鉸接式自卸車前車體側傾振動仿真分析

王長新,郭志軍,劉美蘭,王喜明,杜 干

(河南科技大學車輛與動力工程學院,河南洛陽 471003)

0 前言

隨著中國經濟建設的快速發展,鉸接式自卸車在水利水電、交通基礎建設、礦產開發等方面得到廣泛應用,中國一些廠家也開始生產這類車輛。鉸接式自卸車前車體振動系統復雜,質量小的前車體與質量大的后車體在側傾上幾乎不相互影響,加上鉸接式自卸車行駛路況惡劣,使得前車體的側傾振動明顯[1-2]。前車體側傾振動比較厲害也是實際工作中這類車輛駕駛員反映突出的問題。側傾振動不僅影響駕駛員的疲勞程度,也會影響零部件的壽命。通常車輛振動研究把車輛左右兩側的激勵視為一樣,加上普通公路車輛側傾振動不明顯,很少考慮車輛的側傾振動[3-4]。鉸接式自卸車車身結構特殊及主要在非公路條件下行駛,側傾振動較大,況且側傾角振動是所有對人體影響最大的角振動[5],所以需要對其進行研究。本文采用多體系統動力學方法對該種車輛前車體側傾振動進行分析,建立 6自由度鉸接式自卸車前車體側傾振動模型[2,6-8],對其在特殊激勵下強迫側傾振動進行分析,并討論系統參數對側傾振動的影響,為考慮側傾振動的車輛懸架和駕駛室懸置設計或改進提供理論指導。

1 模型建立

1.1 模型假設

圖1 鉸接原理示意圖

鉸接式自卸車從總體上可以視為前、后兩大車體,即主要包括前橋、前車架、發動機、變速器、液壓轉向裝置及駕駛室的前車體,以及主要包括中橋、后橋、后車架、平衡懸架、舉升系統和車廂的后車體。前車體通過擺動環,相對于后車體繞汽車行駛方向,即 x軸獨立轉動。水平面內,利用支承在鉸接點上左、右兩個轉向液壓缸推動前車體相對于后車體繞垂直方向,即 z軸方向轉動,以實現轉向功能。它的鉸接原理見圖1。

鉸接式自卸車前車體為保護動力總成,并使駕駛員獲得良好的乘坐舒適性,在車橋與車架、車架與駕駛室、駕駛室與座椅之間均設置了彈性元件,振動系統復雜。在建立如圖2的振動模型時作了以下假設:將車橋、車架和駕駛室視為剛體;各彈性元件的剛度視為位移的線性函數,而且左、右兩側的剛度相同;阻尼視為速度的線性函數,左、右兩側的阻尼也相同;輪胎的剛度也視為位移的線性函數,忽略其阻尼;路面不平度激勵僅作用在垂直方向上;車輛對稱于它的縱軸線;忽略發動機、傳動軸的振動影響;不考慮座椅的影響。

在圖2中,q1(t)、q2(t)分別為左、右車輪的路面激勵;k1、k2、kt分別為懸架剛度、駕駛室懸置剛度和輪胎剛度;c1、c2分別為懸架阻尼、駕駛室懸置阻尼;m1、m2、m3分別為非簧載質量、懸架簧載質量、駕駛室簧載質量;J1、J2、J3分別為車軸、車架、駕駛室轉動慣量;l1為輪距,l2為左、右懸架間距,l3為駕駛室左、右懸置間距;x1(t)、x2(t)、x3(t)為垂向位移;φ1(t)、φ2(t)、φ3(t)為角位移。

1.2 動力學方程

由第二類拉格朗日方程[6]可得系統的運動微分方程:

圖2 6自由度鉸接式自卸車前車體振動模型

其矩陣形式為:

2 動態響應計算及分析

分析過程中所選激勵為左、右車輪受到幅值和頻率相同、相角相差 π的諧波激勵,激勵頻率為系統側傾振動的一階固有頻率。其目的是選擇一種盡量使前車體發生側傾振動,而車輛中心不發生垂直方向振動的特殊工況,以便更有利于研究該車的側傾振動特性[9-11]。各系統參數設置變化規律見表1。

表1 各系統參數變化對改善側傾振動的效果

通過分析表1可以看出:懸架間距、懸架剛度及懸架阻尼對側傾振動影響最大,其值的優化對側傾振動的改善也最有利。由于懸架間距的改變會受車身空間結構的限制,所以懸架間距不能減小過多。懸架剛度的減小不僅使側傾振動強度減小,也會帶來響應的振動周期延長,振動頻率減小,對側傾振動減小更有利。通過增加懸架阻尼能有效抑制車輛側傾振動。駕駛室懸置剛度和阻尼對側傾振動的影響較大,可以通過改變其值以滿足側傾振動要求。隨著駕駛室懸置剛度的增大,側傾振動先大幅增大后小幅減小,可見當前 k2的值選擇并不合適。如果車輛結構空間允許,應當減小其值。因此,駕駛室懸置剛度 k2的大小需要認真選擇。輪距對側傾振動的影響也不小,但其值受到國家標準 GB1589—2004道路車輛的車身寬度最大限制要求的限制,不易變化或不能變化。駕駛室左右懸置間距 l3對側傾振動的影響較特別,在現有值基礎上適當減少 l3并沒有減少側傾振動的強度,而是增加了,再繼續減少 l3時才出現側傾振動的強度減少,并且在現有值基礎上增加 l3,側傾振動的強度減小。這說明中間有一過渡峰值。同樣駕駛室懸置間距 l3的選擇也要慎重,建議在現值基礎上適量增加。輪胎剛度及各個轉動慣量的影響最小。改變輪胎剛度 kt的值對側傾振動強度的減小沒有太明顯的影響,所以實際車輛改進可以使用原輪胎。對比各個轉動慣量對響應的影響,應盡量減小 J1,增加 J2和 J3,即是要減少非簧載質量,增加簧載質量。

3 結論

通過鉸接式自卸車前車體的 6自由度振動模型,在兩側受正反諧波激勵下的強迫振動仿真分析認為:(1)兩側懸架間距、懸架的剛度及阻尼對側傾振動的影響較大,其次是駕駛室懸置剛度、輪距、簧載質量轉動慣量、駕駛室懸置間距、駕駛室懸置阻尼,其他系統參數的影響較小。(2)通過分析發現實車的駕駛室懸置剛度 k2和駕駛室懸置間距 l3的取值不合適,當兩者的值由小變大時,側傾振動都是先大幅增大后小幅減小,所以二者的取值要綜合考慮。(3)增加簧載質量,減小非簧載質量對減小車輛側傾振動也是有利的。(4)用貢獻率概念直觀地表現了各個系統參數對側傾振動的影響。

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