WC5E無軌膠輪車液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)的研發(fā)

王登化

（1.常州科研試制中心有限公司，江蘇 常州 213023；2.江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013；3.江蘇省煤礦井下防爆車輛重點實驗室，江蘇 常州 213023）

WC5E無軌膠輪車是一種以防爆柴油機(jī)為動力、液力機(jī)械傳動、后輪驅(qū)動的煤礦井下工程車，主要應(yīng)用于有瓦斯煤礦井下運輸作業(yè)，該車具有操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)彎半徑小、運輸效率高及爬坡能力強等優(yōu)點，其外形尺寸及結(jié)構(gòu)見圖1。

但隨著煤礦輔助運輸設(shè)備國產(chǎn)化越來越多，競爭更加激烈的現(xiàn)實，為進(jìn)一步提高WC5E無軌膠輪車的整車行駛平順性，增強其市場綜合競爭力，提升客戶用車滿意度，在不影響整車裝載能力及原有性能的前提下，公司出資對WC5E無軌膠輪車懸架進(jìn)行系列優(yōu)化，以提高其行駛平順性，其研發(fā)過程及方法如下。

圖 1

1 原車基本參數(shù)測定

1.1 車輛物理參數(shù)的測定

在液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)設(shè)計之前，首先需要知道車輛的物理參數(shù)，需要進(jìn)行車輛空載、滿載的前、后載荷的測量，質(zhì)心位置的確定。為后期液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)匹配性設(shè)計提供參數(shù)，原車基本參數(shù)測定結(jié)果如表1。

表1 原車基本參數(shù)

1.2 原車偏頻測定

為達(dá)到不降低承載能力，并提高車輛舒適性的目的，需要確定原WC5E無軌膠輪車的垂向模態(tài)參數(shù)，然后根據(jù)測得的模態(tài)參數(shù)估算車輛物理參數(shù)。為得到較好的舒適性效果，垂向振動頻率要降低。根據(jù)車輛跌落實驗測得原車前輪跌落頻率3.632Hz，后輪跌落頻率4.136Hz，同時得到原車的頻域響應(yīng)曲線。

2 液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)的設(shè)計與裝配

2.1 鋼板彈簧的改進(jìn)

2.1.1 前、后懸架的偏頻

式中：f01為前懸架偏頻；ks1為前懸架剛度；mu1為前懸架簧上質(zhì)量；f02為后懸架偏頻；ks2為后懸架剛度；mu2為后懸架簧上質(zhì)量。

理論證明，車輛以較高速度行駛過單個路障，前、后懸架的偏頻之比f01＜f02時的車身縱向角振動要比f01＞f02時小。因此，不同用途車輛對前、后懸架的偏頻有不同要求。對于貨車，前懸架的滿載偏頻要求是1.5∽2.1Hz，后懸架的滿載偏頻要求是1.7∽2.17Hz。

2.1.2 前、后懸架的靜撓度

若采用線性變化的彈性懸架，其前、后懸架靜撓度可表達(dá)為：

式中：δs1為前懸架靜撓度；ks1為前懸架剛度；mu1為前懸架簧上質(zhì)量；g為重力加速度；δs2為后懸架靜撓度；ks2為后懸架剛度；mu2為后懸架簧上質(zhì)量。

為防止車身產(chǎn)生較大的縱向角振動，前后懸架靜撓度應(yīng)盡量接近，且使后懸架靜撓度小于前懸架靜撓度，即δs2＜δs1。對于貨車，后懸架靜撓度是前懸架靜撓度 0.6∽0.8倍，即：

2.1.3 懸架的動撓度

從滿載平衡位置開始，懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形時的撓度稱為懸架的動撓度δd。通常要求懸架應(yīng)該有足夠的動撓度，以防止在路面上行駛時經(jīng)常撞擊緩沖塊。對于貨車，動撓度δd取6∽9cm。

2.1.4 懸架剛度設(shè)計與驗證

剛度設(shè)計應(yīng)考慮車輛類型與參數(shù)，以及車輛對前、后懸架偏頻的要求，對前、后懸架的剛度進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，其設(shè)計計算公式如下：

式中：ks1為前懸架剛度；f01為前懸架設(shè)計所要求的偏頻；mu1為前懸架簧上質(zhì)量；ks2為后懸架剛度；f02為后懸架設(shè)計所要求的偏頻；mu2為后懸架簧上質(zhì)量。

前、后懸架剛度設(shè)計后，要對前、后懸架剛度設(shè)計值進(jìn)行懸架靜撓度及動撓度的驗證。

2.1.5 驗證靜撓度

將設(shè)計得到的懸架剛度設(shè)計值代入，可得前、后懸架的靜撓度分別為：

式中：δs1為前懸架靜撓度；ks1為前懸架剛度；mu1為前懸架簧上質(zhì)量；g為重力加速度；f01為前懸架偏頻；δs2為后懸架靜撓度；ks2為后懸架剛度；mu2為后懸架簧上質(zhì)量；f02為后懸架偏頻。

2.1.6 驗證動撓度

設(shè)計前、后懸架的剛度ks1和ks2之后，要依據(jù)車輛行駛振動的分析理論，對懸架動撓度進(jìn)行計算，驗證其是否在車輛懸架設(shè)計所規(guī)定的動撓度范圍之內(nèi)。假設(shè)車輛行駛路面輸入譜為 Gq(n0)，車輛行駛速度為 v，懸架質(zhì)量比為 rm，懸架剛度為ks，懸架阻尼比為ξ，則懸架動撓度均方值δδd為：

