工程車輛雙橋油氣懸架性能對比仿真分析

李魁，張洪，蔡言龍

(太原科技大學機械工程學院，山西太原030024)

油氣懸架是全地面起重機底盤的關鍵裝置，也是實現(xiàn)多橋車輛底盤的必備條件，是發(fā)展現(xiàn)代特種車輛及大型車輛的關鍵技術之一。工程車輛的油氣懸架系統(tǒng)油路連接方式分為并聯(lián)式和獨立式［1］。目前，國內針對雙橋油氣懸架的研究成果和論文較少。作者以某6 橋全路面起重機的油氣懸架系統(tǒng)為研究對象，建立雙橋油氣懸架的7 自由度數(shù)學模型，并基于AMESim仿真軟件分別建立并聯(lián)式和獨立式雙橋油氣懸架仿真模型，通過對比分析了兩種懸架系統(tǒng)的壓力、輪胎動載荷、垂直加速度等參數(shù)的最大值，得到兩種懸架系統(tǒng)的性能特征，為多軸工程車輛油氣懸架的研究及應用提供有效的參考。

1 雙橋油氣懸架液壓原理

圖1 為全路面起重機并聯(lián)式雙橋油氣懸架組的液壓系統(tǒng)油路圖。如圖1 所示［2］，此振動模型包括車身、液壓軟管、4 個液壓油缸、4 個阻尼孔、4 個單向閥、2 個蓄能器、4 個非懸掛質量塊以及4 個輪胎簡化模型等。

圖1 并聯(lián)式油氣懸架的液壓系統(tǒng)油路圖

圖中，液壓油缸、液壓軟管、單向閥以及阻尼孔構成懸架油缸，另外把車輪簡化成阻尼和彈簧，其質量歸于非懸掛質量塊。其連接方式為: 1 橋(2 橋)的兩個懸架液壓缸的有桿腔之間和無桿腔之間分別相連，兩個懸架液壓缸的無桿腔通過鎖緊閥與蓄能器相連，且該蓄能器還通過液壓管道與2 橋(1 橋) 的兩個懸架液壓缸的有桿腔相連，懸架液壓缸的無桿腔還分別通過回油閥、進油閥與液壓系統(tǒng)的回油口、進油口相通，懸架液壓缸的有桿腔與2 橋(1 橋) 的蓄能器相連。當進油閥接通，可以實現(xiàn)車架整體升高; 當回油閥接通，可以實現(xiàn)車架整體降低; 當鎖緊閥斷開，懸架系統(tǒng)處于剛性閉鎖狀態(tài); 當鎖緊閥接通，懸架系統(tǒng)處于彈性負載狀態(tài)。

圖2 為獨立式油氣懸架液壓系統(tǒng)油路圖，該模型具有4 個蓄能器(并聯(lián)式油氣懸架組具有2 個) ，且該模型的1 橋和2 橋之間的油氣懸架系統(tǒng)是獨立的，沒有通過液壓油管連接。

圖2 獨立式油氣懸架液壓系統(tǒng)油路圖

2 雙橋油氣懸架數(shù)學模型的建立

油氣懸架系統(tǒng)的物理結構復雜，且在實際工作過程中不確定性因素較多，為建立其數(shù)學模型，需要將懸架系統(tǒng)進行必要的簡化，如果完全按照實際情況建立其數(shù)學模型，會為研究帶來不必要的工作量，增加研究的難度，影響研究的后續(xù)進展。文中對其做下述簡化［3－7］:

(1) 忽略活塞和缸筒相對運動時的摩擦;

(2) 假設油氣懸架內的油液不能被壓縮，且其特性不受外部條件的影響;

(3) 假設蓄能器中的氮氣和外界絕對絕緣，即氣體的相關參數(shù)不受外界環(huán)境因素的影響;

(4) 假設整個系統(tǒng)在工作過程中不存在泄漏問題;

