重型車輛空氣懸架參數(shù)匹配與性能分析

張俊玲

ZHANG Jun-ling

（貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴陽 550003）

0 引言

隨著基礎(chǔ)建設(shè)及交通運(yùn)輸需求的不斷加大，重型車輛逐漸成為研究熱點(diǎn)[1]。作為汽車車身與車軸的彈性連接件，懸架系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)車輪與車架之間的力矩傳遞，通過緩和、衰減路面激勵(lì)對(duì)車橋及車身帶來的沖擊、振動(dòng)，保持車輛良好的平順性、行駛穩(wěn)定性及道路友好性[2]。隨著我國(guó)居民生活水平的提高，人們對(duì)重型車輛性能提出了更高的要求?？諝鈶壹苁且钥諝鈴椈蔀橹饕獜椥栽捎谄渚哂袆偠瓤勺?、高度可控、自振頻率低、隔聲性能好和高頻振動(dòng)吸收率高等特點(diǎn)，近些年逐漸成為應(yīng)用及研究熱點(diǎn)[3]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)空氣懸架技術(shù)還存在諸多待解決的問題，由于空氣彈簧的強(qiáng)非線性，對(duì)空氣懸架參數(shù)匹配的研究一般是推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，往往數(shù)學(xué)公式中一個(gè)參數(shù)的錯(cuò)誤就會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果與真實(shí)情況大相徑庭[4]。本文應(yīng)用AMESim對(duì)空氣懸架重型車輛進(jìn)行建模及參數(shù)匹配研究，借助軟件對(duì)于動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的建模優(yōu)勢(shì)，分析空氣懸架阻尼系統(tǒng)的改變對(duì)車輛各方面性能的影響，推導(dǎo)出空氣懸架系統(tǒng)參數(shù)匹配相應(yīng)結(jié)果。為國(guó)內(nèi)空氣懸架的研究提供一種新的思路，充實(shí)重型車輛空氣懸架領(lǐng)域的研究。

1 空氣懸架建模

因重型貨車要經(jīng)常性的出現(xiàn)在各種道路環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)所，比如礦山、工廠、碼頭等，特別是用于長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)闹匦拓涇嚕捎诰€路長(zhǎng)、國(guó)家道路建設(shè)實(shí)力的有限性，可能要多次行駛在不同的路面。基于這種情況考慮，本論文重點(diǎn)研究重型貨車在滿載行駛時(shí)空氣懸架的參數(shù)匹配。

1.1 空氣彈簧參數(shù)確定

以某型號(hào)重型貨車為參考模型，其參數(shù)如表1所示。對(duì)于前懸架，左右兩邊各一個(gè)空氣彈簧，在滿載工作狀況下，前懸架每個(gè)空氣彈簧最大承受載荷為4260÷2=2130（kg）；后懸架每個(gè)空氣彈簧的最大承受載荷為15660÷4=3915（kg）。根據(jù)前后懸架載荷計(jì)算值，結(jié)合貴州輪胎集團(tuán)有限公司的《前進(jìn)牌橡膠空氣彈簧使用手冊(cè)》，選定前空氣彈簧型號(hào)為IT15M-0（其載荷范圍為：840kg～3430kg），后空氣彈簧型號(hào)為IT19F-7（其載荷范圍為：1540kg～4210kg），查《前進(jìn)牌橡膠空氣彈簧使用手冊(cè)》分別得到各自的位移載荷曲線。

對(duì)于前懸架的空氣彈簧，設(shè)空氣彈簧初始內(nèi)壓為0.5MPa，當(dāng)載荷在1735kg～2130kg范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，IT15M-0型空氣彈簧位移與載荷近似成線性正比，即空氣彈簧在此范圍內(nèi)剛度基本保持不變。對(duì)于后懸架空氣彈簧，設(shè)空氣彈簧初始內(nèi)壓為0.8MPa，當(dāng)載荷在1612kg～3915kg范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，IT19F-7型空氣彈簧位移與載荷亦近似成線性正比，空氣彈簧剛度值基本保持不變。

1.2 減振器

對(duì)于某種確定的車型來說，汽車載重量以及總質(zhì)量為已知，空氣彈簧一旦確定，就要根據(jù)車輛的對(duì)行駛平順性、操縱穩(wěn)定性以及道路友好性的要求確定減振器參數(shù)，使之與空氣彈簧更好的匹配[5]。

若只考慮減振器與空氣彈簧的匹配問題，汽車振動(dòng)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為單質(zhì)量系統(tǒng)振動(dòng)模型，其中m為汽車懸掛質(zhì)量，由車身、車架及其上的總成質(zhì)量構(gòu)成，C為減振器的阻尼系數(shù)，k為空氣彈簧的剛度，三者組成汽車懸架系統(tǒng)。q是路面輸入不平度函數(shù)。根據(jù)振動(dòng)學(xué)相關(guān)理論可知懸架相對(duì)阻尼比

