礦用自卸車非獨立式后懸架K&C特性對比研究

田海勇 劉少權

摘?要：本文以A型架式和多連桿式兩種典型的礦用自卸車非獨立式后懸架為研究對象，基于多體動力學理論和利用MapleSim軟件對上述兩種類型的后懸架進行建模和分析。通過對懸架的K&C特性對比分析研究，可以得出后軸兩側車輪同向輪跳時，多連桿式后懸架的K特性較優，反向車輪跳動時，A型架式后懸架的K特性較優;兩種懸架的C特性指標數值均很小，其運動學特性主要受K特性影響。該研究結論可以為礦車非獨立式后懸架設計提供理論支持。

關鍵詞：礦用自卸車;非獨立式后懸架;K&C特性;懸架運動學

ComparativeResearch?of?K&C?Characteristic

of?Rear?Nonindependent?Suspension?of?Mine?Dump?Truck

Tian?Haiyong1*?Liu?Shaoquan2，3

1.CRRC?Datong?Co.，Ltd.?ShanxiDatong?037038;2.CCTEG?China?Coal?Research?Institute?Beijing?100013;

3.China?Coal?Technology?&?Engineering?Group?Beijing?100013

Abstract：Two?typical?rear?nonindependent?suspensions?of?Aframe?and?multilink?of?mining?dump?truck?are?studied，based?on?multibody?dynamics?theory，and?applied?MapleSim?software?to?conduct?the?modeling，analysis，and?simulation?of?the?above?two?kinds?of?suspension.Through?the?comparative?research?of?K&C?characteristics?of?suspension，it?can?be?concluded?that?K?characteristic?of?multilink?suspension?was?the?better?when?the?wheels?on?both?sides?of?the?rear?axle?jump?in?the?same?direction，K?characteristic?of?Aframe?suspension?was?the?better?when?the?wheels?on?both?sides?of?the?rear?axle?jump?in?the?opposite?direction;the?C?characteristic?index?values?of?the?two?suspensions?are?very?small，the?kinematic?characteristics?of?suspension?are?mainly?affected?by?K?characteristics.The?research?and?analysis?results?can?provide?theoretical?support?for?the?design?of?rear?nonindependent?suspension?of?mine?dump?truck.

Keywords：Mine?Dump?Truck;Nonindependent?Suspension;Kinematics?and?Compliance?Characteristic;Suspension?Kinematics

非公路礦用自卸車是高度復雜的機、電、液一體化產品，主要用于礦石開采量在千萬噸級以上露天礦山的礦石及土石方的運輸。后懸架是礦車上重要組成部件之一，和大多數重型公路汽車一樣，傳統礦車通常采用非獨立式后懸架。

懸架系統的K&C特性屬于懸架運動學的研究范疇[1]，懸架綜合性能的優劣對礦用自卸車的操縱穩定性及行駛平順性產生直接影響。隨著汽車工業的發展，國內外學者對車輛懸架的K&C特性進行了大量深入的研究并把研究成果應用到實際的車輛懸架設計中[25]。在重型非公路礦用自卸車領域，為提升礦車操控性前懸架大多采用獨立式結構，主要形式有麥弗遜式、燭式、雙叉臂式、復合連桿式等。文獻[6]和[7]通過建立不同結構形式獨立懸架的運動學模型，分析了懸架的K&C特性對礦車操控性能的影響。

礦車屬于非公路車輛，承載一般在100～360噸，其自重通常較大，常用的后懸架結構形式多為非獨立式，且后橋通常集成輪邊牽引電機、減速器和制動器等部件，造成后懸架簧下質量較大，因此后懸架性能的好壞對整車的操縱穩定性影響至關重要。本文以礦車通常采用的A型架式和多連桿式后懸架為研究對象，分析懸架的K&C特性對礦車操控性能的影響，為礦用汽車非獨立式后懸架設計提供理論依據。

1?礦車非獨立式后懸架的主要類型

礦車非獨立式后懸架通常有A型架式[也稱為鼻錐式，如圖1（a）]和多連桿式[也稱為四連桿式，如圖1（b）]兩大類型，此兩種類型后懸架最明顯的特點是左右輪通過后橋殼結合成整體，當一側車輪跳動時，另一側車輪也會受到影響。礦車后懸架一般采用油氣懸掛油缸作為彈性元件，以適用于礦區惡劣的行駛工況。

