油氣懸掛類型對多軸轉(zhuǎn)向車輛側(cè)傾特性的影響

鄭東強(qiáng)，周 梅

(集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廈門 361021)

多軸轉(zhuǎn)向車輛指的是參與轉(zhuǎn)向的車軸軸數(shù)在3軸及3軸以上的車輛，是伴隨大型工程機(jī)械的不斷涌現(xiàn)而產(chǎn)生的，如國內(nèi)目前最大的全路面起重機(jī)就是采用9軸轉(zhuǎn)向。多軸轉(zhuǎn)向的主要目的是提高車輛的轉(zhuǎn)向機(jī)動性及靈活性。大型工程機(jī)械質(zhì)量大，重心高，工作條件通常較惡劣，加之還需具有高速行駛能力，因此油氣懸掛系統(tǒng)是主要采用的懸掛方式。油氣懸掛系統(tǒng)是全路面起重機(jī)底盤的兩大核心技術(shù)之一。

油氣懸掛系統(tǒng)通過調(diào)整蓄能器的壓力來改變懸掛系統(tǒng)的特性，并具有改變車身高度和整車軸負(fù)載自動調(diào)平等功能［1］。

國內(nèi)關(guān)于油氣懸掛系統(tǒng)特性研究的報告較多，通常是使用Matlab構(gòu)建仿真的數(shù)學(xué)模型，并研究其關(guān)鍵參數(shù)，例如蓄能器的壓力、阻尼孔的尺寸及有關(guān)長度、蓄能器的體積等對油氣懸掛系統(tǒng)的非線性影響［2－8］，但多數(shù)的研究卻集中在單一油氣懸掛缸的非線性特性分析上。本文利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，對比研究了2類常用油氣懸掛系統(tǒng)的側(cè)傾特性，即非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)以及連通式油氣懸掛系統(tǒng)。同時比較了2類懸掛系統(tǒng)對車輛側(cè)傾剛度和側(cè)傾角度的影響規(guī)律。

車身側(cè)傾角會改變左右車輪的載荷和輪胎的附著力，影響著車輛的側(cè)向穩(wěn)定性和操縱穩(wěn)定性，如圖1所示。側(cè)傾角太大會讓駕駛員覺得車輛不穩(wěn)定且不安全，也會讓乘客不舒適。車身側(cè)傾剛度則是決定側(cè)傾角的主要因素。故此本文深入研究2類油氣懸掛系統(tǒng)對于車輛側(cè)傾特性的影響規(guī)律。

圖1 車輛的側(cè)傾力學(xué)模型

連通式和非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)是目前多軸轉(zhuǎn)向車輛普遍采用的2種形式，如圖2、圖3所示。全路面起重機(jī)上廣泛采用的是連通式油氣懸掛，又稱為互聯(lián)式油氣。

連通式油氣懸掛系統(tǒng)通過油管將左右兩側(cè)懸掛油缸的上油腔和下油腔連通。當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)傾運動時，兩側(cè)懸掛油缸之間產(chǎn)生聯(lián)系，運動會互相影響。非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)的左右兩側(cè)懸掛油缸之間沒有連通，其懸掛油缸的上油腔和下油腔各自連接一蓄能器。車輛發(fā)生側(cè)傾時，懸掛油缸左右互相獨立，彼此不影響。

1 單個油氣懸掛系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的建立

單個油氣懸掛油缸系統(tǒng)的主要組成有懸掛油缸和連上油腔和下油腔相的2個蓄能器，如圖4所示。阻尼孔7和單向閥6將懸掛缸的A腔及B腔連通，B腔和C腔通過油管分別與蓄能器1和4蓄能器連通。

圖4 單個油氣懸掛系統(tǒng)組成

依據(jù)單個油氣懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作機(jī)理，采用 Adams/Hydraulics模塊，構(gòu)建了仿真模型，如圖5所示。依據(jù)實際情況，使用了一些等效處理，例如將油氣懸掛缸等效為圖5所示的油缸8、阻尼孔2及單向閥3，用油缸8的上油腔作為圖4中的A腔，而下腔則作為C腔;B腔被簡化成圖5中2、3加上油管4連接點的接頭容積，并使接頭容積和B腔具有相等體積。

圖5 單個油氣懸掛系統(tǒng)模型

2 單個油氣懸掛系統(tǒng)虛擬樣機(jī)驗證

采用文獻(xiàn)［2］提出的方法對所建立的單個油氣懸掛系統(tǒng)虛擬樣機(jī)進(jìn)行了分析驗證。驗證使用工況:激振振幅30 mm;激振頻率0.5 Hz。

