基于剛度阻尼特性重載汽車油氣懸架性能分析

游 專，何 仁，劉文光

（1.無錫職業技術學院汽車與交通學院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013）

1 引言

油氣懸架以其良好的剛度和阻尼特性，承載能力較強而被廣泛應用于工程載重汽車領域[1]。油氣懸架通過密封在氣室內的惰性氣體發揮彈性作用，而油液起到傳遞壓力的作用。由于油氣的非線性力學特性，使得整個懸架呈現出良好的減振效果，進而整車表現出良好的平順性和舒適性。油氣懸架的剛度和阻尼特性，直接影響到整車的動力學特征。因此，對油氣懸架的剛度和阻尼特性進行分析，在此基礎上研究整車懸架性能，具有重要的應用價值。

國內外學者對此進行了一定的研究：文獻[2]采用軟件建模的方法分析了油液溶解特性對油氣懸架整體性能的影響；文獻[3]采用試驗的方法獲得油氣懸架的工作特性曲線；文獻[4]對油氣懸架的內部阻尼孔尺寸設計進行對比分析，獲取最優參數；文獻[5]分析不同參數對油氣懸架承載特性的影響規律。

根據單氣室油氣懸架的結構特點和工作特征，建立油氣懸架的物理簡化模型，基于剛體力學理論和運動力學平衡關系，建立其數學模型。分析油氣懸架的剛度和阻尼特性及其主要影響參數；在此基礎上，基于AMESim搭建某載重汽車的1∕2懸架系統模型，分析正常行駛工況和越障工況，油氣懸架對路面激勵和障礙物的響應特性；并對駕駛室的乘坐舒適性進行評價。

2 油氣懸架模型

2.1 數學模型

單氣室油氣懸架的結構，如圖1（a）所示。根據其結構特點搭建物理模型[6]，如圖1（b）所示。圖中：1—活塞桿及活塞組件；2—阻尼孔；3—單向閥；4—缸筒。

圖1 單氣室油氣懸架模型Fig.1 Model of Hydro-pneumatic Suspension

根據受力平衡[7]，則懸架活塞桿的輸出力為：

懸架缸內氣體的狀態方程為：

氣體體積V1和缸筒相對于活塞的位移x的關系為：

當不考慮阻尼時，有如下關系：

根據以上各式，則彈性力為：

對式（5）求導，油氣懸架剛度k（x）為：

根據受力特點，則I腔和II腔的壓力差為：

流經阻尼孔和單向閥的節流流量方程為：

式中：Cz、Az—阻尼孔的流量系數和過流面積；Cd、A d—單向閥的流量系數和過流面積。

流經阻尼孔和單向閥的流量與活塞相對于缸筒的速度之間的關系為：

由式（8）～式（10）得：

其中，第二項為油氣懸架節流孔產生的阻尼力，用F z(x?)表示。

2.2 仿真模型

根據油氣懸架的剛度和阻尼特性，基于AMESim搭建其仿真分析模型[8]，如圖2（a）所示。同時根據油氣懸架在車輛上安裝特點，搭建1∕4車輛的實際加載模型，如圖2（b）所示。

圖2 油氣懸架仿真模型和試驗臺Fig.2 Hydro-Pneumatic Suspension Simulation Model and Test-Bed

開始階段，Cd取0.82，整個過程中頻率比較低，時間較短，則整個過程作為等溫過程，取r=1；待系統運動達到平穩時，k取10000 bar[9]。輸出力與位移曲線試驗值與仿真值結果，如圖3（a）所示。系統穩定后氣體壓力與環形腔壓力變化，如圖3（b）所示。

圖3 結果對比分析Fig.3 Comparative Analysis of Result

圖3（a）可知，兩種分析結果的變化趨勢基本一致，壓縮階段出現差異的主要原因是模型中未充分考慮溫度變化的影響，在此階段溫度升高使得其他的壓強增大，從而出現試驗和模擬之間的偏差；在拉伸階段，系統壓力的變化主要通過阻尼孔的作用，因此二種分析結果差別較小，總體而言模擬仿真與試驗分析的結果是一致的，表明數學模型和仿真模型的準確性。圖3（b）可知，試驗數據與模擬仿真數據結果變化趨勢基本一致，二者吻合度良好。

