單氣室油氣懸掛阻尼特性動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化分析

袁自成 謝和平

摘要：建立油氣懸架的四分之一車物理及數(shù)學(xué)模型;采用狀態(tài)空間線性化的數(shù)值計(jì)算方法，通過軟件聯(lián)合仿真分析模型在時(shí)域和頻域下的頻率和阻尼特性;根據(jù)系統(tǒng)頻率及阻尼特性分析懸掛油缸的F-S和F-V特性;為懸掛油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及懸架系統(tǒng)的匹配、調(diào)教提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：油氣懸架;狀態(tài)空間法;時(shí)域和頻域分析;頻率和阻尼特性

油氣懸架以其良好的非線性剛度和阻尼特性，在工程重型車輛，軍用車輛，大型礦用自卸車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。車輛固有振動(dòng)頻率和阻尼比是影響其平順性和穩(wěn)定性的重要因素，而油氣懸架的性能與固有振動(dòng)頻率和阻尼比有著密切的關(guān)系，所以分析油氣懸架的剛度和阻尼特性對(duì)整車性能改善和提升有決定性的作用[2]。本文以某大噸位礦用自卸車前油氣懸架為研究目標(biāo)，建立四分之一車物理及數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)聯(lián)合仿真的方法，在時(shí)域和頻域雙維度下分析油氣懸架的頻率和阻尼特性，以及影響這些特性的關(guān)鍵因素和參數(shù)，最終確定符合實(shí)際使用和工礦要求的油氣懸架性能參數(shù)。

1 懸架系統(tǒng)建模及分析

如圖1所示建立四分之一車的等效振動(dòng)模型，該模型包含簧上質(zhì)量M，油氣懸掛的非線性等效剛度和阻尼，簧下質(zhì)量m，輪胎等效剛度和阻尼，路面激勵(lì)。

根據(jù)上述振動(dòng)模型和參數(shù)建立聯(lián)合仿真模型，如圖2所示。

阻尼規(guī)格是影響懸架阻尼特性的關(guān)鍵因素，本文從阻尼規(guī)格方面重點(diǎn)分析。模型在200mm的階躍激勵(lì)下，空載和滿載工況車身的振動(dòng)曲線如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，不同阻尼規(guī)格下車身均能在2個(gè)周期內(nèi)熄振，阻尼孔越小熄振速度越快，同時(shí)也能更好的限制車身上下振幅，但過小的阻尼孔在頻率較大的交變路面載荷激勵(lì)下，懸掛油缸的環(huán)形腔內(nèi)將出現(xiàn)瞬間高壓沖擊，壓力可能達(dá)到30～40MPa，對(duì)油缸密封及使用壽命都造成巨大損害，所以綜合考慮阻尼規(guī)格在10～16mm之間是合適的。

圖5和圖6是平衡態(tài)下懸架系統(tǒng)在不同規(guī)格阻尼情況下分別在空載和滿載時(shí)的根軌跡圖。

由圖5和圖6可知，平衡態(tài)下空載和滿載時(shí)懸架固有振動(dòng)頻率分別是1.4Hz和1Hz左右，均符合人體舒適性振動(dòng)頻率的要求;懸架阻尼比約為0.22也在較為合理的范圍內(nèi)，在此阻尼比作用下兩個(gè)周期內(nèi)懸架熄振93.7%，車輛可以獲得較好的平順性。

2 懸掛油缸阻尼特性分析

上述從懸架系統(tǒng)的角度分析了四分之一車身在階躍激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)，以及懸架的頻率和阻尼特性。由分析可知阻尼孔規(guī)格在10～16mm時(shí)懸架系統(tǒng)具有較好綜合性能，車輛可以獲得較好的平順性。下面分析懸掛油缸在正弦交變載荷激勵(lì)下的阻尼力-位移（F-S）和阻尼力-速度（F-V）特性，最終確定一個(gè)較為合理的阻尼規(guī)格。

圖7和圖8為懸掛油缸在頻率為0.5Hz幅值60mm的正弦波激勵(lì)下F-S和F-V特性曲線。

由圖7可知，阻尼孔規(guī)格不同F(xiàn)-S曲線所包圍的線下面積不同，阻尼越小F-S曲線包圍的面積越大，阻尼力做功越多，吸收振動(dòng)能量越多;由圖8可知，F(xiàn)-V曲線呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性，且拉伸行程阻尼力遠(yuǎn)大于壓縮行程的阻尼力，阻尼越小非對(duì)稱性越明顯，說明拉伸行程可以迅速衰減振動(dòng)。但是拉伸行程和壓縮行程阻尼力的比值不可過大或過小，過大則車身會(huì)承受很大的沖擊;過小則振動(dòng)衰減太慢，舒適性和平順性較差。阻尼規(guī)格12mm時(shí)，從曲線可知最大阻尼力3.3×104N，最小阻尼力2.9×103N拉伸和壓縮行程綜合特性較好是最合適的選項(xiàng)。

3 結(jié)論

本文建立了某大噸位礦用自卸車前懸架四分之一車模型，并對(duì)模型進(jìn)行了聯(lián)合仿真和分析。結(jié)果表明應(yīng)用聯(lián)合仿真的方法在時(shí)域和頻域從整體上對(duì)油氣懸架系統(tǒng)分析，能夠高效準(zhǔn)確的確定系統(tǒng)的頻率和阻尼特性。以阻尼規(guī)格對(duì)懸架阻尼特性的影響為例，根據(jù)懸架系統(tǒng)分析結(jié)果指導(dǎo)油氣懸掛缸的阻尼參數(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)果表明阻尼孔規(guī)格對(duì)懸架拉伸和壓縮行程的F-S特性和F-V特性均有顯著的影響，根據(jù)阻尼力的位移和速度特性曲線可以精確的確定最合適的阻尼規(guī)格。本文的優(yōu)化分析方法可以為懸掛油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及懸架系統(tǒng)的匹配、調(diào)教提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李占芳，仝軍令，李威. 單氣室油氣彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 [J].振動(dòng)與沖擊，2011，30（4）：166-172.

[2] 陳曦. 礦用汽車油氣懸架的特性研究 [D].西南交通大學(xué)碩士論文，2013.