(5) 假設車架為剛性體。

建立如圖3 所示的雙橋油氣懸架的振動模型。該模型具有7 自由度，可以反映車身質心的垂直、側傾、俯仰運動，還有4 個非懸架的垂直位移運動。

圖3 雙橋油氣懸架組的數(shù)學模型

圖3 中，m 表示車身的質量(kg) ; Ⅰ、J 分別表示車架的側傾、俯仰轉動慣量(kg·m2) ; X 表示質心處垂直位移(m) ; θ、φ 表示車架的側傾角、俯仰角(rad) ; L1、L2表示左右兩側液壓缸上鉸接點到質心的水平距離(m) ; R1、R2表示質心到1、2 橋的水平距離(m) ; A、a 表示液壓缸大腔、小腔的橫截面積(m2) ; pa1～pa4表示4 個油缸小腔的壓力(Pa) ;pA1～pA4表示4 個油缸大腔的壓力(Pa) ; m1～m4表示4 個非懸掛質量(kg) ; X1～X4表示4 個輪胎受到的位移信號(m) ; X5～X8表示4 個非懸掛的垂直方向的位移 (m) ; Ct、Kt表示輪胎的等效阻尼(N·s/m) 與等效剛度(N/m) 。

根據(jù)圖3 所示的簡化的振動模型，推導其振動微分方程:

由式(1) — (7) 可以得到4 個液壓缸上鉸接處點的垂直速度及垂直位移，如果車架的側傾角與俯仰角都比較小，則垂直速度與垂直位移表示為:

x1～x4為給4 個液壓缸活塞桿的位移(m) 。

3 并聯(lián)式雙橋油氣懸架的仿真模型的建立

為研究上述模型的振動規(guī)律及特性，由圖3 和式(1) — (9) ，運用AMESim 軟件，建立圖4 所示仿真模型。該模型包括1 個車身單元(CARBODY) 、4個液壓缸單元、2 個蓄能器模塊(HA000) 、4 個阻尼孔模塊(OR000) 、4 個單向閥模塊(CV000) 、4 個非懸掛質量模塊 (MAS002) 、4 個剛度－ 阻尼單元(SD0000A) 、1 個普通液壓特性元件(FP04) 、4 個位移信號發(fā)生器(UD00) 以及液壓管(HL01) 。

圖4 并聯(lián)式油氣懸架的仿真模型

(1) 車身單元。這個模塊是超級元件，主要利用公式(1) — (9) 并利用AMESim Signal ＆ Control庫中的各個元件建立，包括積分器元件(INTO) 、信號復制模塊 (DYNDUP2) 、恒定信號源 (CONS0) 、信號變量－機械變量轉換元件(FVXSG1) 以及基本的算術運算元件等。在各個模塊建立過程中，各個懸架油缸為車身單元輸入力(F) 信號，車身單元為懸架油缸反饋位移(X) 和速度(v) 信號，其反饋信號按照式(8) 和式(9) 進行計算得出。

(2) 油氣懸架。每個懸架液壓缸分別由兩個BR Pl8 和BHCll 子模塊構成，蓄能器選用HA000 子模型，阻尼孔和單向閥分別選用OR000 和CV000 子模型，液壓油管選用HL01 子模型。

(3) 其他部件。剛度－阻尼單元(輪胎) 的數(shù)學模型為SD0000A，非懸掛質量塊的數(shù)學模型為MAS002，路面發(fā)生器的子模型為UD00，需要對輪胎的阻尼和剛度、非懸掛質量、路面激勵等參數(shù)進行設置，可以得到輪胎動載荷等變量。

4 獨立式雙橋油氣懸架仿真模型的建立

為了對比分析并聯(lián)式與獨立式油氣懸架各方面的性能差異，建立了獨立式雙橋油氣懸架的AMESim 仿真模型，見圖5。獨立式油氣懸架的建立方法和過程和并聯(lián)式油氣懸架相類似，分別建立車身單元、油氣懸架和其他部件，該模型與并聯(lián)式油氣懸架模型主要區(qū)別在于: 該模型具有4 個蓄能器(并聯(lián)式油氣懸架具有2 個) ，且該模型的1 橋和2 橋之間的油氣懸架系統(tǒng)是獨立的，沒有通過液壓油管連接。

圖5 獨立式油氣懸架的仿真模型

并聯(lián)式懸架系統(tǒng)的仿真主要參數(shù)如表1 所示。由于獨立式懸架系統(tǒng)有4 個蓄能器，獨立式懸架系統(tǒng)將每個蓄能器的初始體積V0設置為2 L，其他參數(shù)與雙橋油氣懸架組一致，按照表1 進行設置。