對(duì)于內(nèi)部沒有摩擦的彈性元件，通常懸架阻尼比取。對(duì)于前空氣懸架滿載時(shí)，m=2130kg，k=260000N/m，則對(duì)于后空氣懸架滿載時(shí)29613N·s/m。取前懸架阻尼：11766N.s/m、18826N.s/m，后懸架阻尼：18508N.s/m、29613N.s/m進(jìn)行空氣懸架參數(shù)匹配研究。根據(jù)上述參數(shù)，設(shè)計(jì)并建立空氣懸架三維模型，如圖1所示。

1.3 空氣懸架物理建模

結(jié)合重型貨車具體參數(shù)，提取前述三維模型相關(guān)參數(shù)，在AMESim中建立其二分之一車輛模型[6]，設(shè)置AMESim仿真參數(shù)如表1所示，仿真分析車輛在行駛時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)。對(duì)于車輛行駛平順性、操縱穩(wěn)定性以及道路友好性的評(píng)價(jià)，本研究分別采用座椅加速度、懸架動(dòng)撓度及車輪動(dòng)載荷來對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)上述目標(biāo)性能[7]。

圖1 空氣懸架三維模型

圖2 重型貨車AMESim二分之一車輛模型

2 路面輸入

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高等級(jí)公路路面譜基本在A、B、C三級(jí)范圍之內(nèi)，其中B、C級(jí)路面所占比重較大。本文針對(duì)C級(jí)路面，采用白噪聲激勵(lì)模擬法，按照隨機(jī)路面輸入模型，單個(gè)車輪受到的隨機(jī)路面激勵(lì)時(shí)域數(shù)學(xué)模型可用如下濾波方程描述：

上式中：q(t)為單輪所受隨機(jī)路面激勵(lì)，w(t)為白噪聲，α為所選路面參考空間頻率，v為車速。

采用有利函數(shù)參數(shù)估計(jì)法來估算路面等級(jí)對(duì)應(yīng)的參考空間空間頻率，對(duì)各等級(jí)路面所對(duì)應(yīng)的空間頻率估計(jì)值。對(duì)式(1)作拉普拉斯變換，得到其傳遞函數(shù)為：

根據(jù)傳遞函數(shù)，在AMESim中建立隨機(jī)路面激勵(lì)仿真框圖，建立C級(jí)路面車速為60km/h的路面譜。

3 參數(shù)匹配研究

仿真分析重型貨車在C級(jí)路面、車速v=60km/h滿載工作狀況下，不同懸架阻尼匹配時(shí)車輛各方面性能的變化，得到座椅加速度、前后懸架動(dòng)撓度以及前后輪胎動(dòng)載荷曲線。出于對(duì)比性考慮，對(duì)于所需考量的三項(xiàng)參數(shù)，選擇性列出其中當(dāng)前懸阻尼11766N·s/m、后懸阻尼18508N·s/m時(shí)的曲線圖，如圖3（a）、圖4、圖6所示，以及當(dāng)前懸阻尼18826N·s/m、后懸阻尼29613N·s/m時(shí)的曲線圖，如圖3（b）、圖5、圖7所示。

圖3 滿載時(shí)座椅加速度

表1 某重型貨車仿真參數(shù)表

圖4 滿載時(shí)懸架動(dòng)撓度（前阻尼11766N·s/m、后阻尼18508N·s/m）

圖8 滿載時(shí)懸架動(dòng)撓度（前阻尼18826N·s/m、后阻尼29613 N·s/m）

圖6 滿載時(shí)車輪動(dòng)載荷（前阻尼11766N·s/m、后阻尼18508N·s/m）

圖7 滿載時(shí)車輪動(dòng)載荷（前阻尼18826N·s/m、后阻尼29613 N·s/m）

為更好對(duì)比其他參數(shù)不變情況下的阻尼值匹配對(duì)車輛性能的影響，本研究選取不同的前后阻尼值，作出了相應(yīng)的平均值表格，如表2所示。分析圖3～圖6及表2可知，在其他條件不變的情況下，懸架阻尼值的增大會(huì)導(dǎo)致座椅加速度的增大，車輛行駛平順性降低；懸架動(dòng)撓度隨懸架阻尼值的增大而減小，車輛操縱穩(wěn)定性提高；車輪動(dòng)載荷隨懸架阻尼值的增大而增大，車輛道路友好性降低。

4 結(jié)論

在其他條件不變的情況下，重型貨車懸架阻尼值的增大會(huì)導(dǎo)致座椅加速度的增大，車輛行駛平順性降低；懸架動(dòng)撓度隨懸架阻尼值的增大而減小，車輛操縱穩(wěn)定性提高；車輪動(dòng)載荷隨懸架阻尼值的增大而增大，車輛道路友好性降低。因此在道路較好、車輛滿載時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)低阻尼值，以獲得更好的行駛平順性與道路友好性。

表2 C60滿載座椅加速度、懸架動(dòng)撓度及輪胎動(dòng)載平均值

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