A型架式的車橋和車架之間通過A型架、橫連桿和兩個油氣懸掛油缸連接在一起，多連桿式的車橋和車架之間通過多個縱向連桿和兩個油氣懸掛油缸連接在一起，其中，A型架或多個縱向連桿可以傳遞縱向力，油氣懸掛油缸可以傳遞垂直方向的靜、動載荷，橫連桿則用來傳遞側向力。與A型架式相比，多連桿式懸架因所有方向的受力均由二力桿承擔，極大地改善了后懸架結構件的受力狀況。

兩種懸架均在220噸級礦車上得到廣泛的應用，例如，采用A型架的礦車有卡特的793、小松的830E、別拉斯的75306等，采用多連桿式的礦車有中國中車的CR240E和利勃海爾的T262等。本文以A型架式和多連桿式兩種非獨立式后懸架為研究對象，得出兩種懸架的K&C對比特性。

2?非獨立式后懸架K&C特性研究

2.1?研究內容

礦車非獨立式后懸架的K特性主要體現了后軸車輪的定位參數、縱向位移和側向位移等指標與車輪上下跳動行程間的變化關系;C特性主要與懸架系統中的彈性元件和阻尼元件有關，體現了礦車運行過程中車輪受到的垂直力、側向力和縱向力引起的車輪定位參數等指標的變化關系。

本文中K特性主要研究內容為：（1）后橋俯仰角或側傾角;（2）后橋中心點的縱向位移、側向位移和垂向位移隨車輪上下跳動變化特性。C特性主要研究內容為：（1）縱向力特性;（2）側向力特性;（3）垂直力特性。

2.2?對比研究的前提假設

本文的核心是具有不同導向機構的懸架K&C特性的對比，以及配備了不同懸架形式組合的車型之間操縱穩定性的對比。

為對比研究兩種后懸架的K&C特性，首先要建立合理的對比前提，才能真正得到由于懸架形式不同造成的K&C特性的差距。

2.2.1?相同的彈性特性和阻尼特性

220噸級礦車上普遍采油氣懸掛油缸裝置作為彈性和阻尼元件，假設不同形式的懸架系統具有相同的彈簧和阻尼特性。這樣，首先把彈性和阻尼元件這兩大部分的影響消除，只研究導向機構對于懸架運動學特性的影響。

2.2.2?相同的整車結構參數

假定配備A型架式或多連桿式后懸架的礦車具有相同的軸距和輪距等整車結構參數。

2.2.3?假定后懸架安裝位置參數

在220噸礦車滿載工況下，本文假定了后懸架安裝位置參數，對于A型架式后懸架，A型架仰角為6°，橫連桿水平布置，油氣懸掛油缸垂直布置，對于多連桿式后懸架，多連桿水平布置，油氣懸掛缸軸線與垂直方向夾角為12°。

3?礦車非獨立式后懸架的對比分析

3.1?建模

本文基于MapleSim軟件進行建模和分析，主要利用了軟件專業工具箱和建模元件庫中的一些基本構件，如圖2所示。

在A型架式和多連桿式后懸架中，假設活塞桿和缸筒之間沒有相對的轉動，在建模時用棱柱副連接，A型架與后橋殼之間是焊接的，將A型架作為后橋的一個機架來建模。分別在軟件中建立A型架式和多連桿式后懸架的模型，其運動學拓撲結構見圖3。由圖3可見，A型架式的拓撲結構最簡單，這是世界上大多數礦車制造商將其作為礦車產品非獨立式后懸架的主要原因之一，多連桿式最大的特點是使后懸架復雜的受力狀況得到簡化和改善。

3.2?K特性仿真及對比分析

依照上文第2.2節建立的對比研究前提，兩種后懸架除具有相同的彈性及阻尼特性外，還設定相同的懸掛油缸行程，以滿載位置為基準，以懸掛油缸沿軸線壓縮方向為正，反之當拉伸時為負，懸掛缸的行程范圍設計值為-190～80mm。

在對上述兩種懸架進行K特性仿真分析時，采用懸架運動為激勵，可以研究在懸架的整個運動行程范圍內后橋俯仰角或側傾角、后橋中心點位移隨車輪上下跳動變化特性。對于A型架式和多連桿式后懸架，左右兩側車輪受到不平路面激勵時相互影響，車輪會左右搖擺不定，礦車后橋容易發生擺振，所以要同時進行同向車輪跳動仿真和反向車輪跳動仿真，分別對左右兩側的懸掛油缸施加同步和異步位移激勵，這樣可以得到懸掛油缸整個行程范圍內后橋的運動。

