工程車輛雙橋油氣懸架性能對(duì)比仿真分析

李魁，張洪，蔡言龍

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原030024)

油氣懸架是全地面起重機(jī)底盤的關(guān)鍵裝置，也是實(shí)現(xiàn)多橋車輛底盤的必備條件，是發(fā)展現(xiàn)代特種車輛及大型車輛的關(guān)鍵技術(shù)之一。工程車輛的油氣懸架系統(tǒng)油路連接方式分為并聯(lián)式和獨(dú)立式［1］。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)雙橋油氣懸架的研究成果和論文較少。作者以某6 橋全路面起重機(jī)的油氣懸架系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立雙橋油氣懸架的7 自由度數(shù)學(xué)模型，并基于AMESim仿真軟件分別建立并聯(lián)式和獨(dú)立式雙橋油氣懸架仿真模型，通過對(duì)比分析了兩種懸架系統(tǒng)的壓力、輪胎動(dòng)載荷、垂直加速度等參數(shù)的最大值，得到兩種懸架系統(tǒng)的性能特征，為多軸工程車輛油氣懸架的研究及應(yīng)用提供有效的參考。

1 雙橋油氣懸架液壓原理

圖1 為全路面起重機(jī)并聯(lián)式雙橋油氣懸架組的液壓系統(tǒng)油路圖。如圖1 所示［2］，此振動(dòng)模型包括車身、液壓軟管、4 個(gè)液壓油缸、4 個(gè)阻尼孔、4 個(gè)單向閥、2 個(gè)蓄能器、4 個(gè)非懸掛質(zhì)量塊以及4 個(gè)輪胎簡(jiǎn)化模型等。

圖1 并聯(lián)式油氣懸架的液壓系統(tǒng)油路圖

圖中，液壓油缸、液壓軟管、單向閥以及阻尼孔構(gòu)成懸架油缸，另外把車輪簡(jiǎn)化成阻尼和彈簧，其質(zhì)量歸于非懸掛質(zhì)量塊。其連接方式為: 1 橋(2 橋)的兩個(gè)懸架液壓缸的有桿腔之間和無桿腔之間分別相連，兩個(gè)懸架液壓缸的無桿腔通過鎖緊閥與蓄能器相連，且該蓄能器還通過液壓管道與2 橋(1 橋) 的兩個(gè)懸架液壓缸的有桿腔相連，懸架液壓缸的無桿腔還分別通過回油閥、進(jìn)油閥與液壓系統(tǒng)的回油口、進(jìn)油口相通，懸架液壓缸的有桿腔與2 橋(1 橋) 的蓄能器相連。當(dāng)進(jìn)油閥接通，可以實(shí)現(xiàn)車架整體升高; 當(dāng)回油閥接通，可以實(shí)現(xiàn)車架整體降低; 當(dāng)鎖緊閥斷開，懸架系統(tǒng)處于剛性閉鎖狀態(tài); 當(dāng)鎖緊閥接通，懸架系統(tǒng)處于彈性負(fù)載狀態(tài)。

圖2 為獨(dú)立式油氣懸架液壓系統(tǒng)油路圖，該模型具有4 個(gè)蓄能器(并聯(lián)式油氣懸架組具有2 個(gè)) ，且該模型的1 橋和2 橋之間的油氣懸架系統(tǒng)是獨(dú)立的，沒有通過液壓油管連接。

圖2 獨(dú)立式油氣懸架液壓系統(tǒng)油路圖

2 雙橋油氣懸架數(shù)學(xué)模型的建立

油氣懸架系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在實(shí)際工作過程中不確定性因素較多，為建立其數(shù)學(xué)模型，需要將懸架系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，如果完全按照實(shí)際情況建立其數(shù)學(xué)模型，會(huì)為研究帶來不必要的工作量，增加研究的難度，影響研究的后續(xù)進(jìn)展。文中對(duì)其做下述簡(jiǎn)化［3－7］:

(1) 忽略活塞和缸筒相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦;

(2) 假設(shè)油氣懸架內(nèi)的油液不能被壓縮，且其特性不受外部條件的影響;

(3) 假設(shè)蓄能器中的氮?dú)夂屯饨缃^對(duì)絕緣，即氣體的相關(guān)參數(shù)不受外界環(huán)境因素的影響;

(4) 假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)在工作過程中不存在泄漏問題;

(5) 假設(shè)車架為剛性體。

建立如圖3 所示的雙橋油氣懸架的振動(dòng)模型。該模型具有7 自由度，可以反映車身質(zhì)心的垂直、側(cè)傾、俯仰運(yùn)動(dòng)，還有4 個(gè)非懸架的垂直位移運(yùn)動(dòng)。