表1 系統(tǒng)主要仿真參數(shù)

5 并聯(lián)式和獨立式油氣懸架仿真結果對比分析

在AMESim 軟件中，為兩種油氣懸架系統(tǒng)的同一個車輪添加一個如圖6 所示的位移激勵，其幅值取0.04 m、時間為0.4 s，設定合理的仿真時間和步長進行仿真。輸出兩種懸架系統(tǒng)的壓力對比曲線、輪胎動載荷對比曲線、車身質心垂直加速度對比曲線，如圖7—9 所示，其中，M 為并聯(lián)式雙橋油氣懸架的仿真曲線，N 為獨立式雙橋油氣懸架的仿真曲線。

圖6 路面位移激勵時域曲線

圖7 兩種懸架系統(tǒng)的壓力對比曲線

圖8 兩種懸架系的輪胎動載荷對比曲線

圖9 兩種懸架系的垂直加速度對比曲線

分析仿真曲線，可得如下分析結果:

(1) 見圖7，在相同的路面激勵下，兩種懸架系統(tǒng)內的壓力值在仿真時間的前0.6 s 內變化規(guī)律差別較大; 在t=0.6 s 以后，曲線波峰差別很小，但波動規(guī)律有一定的滯后性，并聯(lián)式懸架系統(tǒng)的壓力的最大值要比獨立式小，并聯(lián)式懸架系統(tǒng)相對于獨立式懸架系統(tǒng)可以減少液壓沖擊對液壓管道的破壞，降低液壓油管斷裂發(fā)生的可能性。

(2) 見圖8，在相同的路面激勵下，兩種懸架系統(tǒng)的輪胎動載荷曲線在仿真時間的前0.8 s 內變化規(guī)律差別較大; 在t=0.8 s 以后，曲線振動規(guī)律基本相同; 特別是在1.2 s 以后輪胎動載荷曲線幾乎重合，隨著時間的延長，振幅差越來越小。并聯(lián)式懸架的輪胎動載荷的最大值比獨立式懸架小，說明并聯(lián)懸架系統(tǒng)對路面和輪胎沖擊力更小，減少對路面和輪胎的破壞，道路友好性更好。

(3) 見圖9，在相同的路面激勵下，兩種懸架系統(tǒng)的輪胎垂直加速度曲線的最大值出現(xiàn)在1 s 內，兩種懸架系統(tǒng)的垂直加速度在整個仿真時間內的振動規(guī)律相同，隨著時間的延長，振幅差越來越小。且并聯(lián)雙橋懸架組的垂直加速度最大值要比獨立雙橋懸架小，使車輛獲得更好的阻尼減震效果和良好的平順性，乘坐舒適性也較獨立式懸架系統(tǒng)更好。

從圖7—9 中可以看出: 并聯(lián)式懸架各項的最大值要比獨立式懸架小(具體數(shù)據(jù)可見表2) ，并聯(lián)式油氣懸架組系統(tǒng)壓力、輪胎動載荷、垂直加速度的最大值分別降低5.5%、5.1%和17.6%，并聯(lián)式油氣懸架組系統(tǒng)壓力、輪胎動載荷、垂直加速度曲線震蕩幅度較小，說明并聯(lián)式懸架的性能要優(yōu)于獨立式懸架。

表2 兩種懸架系統(tǒng)最大值數(shù)據(jù)對比

6 結論

首先確立了雙橋油氣懸架的7 自由度簡化振動模型，然后在AMESim 軟件環(huán)境中，分析并聯(lián)式油氣懸架和獨立式油氣懸架模型主要區(qū)別，并基于AMESim仿真軟件建立并聯(lián)式和獨立式油氣懸架仿真模型。對兩種油氣懸架系統(tǒng)進行對比分析，通過對比兩種懸架系統(tǒng)的壓力、輪胎動載荷、垂直加速度等參數(shù)的最大值，得出并聯(lián)式懸架的性能指標要優(yōu)于獨立式懸架，為多橋油氣懸架系統(tǒng)的進一步研究及設計方面做了鋪墊。

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