3 1∕2車輛油氣懸架模型分析

3.1 模型建立

根據車輛懸架的結構特點[10]，首先建立1∕4分析模型，二自由度模型，如圖4所示。

圖4 二自由度振動模型Fig.4 Two degree of Freedom Vibration Model

根據圖4模型，可以建立其數學模型：

前懸掛缸滿載時長度L=1208mm，后懸掛缸滿載時長度L=900mm。前后懸掛缸參數，如表1所示。

表1 懸掛缸參數Tab.1 Suspension Cylinder Parameter

3.2 路面行駛工況

在建立仿真模型之前，必須要建立前后輪相關路面隨機輸入函數，根據相關文獻并按照D級路面建立路面激勵函數[11]：

式中：u—車速；L—軸距前懸輸入激勵后懸輸入激勵；白噪聲函數。

根據式（12）所示，獲得前后懸的路面隨機輸入信號[12]，如圖5所示，激勵白噪聲信號，如圖6所示。為了更好的研究車輛的輸出特性和舒適性，根據圖4和式（11），基于AMESim搭建1∕2車模型，其中包括車架模型和駕駛室模型，如圖7所示。

圖5 路面譜激勵Fig.5 Pavement Spectrum Excitation

圖6 激勵白噪聲Fig.6 Exciting White Noise

圖7 1∕2分析模型Fig.7 1∕2 Analysis Model

圖7所示模型中，根據式（12）產生前懸和后懸的路面隨機輸入信號（圖5所示），經過前后懸的減振后傳到車架上，同時輸入車架的也包括發動機的振動信號，最終將振動傳到駕駛室。

改變油液彈性模量取值，在不同彈性模量時，車架的位移功率譜密度，如圖8所示。

圖8 不同彈性模量時位移功率譜曲線Fig.8 Displacement Power Spectrum Curves with Different Elastic Moduli

從圖中可以得知，不同彈性模量狀態下，其振動情況隨彈性模量的增加先是減小，然后增加，在15000時振動最強。因為振動響應越大，對乘坐舒適性影響越大。

3.3 越障工況

建立在滿載下，以不同車速，通過不同障礙高度時，前后輪依次通過臺階的激勵后，車身響應及衰減狀況模型，如圖9所示。

圖9 1∕2越障模型Fig.9 1∕2 Obstacle-Crossing Model

階躍激勵分別設置為0.2m、0.3m和0.4m，車速分別設置為10km∕h、30km∕h和50km∕h，用以模擬車輛過障礙物時車架的振動響應。簧載質量對階躍激勵的響應曲線，如圖10所示。

圖10 不同工況時簧上質量響應曲線Fig.10 Mass response Curve of Spring Under Different Condition

由圖中可以得到，當車輛通過0.2m，0.3m和0.4m的階梯障礙后，簧載質量均在三個周期內衰減振動達到90%以上，滿足車輛設計時對懸架衰減振動的要求。

3.4 舒適性評價

從圖8的頻域響應曲線可以看出，其功率譜峰值在1.28Hz左右，避過了人體的共振區域，符合乘坐舒適性的要求。人體舒適程度的評價指標[13]，如表2所示。主要是通過加權加速度均方根值和加權振級進行評價。

表2 主觀感覺之間的關系Tab.2 The Relationship Between Subjective Feeling

進行評價時，先計算縱向加權均方根值：

提取駕駛室的加速度曲線，如圖11所示。

圖11 加速度曲線Fig.11 Acceleration Curve

經過計算得到：

在得到加權加速度均方根值以后，就可以根據公式：

計算得到加權振級La w=102dB。

在得到加權加速度和加權振級以后，可以根據表2對車輛的乘坐舒適性進行評價，對照表2后可以得到aw<0.315m∕s2，Law<110dB，人體的主觀感受為：沒有不舒服。

4 結論

根據油氣懸架的物理模型建立阻尼和剛度的數學模型，在此基礎上基于AMESim建立車輛的1∕2懸架模型，分析正常行駛和越障兩種工況，駕駛室的響應，并分析乘坐舒適性。結果可知：（1）油氣懸架的剛度和阻尼特性呈現明顯的非線性特征，影響剛度特性的主要因素包括：環形腔面積、工作腔面積和氣體的初始體積；而阻尼特性主要影響因素則包括：環形腔面積、阻尼孔面積和單向閥有效過流面積；（2）試驗對比表明，基于AMESim建立的仿真模型輸出特性與試驗結果基本一致，理論分析和模型分析結果可靠；（3）簧載質量在三個周期內衰減振動達到90%以上，滿足車輛設計時對懸架衰減振動的要求；路面隨機激勵的頻域響應曲線可以看出，其功率譜峰值在1.28Hz左右，避過了人體的共振區域，符合乘坐舒適性的要求；人體的主觀感受為：沒有不舒服。