圖3 雙橋油氣懸架組的數(shù)學(xué)模型

圖3 中，m 表示車身的質(zhì)量(kg) ; Ⅰ、J 分別表示車架的側(cè)傾、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2) ; X 表示質(zhì)心處垂直位移(m) ; θ、φ 表示車架的側(cè)傾角、俯仰角(rad) ; L1、L2表示左右兩側(cè)液壓缸上鉸接點(diǎn)到質(zhì)心的水平距離(m) ; R1、R2表示質(zhì)心到1、2 橋的水平距離(m) ; A、a 表示液壓缸大腔、小腔的橫截面積(m2) ; pa1～pa4表示4 個(gè)油缸小腔的壓力(Pa) ;pA1～pA4表示4 個(gè)油缸大腔的壓力(Pa) ; m1～m4表示4 個(gè)非懸掛質(zhì)量(kg) ; X1～X4表示4 個(gè)輪胎受到的位移信號(hào)(m) ; X5～X8表示4 個(gè)非懸掛的垂直方向的位移 (m) ; Ct、Kt表示輪胎的等效阻尼(N·s/m) 與等效剛度(N/m) 。

根據(jù)圖3 所示的簡(jiǎn)化的振動(dòng)模型，推導(dǎo)其振動(dòng)微分方程:

由式(1) — (7) 可以得到4 個(gè)液壓缸上鉸接處點(diǎn)的垂直速度及垂直位移，如果車架的側(cè)傾角與俯仰角都比較小，則垂直速度與垂直位移表示為:

x1～x4為給4 個(gè)液壓缸活塞桿的位移(m) 。

3 并聯(lián)式雙橋油氣懸架的仿真模型的建立

為研究上述模型的振動(dòng)規(guī)律及特性，由圖3 和式(1) — (9) ，運(yùn)用AMESim 軟件，建立圖4 所示仿真模型。該模型包括1 個(gè)車身單元(CARBODY) 、4個(gè)液壓缸單元、2 個(gè)蓄能器模塊(HA000) 、4 個(gè)阻尼孔模塊(OR000) 、4 個(gè)單向閥模塊(CV000) 、4 個(gè)非懸掛質(zhì)量模塊 (MAS002) 、4 個(gè)剛度－ 阻尼單元(SD0000A) 、1 個(gè)普通液壓特性元件(FP04) 、4 個(gè)位移信號(hào)發(fā)生器(UD00) 以及液壓管(HL01) 。

圖4 并聯(lián)式油氣懸架的仿真模型

(1) 車身單元。這個(gè)模塊是超級(jí)元件，主要利用公式(1) — (9) 并利用AMESim Signal ＆ Control庫(kù)中的各個(gè)元件建立，包括積分器元件(INTO) 、信號(hào)復(fù)制模塊 (DYNDUP2) 、恒定信號(hào)源 (CONS0) 、信號(hào)變量－機(jī)械變量轉(zhuǎn)換元件(FVXSG1) 以及基本的算術(shù)運(yùn)算元件等。在各個(gè)模塊建立過程中，各個(gè)懸架油缸為車身單元輸入力(F) 信號(hào)，車身單元為懸架油缸反饋位移(X) 和速度(v) 信號(hào)，其反饋信號(hào)按照式(8) 和式(9) 進(jìn)行計(jì)算得出。

(2) 油氣懸架。每個(gè)懸架液壓缸分別由兩個(gè)BR Pl8 和BHCll 子模塊構(gòu)成，蓄能器選用HA000 子模型，阻尼孔和單向閥分別選用OR000 和CV000 子模型，液壓油管選用HL01 子模型。

(3) 其他部件。剛度－阻尼單元(輪胎) 的數(shù)學(xué)模型為SD0000A，非懸掛質(zhì)量塊的數(shù)學(xué)模型為MAS002，路面發(fā)生器的子模型為UD00，需要對(duì)輪胎的阻尼和剛度、非懸掛質(zhì)量、路面激勵(lì)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以得到輪胎動(dòng)載荷等變量。

4 獨(dú)立式雙橋油氣懸架仿真模型的建立

為了對(duì)比分析并聯(lián)式與獨(dú)立式油氣懸架各方面的性能差異，建立了獨(dú)立式雙橋油氣懸架的AMESim 仿真模型，見圖5。獨(dú)立式油氣懸架的建立方法和過程和并聯(lián)式油氣懸架相類似，分別建立車身單元、油氣懸架和其他部件，該模型與并聯(lián)式油氣懸架模型主要區(qū)別在于: 該模型具有4 個(gè)蓄能器(并聯(lián)式油氣懸架具有2 個(gè)) ，且該模型的1 橋和2 橋之間的油氣懸架系統(tǒng)是獨(dú)立的，沒有通過液壓油管連接。

圖5 獨(dú)立式油氣懸架的仿真模型

并聯(lián)式懸架系統(tǒng)的仿真主要參數(shù)如表1 所示。由于獨(dú)立式懸架系統(tǒng)有4 個(gè)蓄能器，獨(dú)立式懸架系統(tǒng)將每個(gè)蓄能器的初始體積V0設(shè)置為2 L，其他參數(shù)與雙橋油氣懸架組一致，按照表1 進(jìn)行設(shè)置。