基于舒適性的車輛懸架最佳阻尼比為：

式中：rm為懸架的質(zhì)量比；rk為懸架的剛度比。車輛空載參數(shù)見表2。

表2 車輛空載參數(shù)列表

滿載前輪：

后輪：

滿載：

動撓度：考慮工況比較惡劣，礦車主要行駛路面取為D∽F級路面。

空載：

2.1.7 結(jié)論

后輪底盤距離：

后輪空載現(xiàn)有可用間隙40mm，考慮加載之后車身下降，又要保證動撓度后輪需要再增加 55mm；后輪漸變鋼板彈簧剛度計劃空載580N/mm，計劃滿載840N/mm。

前輪底盤距離：

前輪空載現(xiàn)有可用間隙 30mm，又要保證動撓度前輪需要再增加45mm；前輪鋼板彈簧計劃剛度改進(jìn)680N/mm。

2.2 液壓互聯(lián)懸架油缸與蓄能器的設(shè)計

對原車實驗測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，建立準(zhǔn)確的整車七自由度振動模型；將識別得到的物理參數(shù)和模態(tài)參數(shù)代入四自由度振動模型進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計與之相匹配的液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)。

確定液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)中各元件尺寸、型號等參數(shù)，繪制圖紙并加工，主要零部件明細(xì)見表3。

表3 主要零部件明細(xì)

2.3 阻尼器設(shè)計

基于車輛參數(shù)的減振器閥系參數(shù)設(shè)計的關(guān)鍵點是如何根據(jù)車輛參數(shù)確定出與車輛懸架達(dá)到最佳阻尼匹配的減振器速度特性曲線，然后根據(jù)所得到的減振器最佳阻尼匹配速度特性曲線，利用關(guān)于速度特性的減振器閥系參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

最終確認(rèn)減振器參數(shù)為：

前橋：復(fù)原阻力：Pf=7791±1600N，壓縮阻力：Py=2597±520N；

后橋：復(fù)原阻力：Pf=10020±2000N，壓縮阻力：Py=3340±700N；

前后橋的最大拉伸長度Lmax=485±5mm，壓縮到底長度Lmin=315±5mm，行程S=160mm。

2.4 管路設(shè)計與連接

在此液壓懸掛系統(tǒng)中，因為整車前后橋為鉸接式連接，考慮將前后橋的互聯(lián)取消，僅把左側(cè)液壓缸上腔與右側(cè)液壓缸上腔相連構(gòu)成一條油路，左側(cè)液壓缸下腔與右側(cè)液壓缸下腔相連組成另一油路。每一油路上安裝一儲能器，并預(yù)設(shè)油壓。當(dāng)左右液壓缸反向運動時，二油路內(nèi)的液壓油容積并不變化，因此沒有壓力變化。當(dāng)四個車輪向上運動時，則其中一條油路內(nèi)的液壓油處于壓縮狀態(tài)，由于儲能器的作用而使該封閉油回路壓力升高；另一條油路內(nèi)的液壓油處于擴(kuò)張狀態(tài)，從而壓力減少。兩油路壓力之差在油缸活塞處形成，于是通過四油缸構(gòu)成抑制車輪向上運動的作用力，其原理見圖2。

圖2 液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)原理圖

2.5 液壓互聯(lián)懸架的裝配

參照原車的現(xiàn)有空間，確定液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)在車輛上的安裝位置，主要是油缸、減震器、蓄能器的裝配位置，同時注意不影響整車的使用與維修；更換新板簧，安裝各元件支架；完成液壓管路布置，將各液壓系統(tǒng)元件連接于液壓管路，并安裝到車輛上，得到完整的液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)。

3 試驗數(shù)據(jù)處理與對比

通過頻域響應(yīng)曲線可以得到原車和改裝后的車輛在不同振動模式下的固有頻率，其固有頻率對比見表4。

表4 原車與安裝HIS車輛頻率（Hz）對比

通過偏頻實驗測試可以看出，安裝 HIS(2.5MPa)后車輛的偏頻相對于原車減小，懸架系統(tǒng)剛度減小，從而達(dá)到提高車輛舒適性的目的。

4 試裝與試驗小結(jié)

通過原車與加裝液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)礦車的對比試驗，可得出如下結(jié)論：

1）WC5E無軌膠輪車改裝之前，動態(tài)參數(shù)識別實驗數(shù)據(jù)表明車輛的垂向振動頻率較高，懸架剛度過硬。通過加裝一套新型液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)，能夠很好改善車輛舒適性；

2）從隨機(jī)路面加速度功率譜結(jié)果來看，同時參照車輛行駛平順性評價標(biāo)準(zhǔn)，以加速度均方根值為評估依據(jù)，改裝后的車輛相比原車加速度均方根值與峰值減小了25%以上，可見舒適性有一定程度改善。同時，分別乘坐原車和改裝后車輛，主觀感受再次驗證車輛舒適性有所提高；

3）從動態(tài)參數(shù)識別的結(jié)果來看，改裝后的HIS車輛前、后偏頻降低，表明懸架系統(tǒng)剛度減小，從頻域角度驗證了改裝車輛的舒適性明顯提高。同時車輛后橋板簧為漸變剛度板簧，空載剛度較低，隨著加載質(zhì)量增加，板簧剛度可以逐漸變大，從而提高車輛舒適性；

4）考慮 WC5E工程車的后車廂需要加載，當(dāng)每次裝載貨物之前需要打開安裝在后輪的液壓互聯(lián)懸架球閥，保證加載時上、下回路壓力相等，裝載完成后關(guān)閉球閥。根據(jù)剎車實驗結(jié)果可知，由于板簧改進(jìn)變薄，HIS車輛剎車縱向位移稍大。鑒于此情況，在保證剛度不變的情況下，可以改變板簧前一片厚度，可以減小車輛剎車縱向位移，從而提高板簧使用壽命。

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