圖6為驗證結(jié)果的對比，從圖中可以看出，油氣懸掛虛擬樣機(jī)的非線性剛度及阻尼特性能夠基本吻合試驗所得結(jié)果。由此可進(jìn)一步分析車輛側(cè)傾在非獨立式和連通式油氣懸掛系統(tǒng)的下的響應(yīng)情況。

圖6 單個油氣懸掛系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型驗證

3 車輛側(cè)傾特性虛擬試驗平臺

基于Adams軟件建立了車輛側(cè)傾特性的虛擬試驗平臺，模型的建立條件為:

1)采用氮氣的實際氣體狀態(tài)方程進(jìn)行仿真，氣體狀態(tài)的變化過程是絕熱過程;

2)將輪胎簡成為剛體，以消除輪胎的非線性特性對系統(tǒng)的影響;

3)假設(shè)液壓油為不可壓縮;

4)液壓缸的缸壁設(shè)置為鋼的柔性特性。

3.1 機(jī)械部分虛擬樣機(jī)模型

利用Adams/View軟件的Hydraulics模塊構(gòu)建了如圖7所示油氣懸掛車輛的側(cè)傾模型。

用平面副約束左右側(cè)車輪與激勵平臺，使車輪不能和激勵平臺脫離。固定左側(cè)激勵平臺不動，允許右側(cè)激勵平臺上下運動。通過該試驗平臺可仿真測量車身的跳動量以及車身的側(cè)傾角。

圖7 車輛側(cè)傾特性虛擬試驗臺

3.2 液壓部分虛擬樣機(jī)模型

依據(jù)連通式及非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，使用Adams/Hydraulics模塊構(gòu)建了各自的液壓系統(tǒng)虛擬樣機(jī)仿真模型，如圖8所示。

圖8 兩類懸掛系統(tǒng)液壓系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型

4 油氣懸掛系統(tǒng)側(cè)傾特性分析

4.1 離散激勵剛度特性

以圖7所建立的車輛側(cè)傾特性虛擬試驗平臺分別對非獨立式及連通式油氣懸掛系統(tǒng)的側(cè)傾特性進(jìn)行分析。對位移激勵平臺3運動副中輸入頻率為1 Hz，振幅為100 mm的正弦式位移激勵，用以模擬車輛在通過凸凹不平的路面時，離散激勵所引起的油氣懸掛系統(tǒng)自身剛度的變化。2類油氣懸掛系統(tǒng)的左右掛缸剛度仿真結(jié)果曲線如圖9所示。

圖9 兩類油氣懸掛系統(tǒng)剛度特性對比

4.2 側(cè)向加速度對剛度特性的影響

為得到不同側(cè)向加速度對2類油氣懸掛系統(tǒng)剛度影響的規(guī)律，以圖7所構(gòu)建的試驗平臺仿真在不同的側(cè)向加速時懸掛系統(tǒng)的剛度值。仿真采用的工況:固定全部位移激勵平臺，在懸掛重量1的重心位置，施加由變化的側(cè)向加速度導(dǎo)致的向左方的離心力。

由圖10可知，連通式油氣懸掛系統(tǒng)受壓側(cè)的懸掛油缸剛度比非獨立式更大(圖10(a))，而受拉側(cè)的剛度則更小(圖10(b))。對于非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)，其左右懸掛油缸的剛度特性基本不變。如圖11所示，由2類懸掛系統(tǒng)的車身側(cè)傾剛度曲線可知，非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)的側(cè)傾剛度大于連通式的側(cè)傾剛度，故在多軸轉(zhuǎn)向車輛中，采用非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)的，其車身側(cè)傾角在轉(zhuǎn)向時相對更小，而連通式油氣懸掛系統(tǒng)更有利于提高多軸轉(zhuǎn)向車輛的平順性。

5 結(jié)束語

通過對單個雙氣室油氣懸掛系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真研究，進(jìn)一步構(gòu)建了連通式及非獨立式油氣懸掛系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)仿真模型和車輛側(cè)傾特性的虛擬試驗平臺，詳細(xì)分析了連通式及非獨立式這2類油氣懸掛對于多軸轉(zhuǎn)向車輛側(cè)傾特性的影響。分析結(jié)果表明，非獨立式油氣懸掛的側(cè)傾剛度要比連通式油氣懸掛大，從而有利于提高車輛的轉(zhuǎn)向性能，連通式油氣懸掛系統(tǒng)則更能提高多軸轉(zhuǎn)向車輛的平順性。試驗研究［8］證明了該結(jié)論的正確性。

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