七橋混合耦連油氣懸架車輛仿真與試驗

田文朋 易小剛 郭 磊 郭雁軍

1.長安大學公路養護裝備國家工程實驗室，西安，710061 2.三一石油智能裝備有限公司，北京，102202

0 引言

多橋車輛要求多橋懸架之間互相協作、動態配合，因此多橋車輛目前越來越多地采用性能優良的油氣懸架系統。油氣懸架可有效緩沖外界沖擊，快速衰減車輛振動，將多橋間的油氣懸架通過油液管路按照一定方式進行耦連，可進一步提高車輛的平順性和穩定性，并減小車身所受的扭矩，延長車輛的使用壽命。

國內外關于耦連式油氣懸架的車輛振動研究較多。蔡炎龍等［1］、王增全等［2］對單橋連通式油氣懸架進行了建模仿真和試驗研究，分析了懸架參數對懸架系統及整車的振動特性的影響；CAO等［3-5］研究了連通式油氣懸架的非線性特性和車輛的抗俯仰與側傾能力；郭孔輝等［6］研究了雙軸車輛的后軸油氣懸架連通對車輛平順性和操縱穩定性的影響。關于多橋車輛油氣懸架的研究也有很多。YANG等［7］研究了油氣平衡懸架多軸車輛的平順性；林國問等［8］仿真分析了基于1/4車模型的多軸連通式和獨立式油氣懸架對某型導彈發射車的振動性能的影響。以上關于耦連油氣懸架的研究主要為同軸或同側的油氣懸架單獨耦連特性的相關研究。考慮綜合以上兩種耦連方式的優點，本文將七橋車輛的油氣懸架進行混合耦連，建立整車聯合仿真模型，并利用實際道路試驗驗證仿真模型的正確性，最后借助仿真模型分析了油氣懸架特性參數對車輛振動特性的影響。

1 油氣懸架耦連原理及整車模型

1.1 油氣懸架系統耦連原理

圖1為本文所研究的七橋車輛的油氣懸架系統完整的液壓原理圖。原理圖中前后主閥塊上安裝有多種液壓閥，這些液壓閥只是起到油路通斷、溢流保護等作用，在油氣懸架系統正常工況下，主閥塊與懸架系統連接口全部切斷，7個車橋可分為前后兩個相互獨立的部分。圖1中，上下兩條實線表示的為進出油路，在某些特殊的工況下（例如提高車身高度），通過控制主閥塊的通斷實現油氣懸架系統的充放油，正常工作時可不予考慮。

圖1 七橋混合耦連油氣懸架液壓原理圖Fig.1 Hydraulic schematic diagram of seven spindled hybrid coupled hydro-pneumatic suspension

油氣懸架系統被分成前后兩個部分，前三橋懸架左側油缸連通的有桿腔與右側連通的無桿腔耦連，左側油缸連通的無桿腔與右側連通的有桿腔耦連；后四橋懸架左側油缸連通的有桿腔與右側連通的無桿腔耦連，左側油缸連通的無桿腔與右側連通的有桿腔耦連。將以上這種連通形式稱作混合耦連。蓄能器油路上的阻尼孔和單向閥配合實現不同行程的不同阻尼特性，壓力表和壓力傳感器用來監測系統壓力，開關閥只起到油路通斷的作用，在本文研究的工況下，開關閥全部處于接通的狀態，可忽略。混合耦連形式的油氣懸架可以提高整車的側傾剛度及俯仰剛度，實現多橋車輛的載荷均勻分配。

1.2 七橋車輛整車結構模型

將某公司七橋混合耦連式油氣懸架車輛進行必要簡化，只保留與整車振動特性相關的主要部分，忽略次要因素，具體結構模型如圖2所示。整車模型主要由車身、懸架油缸、蓄能器、單向閥、阻尼孔、管路和車輪組成，輪胎等效成彈簧和阻尼系統。懸架油缸分別固定在車架和車輪上，承載車身質量并緩解車身或車輪振動，在車輛行駛過程中，路面對車輪的沖擊造成油缸拉伸或壓縮，油液往復地通過阻尼元件使車輛振動能量衰減，蓄能器作為剛度元件，通過充放油來減小車輛振動沖擊。油氣懸架的剛度和阻尼特性相互配合，可有效降低車身振動，緩解路面沖擊。

