車輪的上端與車身形成的角度稱為車輪外傾角。車輪的上端向車身內(nèi)傾則外傾角為負(fù)，車輪的上端向車身外傾則外傾角為正。輪胎在汽車轉(zhuǎn)彎時會發(fā)生側(cè)偏，會在輪胎與地面的交點產(chǎn)生側(cè)向力，如果輪胎有外傾，就會產(chǎn)生外傾推力，因此汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性受到車輪外傾角的影響。

在汽車轉(zhuǎn)彎時，車輪盡量垂直于地面利于車輛穩(wěn)定，因為輪胎垂直地面會增加輪胎的接地面積，壓力均勻，增大地面附著力，提高汽車轉(zhuǎn)向能力，因此設(shè)計時，需要使外側(cè)車輪的外傾角呈減小趨勢，內(nèi)側(cè)車輪的外傾角呈增大趨勢。將整車操縱性、減少輪胎磨損進(jìn)行綜合分析，將懸架都設(shè)計為負(fù)外傾角。較合理普通乘用車的外傾角變化范圍為-0.003～-0.015°/mm之間。從圖5、6可以看出曲線趨勢大致滿足要求，但外傾角變化過大，需進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 平行輪跳外傾角特性

圖6 反向輪跳外傾角特性

輪距及軸距變化特性：車輛在不平坦的路面行駛時，車輪會適應(yīng)路面進(jìn)行跳動，此時車輪發(fā)生擺動，輪胎發(fā)生側(cè)向位移，進(jìn)而導(dǎo)致輪距發(fā)生變化。輪胎的側(cè)偏、整車側(cè)滑、行駛阻力增大都是由于輪距變化引起的。不僅導(dǎo)致輪胎磨損，而且使整車保持直線行駛的能力降低。所以在進(jìn)行車輛設(shè)計時，應(yīng)盡量減小引起輪距變化的因素，例如車輪跳動。普通乘用車輪胎跳動引起的輪距變化幅值在0.06～0.14 mm/mm范圍，當(dāng)前懸架跳動量為100 mm時，輪距變動量在6～14 mm左右。

軸距變化計算有兩種方法，一種是用同側(cè)前、后輪中心的縱向坐標(biāo)值之差，一種是用同側(cè)前、后車輪輪心的縱向位移量來計算，兩種計算結(jié)果相近。普通乘用車的輪距變化值在0.02～0.05 mm/mm范圍內(nèi)。當(dāng)懸架跳動量為100 mm時，軸距的縱向位移約為2～5 mm。

縱向力彈性運動學(xué)特性：在汽車正常行駛時，對影響直線行駛性能和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性最重要的因素是縱向力。當(dāng)踩下制動踏板制動時，如果分配給左、右車輪的制動力相差較大，在車輪中心就會產(chǎn)生橫向力矩，整車就會跑偏，沿制動力較大的方向跑偏。如果在前軸的2個車輪上分配的制動力越大，就會導(dǎo)致前束發(fā)生較大的變化，回正作用也會產(chǎn)生較大變化。考慮各種因素的影響，因汽車跑偏方向與前束角變化方向相反，削弱了直線行駛性能受到的因左右車輪制動力分配差異性所產(chǎn)生的影響。所以當(dāng)制動力增加，前束也增加。加載的縱向力為：-1 800～1 800 N。

對于普通乘用車，懸架的縱向力特性合理的范圍應(yīng)該在2×103～6×103N之間，進(jìn)而懸架縱向剛度對應(yīng)合理的范圍是170～500 N/mm之間。

圖7 同向側(cè)向力側(cè)向位移特性

側(cè)向剛度：在前軸左、右車輪上同時加同方向側(cè)向力，數(shù)值為：-1 800～1 800 N，車輛右方為正值方向。圖7為側(cè)向力與側(cè)向位移關(guān)系曲線，表示懸架的側(cè)向剛度特性，側(cè)向剛度影響側(cè)向穩(wěn)定性，因此通常側(cè)向剛度高比較好。對于普通乘用車，施加在左右車輪上的側(cè)向力特性系數(shù)在1.32×103～2.49×104mm/N范圍比較合理，相應(yīng)計算得出懸架側(cè)向剛度應(yīng)在1 000～4 000 N/mm范圍內(nèi)較為合理。而本項目的剛度為1 800 N/mm，如圖7所示，此數(shù)值在合理的范圍之內(nèi)，滿足要求。

硬點優(yōu)化：經(jīng)過以上的模擬分析得出，按照乘用車要求，只有前束角的變化不符合，所以將前束角的變化作為優(yōu)化目標(biāo)。懸架的各個硬點靈敏度排列如圖8所示。

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圖8 硬點靈敏度分析

經(jīng)過反復(fù)迭代分析，調(diào)整各個硬點的坐標(biāo)，得到優(yōu)化后的各特性曲線大致在合理范圍之內(nèi)。

2.3 后懸架運動分析

由于是非獨立懸架，前束角的變化在平跳時幾乎不會變化，故不做討論。

圖9 平行跳動左后輪外傾角特性

圖10 反向跳動左后輪外傾角特性

由圖9、10可知，在后輪上、下跳動時，后輪外傾角的變化基本呈負(fù)的變化趨勢，符合設(shè)計要求。

后輪距及軸距變化特性：后懸架為鋼板彈簧非獨立懸架，平行跳動，輪距基本不會變化，在反向跳時，兩側(cè)車輪的相互影響比較明顯，故其輪距變化較平跳時大，但在合理范圍內(nèi)，反向跳動時，后輪距變化特性如圖11所示。

圖11 反向跳動輪距變化特性

圖12 軸距變化特性

在優(yōu)化前，后軸軸距的變化范圍大概在-6～8 mm之間，如圖12所示，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對后軸距進(jìn)行靈敏度分析，進(jìn)行優(yōu)化，將軸距變化縮小至-3.5～3.5 mm范圍。

優(yōu)化后的后懸架剛度變化：在Adams軟件中，建立后懸鋼板彈簧模型，采用三段梁形式建模，采用三段梁中連接襯套的剛度來模擬鋼板彈簧的剛度。優(yōu)化后的后懸架鋼板彈簧的剛度曲線如圖13所示，平均剛度數(shù)值為120 N/mm。

3 結(jié)語

通過Adams/Car軟件建立了整車前、后懸架仿真模型，首先對模型的正確性進(jìn)行驗證，在模型正確的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了平行輪跳和反跳運動仿真，分析了前、后懸架各項參數(shù)的受輪跳的影響程度。并對懸架各個硬點進(jìn)行迭代優(yōu)化，優(yōu)化車輪定位參數(shù)，提高了該井下電動礦用人員運輸車懸架系統(tǒng)的運動學(xué)特性，使整車具備良好的操縱穩(wěn)定性和平順性。

圖13 鋼板彈簧剛度變化曲線