對上述兩種后懸架進行仿真后，可以得到后軸同向輪跳時后橋中心在三個方向上的位移、后橋俯仰角的變化，如圖4所示，圖5給出了反向輪跳時后橋中心在三個方向上的位移、后橋側傾角的變化。

A型架式和多連桿式懸架K特性仿真結果對比見表1。從表1結果可以看出當礦車后軸兩側車輪同向跳動時，采用多連桿式后懸架的后橋中心縱向位移變化較小，數值范圍在0～21mm之間，而采用A型架式后懸架的數值變化范圍較大，在-5～21mm之間。從圖1（b）中可以看出多連桿式后懸架導向機構相對車輛中心線左右對稱，當兩側車輪同向跳動時，后橋中心的側向位移為0mm，而采用A型架式后懸架的后橋中心側向位移數值范圍為-10～42mm。在兩種懸掛油缸運動行程（-190～80mm）相同的情況下，仿真結果顯示后橋中心垂向位移波動較大，采用A型架式的后橋中心垂向位移波動范圍是-135～45mm，而多連桿式對應的范圍是-185～85mm，可以得出A型架式懸架控制后橋的垂直方向跳動要優于多連桿式懸架。采用多連桿式后懸架的后橋俯仰角在同向車輪跳動時變化幅度小于A型架式。從表1中數據可以得出，同向車輪跳動時，多連桿式后懸架的K特性優于A型架式;反向車輪跳動時，A型架式懸架的K特性優于多連桿式。

3.3?C特性仿真及對比分析

非獨立式后懸架的C特性與懸架的彈性元件和阻尼元件有關，體現了礦車運行過程中車輪受到的垂直力、縱向力和側向力引起的車輪定位參數等指標的變化關系。在第2.2節的前提假設下，本文分別研究兩種懸架的側向力和縱向力特性。

在分析軟件中分別對采用兩種不同懸架形式的礦車后橋中心點處施加縱向力和側向力，測量兩種懸架的C特性指標，即縱向位移與縱向力的比值和側向位移與側向力的比值。經過仿真計算，表2給出了A型架式和多連桿式懸架的C特性指標值。

由表2中的數據可知，縱向位移/縱向力和側向位移/側向力兩個比值的數量級非常小，均為10-5，因此兩種懸架C特性對后橋車輪定位參數的影響很小。

結語

本文以A型架式和多連桿式兩種礦車常用的非獨立式后懸架為研究對象，通過在MapleSim軟件環境中建立兩種后懸架的多體運動學模型，對懸架的剛體運動學特性和彈性運動學特性作了對比分析研究，總結出以下結論：

（1）經過對比研究，后軸兩側車輪同向跳動時，采用多連桿式懸架的K特性較優，反向車輪跳動時，A型架式懸架的K特性較優。

（2）礦車上常用的A型架式和多連桿式懸架由于沒有采用像橡膠襯套這樣彈性很大的元件，兩種懸架的C特性指標值均很小，對后橋中心位移的影響很小。

此外，本文研究結果可為今后這兩種形式懸架的設計提供理論支持。

參考文獻：

[1]吳志成，陳思忠，楊林.幾種獨立懸架運動學特性對比研究[J].北京理工大學學報，2006，26（10）：867870.

[2]Jeff?W?and?Norman?F.A?Facility?for?the?Measurement?of?Heavy?Truck?Chassis?and?Suspension?Kinematics?and?Compliances[C].SAE?Paper，2004012609.

[3]王爽.某微車懸架K&C特性研究及其對整車操縱穩定性的影響[D].吉林大學博士學位論文，2008.

[4]金凌鴿.C級車懸架K&C特性優化設計方法研究[D].吉林大學博士學位論文，2010.

[5]高晉.基于虛擬樣機技術的懸架K&C特性及其對整車影響的研究[D].吉林大學博士學位論文，2010.

[6]劉慶，楊保海.新型復合連桿式獨立懸架動力學特性建模分析[J].機械設計與制造，2019（6）：189192.

[7]劉少權，李榮昊，田海勇，等.礦用自卸車獨立前懸架K&C特性對比研究[J].礦山機械，2018（7）：1822.

*通訊作者：田海勇（1980—?），男，漢族，博士，高級工程師，研究方向：礦用自卸車總體設計與動力系統設計。