圖2 七橋混合耦連油氣懸架車輛模型Fig.2 Model of seven axle hybrid coupled hydro pneumatic suspension vehicle

2 整車聯合仿真建模

本文所研究的七橋車輛是一個復雜的車輛系統，涉及較多的零部件，通過求解數學模型或單一軟件仿真均難以獲得其有效的振動特性，需根據各系統特點，選擇較適應的仿真軟件，在動力學分析的基礎上，進行整車的聯合仿真。

2.1 十七自由度整車動力學模型

為了能夠準確地反映車輛的振動情況，本文選取整車17個自由度進行動力學分析。17個自由度分別為：車身垂向振動 z；側傾角 β；俯仰角θ；左側第一橋至第七橋車輪懸架油缸垂向位移ZL1，ZL2，…，ZL7；右側第一橋至第七橋車輪懸架油缸垂向位移 ZR1，ZR2，…，ZR7。根據 1.1節的原理分析，整個油氣懸架系統被分成前后兩個相互獨立部分，為簡化路面模型的復雜性，距離較近的車輪采用同一種路面激勵。考慮四個部分的路面隨機激勵：q1為前三橋左側車輪的路面激勵；q2為后四橋左側車輪的路面激勵；q3為前三橋右側車輪的路面激勵；q4為后四橋右側車輪的路面激勵。

取靜平衡位置作為系統原點，根據運動力學定律，得到整車動力學微分方程如下：

式中，M 為車身質量，kg；ν為車輛行駛的速度；JX為車身俯仰轉動慣量，kg·m2；JY為車身側傾轉動慣量，kg·m2；L1，L2，…，L7為各個車橋到車身質心的距離，m；d 為兩側懸架油缸支撐處到車身質心的距離，m；hθ、hβ分別為簧載質心到俯仰中心、側傾中心的高度；ML1，ML2，…，ML7為 7個車橋左側的非簧載質量，kg；MR1，MR2，…，MR7為7個車橋右側的非簧載質量，kg；k為車輪等效剛度；c為車輪等效阻尼；SY為懸架油缸有桿腔有效作用面積；SW為懸架油缸無桿腔有效作用面積；pYRi、pWRi分別為右側第i個懸架油缸有桿腔和無桿腔壓力；pYLi、pWLi分別為左側第i個懸架油缸有桿腔和無桿腔壓力。

2.2 聯合仿真模型

油氣懸架系統主要包含油缸、蓄能器、卸荷閥、開關閥、節流孔、管路、液壓油，考慮油液的壓縮性、管路的沿程阻尼以及元件的內泄漏等因素，為了使得仿真結果盡可能接近事實，采用專業液壓系統建模仿真平臺AMEsim進行仿真分析，該平臺充分考慮液壓系統特性，利用其提供的各種物理庫中的元件搭建系統，然后配置所需參數即可仿真分析。

采用以Simulink仿真平臺為主的聯合仿真方式，將懸架系統的AMESim仿真模型，經過編譯后生成Simulink可以直接調用的S-Function模塊，根據油氣懸架的耦連原理和整車動力學模型，建如圖3所示的基于Simulink/AMESim的整車聯合仿真模型。

3 路面時域模型

路面激勵作為汽車的主要振源輸入，是整車性能仿真中必不可少的環節，路面時域模擬是汽車性能仿真分析的前提，本文采用物理意義明確的濾波整形白噪聲法生成路面時域模型［9］。對于本文連通式油氣懸架系統，需考慮左右輪路面輸入相關性和前后輪輸入相關性，建立四部分相關路面輸入狀態方程如下：

式中，v0為車輛行駛速度；nc為路面空間下截止頻率，取nc=0.01 Hz；Sq(n0)為路面不平度系數；n0為參考空間頻率，取n0=0.1 Hz；W(t)為均值為零的高斯白噪聲；近似為