表1 系統(tǒng)主要仿真參數(shù)

5 并聯(lián)式和獨(dú)立式油氣懸架仿真結(jié)果對(duì)比分析

在AMESim 軟件中，為兩種油氣懸架系統(tǒng)的同一個(gè)車輪添加一個(gè)如圖6 所示的位移激勵(lì)，其幅值取0.04 m、時(shí)間為0.4 s，設(shè)定合理的仿真時(shí)間和步長(zhǎng)進(jìn)行仿真。輸出兩種懸架系統(tǒng)的壓力對(duì)比曲線、輪胎動(dòng)載荷對(duì)比曲線、車身質(zhì)心垂直加速度對(duì)比曲線，如圖7—9 所示，其中，M 為并聯(lián)式雙橋油氣懸架的仿真曲線，N 為獨(dú)立式雙橋油氣懸架的仿真曲線。

圖6 路面位移激勵(lì)時(shí)域曲線

圖7 兩種懸架系統(tǒng)的壓力對(duì)比曲線

圖8 兩種懸架系的輪胎動(dòng)載荷對(duì)比曲線

圖9 兩種懸架系的垂直加速度對(duì)比曲線

分析仿真曲線，可得如下分析結(jié)果:

(1) 見圖7，在相同的路面激勵(lì)下，兩種懸架系統(tǒng)內(nèi)的壓力值在仿真時(shí)間的前0.6 s 內(nèi)變化規(guī)律差別較大; 在t=0.6 s 以后，曲線波峰差別很小，但波動(dòng)規(guī)律有一定的滯后性，并聯(lián)式懸架系統(tǒng)的壓力的最大值要比獨(dú)立式小，并聯(lián)式懸架系統(tǒng)相對(duì)于獨(dú)立式懸架系統(tǒng)可以減少液壓沖擊對(duì)液壓管道的破壞，降低液壓油管斷裂發(fā)生的可能性。

(2) 見圖8，在相同的路面激勵(lì)下，兩種懸架系統(tǒng)的輪胎動(dòng)載荷曲線在仿真時(shí)間的前0.8 s 內(nèi)變化規(guī)律差別較大; 在t=0.8 s 以后，曲線振動(dòng)規(guī)律基本相同; 特別是在1.2 s 以后輪胎動(dòng)載荷曲線幾乎重合，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，振幅差越來越小。并聯(lián)式懸架的輪胎動(dòng)載荷的最大值比獨(dú)立式懸架小，說明并聯(lián)懸架系統(tǒng)對(duì)路面和輪胎沖擊力更小，減少對(duì)路面和輪胎的破壞，道路友好性更好。

(3) 見圖9，在相同的路面激勵(lì)下，兩種懸架系統(tǒng)的輪胎垂直加速度曲線的最大值出現(xiàn)在1 s 內(nèi)，兩種懸架系統(tǒng)的垂直加速度在整個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)規(guī)律相同，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，振幅差越來越小。且并聯(lián)雙橋懸架組的垂直加速度最大值要比獨(dú)立雙橋懸架小，使車輛獲得更好的阻尼減震效果和良好的平順性，乘坐舒適性也較獨(dú)立式懸架系統(tǒng)更好。

從圖7—9 中可以看出: 并聯(lián)式懸架各項(xiàng)的最大值要比獨(dú)立式懸架小(具體數(shù)據(jù)可見表2) ，并聯(lián)式油氣懸架組系統(tǒng)壓力、輪胎動(dòng)載荷、垂直加速度的最大值分別降低5.5%、5.1%和17.6%，并聯(lián)式油氣懸架組系統(tǒng)壓力、輪胎動(dòng)載荷、垂直加速度曲線震蕩幅度較小，說明并聯(lián)式懸架的性能要優(yōu)于獨(dú)立式懸架。

表2 兩種懸架系統(tǒng)最大值數(shù)據(jù)對(duì)比

6 結(jié)論

首先確立了雙橋油氣懸架的7 自由度簡(jiǎn)化振動(dòng)模型，然后在AMESim 軟件環(huán)境中，分析并聯(lián)式油氣懸架和獨(dú)立式油氣懸架模型主要區(qū)別，并基于AMESim仿真軟件建立并聯(lián)式和獨(dú)立式油氣懸架仿真模型。對(duì)兩種油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，通過對(duì)比兩種懸架系統(tǒng)的壓力、輪胎動(dòng)載荷、垂直加速度等參數(shù)的最大值，得出并聯(lián)式懸架的性能指標(biāo)要優(yōu)于獨(dú)立式懸架，為多橋油氣懸架系統(tǒng)的進(jìn)一步研究及設(shè)計(jì)方面做了鋪墊。

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