圖3 基于Simulink/AMESim的整車聯合仿真模型Fig.3 Joint simulation model based on Simulink/AMESim

根據以上路面輸入狀態方程，在Simulink中建立路面仿真模型，選擇常用的C級路面分析，由此噪聲序列生成路面時域信號如圖4所示。將構建的C級路面模擬信號作為聯合仿真的輸入激勵。

圖4 C級路面時域模擬信號Fig.4 Time-domain simulation signal of C class road surface

4 整車試驗與仿真研究

為驗證仿真模型的正確性，基于某型七橋混合耦連油氣懸架車輛進行實際道路行駛試驗。

4.1 試驗過程及車輛參數

試驗用車是某公司自行研制的大型七橋全液壓底盤消防車，參照GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗方法》在公司的調試場地進行隨機道路行駛試驗［10］，試驗道路為平直路面，長度不小于500 m，縱坡不大于1%，不平度均勻無突變，路面干燥。

將磁環式加速度傳感器和壓力傳感器分別安裝在質心和懸架處，數據采集系統將來自于傳感器的電壓信號處理成所需的圖形和數據文件，試驗現場如圖5所示。

圖5 車輛實際道路試驗Fig.5 Actual road test of vehicle

此次試驗中，上車臂架部分未安裝，以配重代替上車部分，理論建模時也是把簧載質量作為質量塊處理的，這樣試驗車況與仿真更接近。整車試驗及仿真參數如表1所示。

表1 七橋全液壓底盤車輛主要參數Tab.1 Main parameters of seven spindled vehicle

4.2 試驗和仿真結果分析

對車輛質心處的振動特性進行分析，選取質心垂向加速度作為分析指標，對比分析試驗和仿真結果，選取C級路面下車速為40 km/h和60 km/h的仿真和試驗數據，得到質心加速度曲線和功率譜密度曲線對比如圖6～圖9所示。

圖6 40 km/h下的質心垂向加速度曲線Fig.6 Vertical acceleration curve of centroid under 40 km/h

圖7 60 km/h下的質心垂向加速度曲線Fig.7 Vertical acceleration curve of centroid under 60 km/h

圖8 40 km/h下的功率譜密度曲線Fig.8 Power spectrum curve under 40 km/h

圖9 60 km/h下的功率譜密度曲線Fig.9 Power spectrum curve under 60 km/h

對以上數據曲線進行處理并計算，得到各車速下加速度均方根值和功率譜峰值對比如表2所示。

表2 試驗與仿真數據對比Tab.2 Comparison of experiment and simulation data

從圖6～圖9的數據曲線對比可知，質心加速度的仿真結果與試驗結果基本吻合；表2中，對比分析了質心加速度均方根值和加速度功率譜峰值，仿真結果與試驗結果誤差在5%～8%之間，這是因為仿真模型是在對實物作了部分假設的基礎上建立的，此誤差在工程分析允許的范圍內。以上結果表明建立的整車聯合仿真模型具有較高的準確性，可以作為后續研究工作的依據。

5 結論

（1）將某七橋車輛的油氣懸架系統進行混合耦連，結合系統結構和整車十七自由度動力學模型，建立了整車的Simulink/AMESim聯合仿真模型。該仿真模型以Simulink為主仿真平臺，將白噪聲法生成的相關性路面時域模擬信號作為仿真激勵。

（2）對整車進行聯合仿真和實際道路試驗研究，在40 km/h和60 km/h的車速下，仿真與試驗的質心加速度曲線和質心加速度功率譜曲線均能較好地吻合，質心加速度均方根值和功率譜密度峰值的仿真數據與試驗數據的相對誤差小于8%，所建立的整車模型具有較高的準確性。

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（編輯 王艷麗）

作者簡介：田文朋，男，1987年生，博士研究生。研究方向為機械液壓系統動力學與動態仿真分析。發表論文5篇。E-mail：549688958@qq.com。