七橋混合耦連油氣懸架車輛仿真與試驗(yàn)

田文朋 易小剛 郭 磊 郭雁軍

1.長(zhǎng)安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安，710061 2.三一石油智能裝備有限公司，北京，102202

0 引言

多橋車輛要求多橋懸架之間互相協(xié)作、動(dòng)態(tài)配合，因此多橋車輛目前越來(lái)越多地采用性能優(yōu)良的油氣懸架系統(tǒng)。油氣懸架可有效緩沖外界沖擊，快速衰減車輛振動(dòng)，將多橋間的油氣懸架通過(guò)油液管路按照一定方式進(jìn)行耦連，可進(jìn)一步提高車輛的平順性和穩(wěn)定性，并減小車身所受的扭矩，延長(zhǎng)車輛的使用壽命。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于耦連式油氣懸架的車輛振動(dòng)研究較多。蔡炎龍等［1］、王增全等［2］對(duì)單橋連通式油氣懸架進(jìn)行了建模仿真和試驗(yàn)研究，分析了懸架參數(shù)對(duì)懸架系統(tǒng)及整車的振動(dòng)特性的影響；CAO等［3-5］研究了連通式油氣懸架的非線性特性和車輛的抗俯仰與側(cè)傾能力；郭孔輝等［6］研究了雙軸車輛的后軸油氣懸架連通對(duì)車輛平順性和操縱穩(wěn)定性的影響。關(guān)于多橋車輛油氣懸架的研究也有很多。YANG等［7］研究了油氣平衡懸架多軸車輛的平順性；林國(guó)問(wèn)等［8］仿真分析了基于1/4車模型的多軸連通式和獨(dú)立式油氣懸架對(duì)某型導(dǎo)彈發(fā)射車的振動(dòng)性能的影響。以上關(guān)于耦連油氣懸架的研究主要為同軸或同側(cè)的油氣懸架單獨(dú)耦連特性的相關(guān)研究?？紤]綜合以上兩種耦連方式的優(yōu)點(diǎn)，本文將七橋車輛的油氣懸架進(jìn)行混合耦連，建立整車聯(lián)合仿真模型，并利用實(shí)際道路試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型的正確性，最后借助仿真模型分析了油氣懸架特性參數(shù)對(duì)車輛振動(dòng)特性的影響。

1 油氣懸架耦連原理及整車模型

1.1 油氣懸架系統(tǒng)耦連原理

圖1為本文所研究的七橋車輛的油氣懸架系統(tǒng)完整的液壓原理圖。原理圖中前后主閥塊上安裝有多種液壓閥，這些液壓閥只是起到油路通斷、溢流保護(hù)等作用，在油氣懸架系統(tǒng)正常工況下，主閥塊與懸架系統(tǒng)連接口全部切斷，7個(gè)車橋可分為前后兩個(gè)相互獨(dú)立的部分。圖1中，上下兩條實(shí)線表示的為進(jìn)出油路，在某些特殊的工況下（例如提高車身高度），通過(guò)控制主閥塊的通斷實(shí)現(xiàn)油氣懸架系統(tǒng)的充放油，正常工作時(shí)可不予考慮。

圖1 七橋混合耦連油氣懸架液壓原理圖Fig.1 Hydraulic schematic diagram of seven spindled hybrid coupled hydro-pneumatic suspension

油氣懸架系統(tǒng)被分成前后兩個(gè)部分，前三橋懸架左側(cè)油缸連通的有桿腔與右側(cè)連通的無(wú)桿腔耦連，左側(cè)油缸連通的無(wú)桿腔與右側(cè)連通的有桿腔耦連；后四橋懸架左側(cè)油缸連通的有桿腔與右側(cè)連通的無(wú)桿腔耦連，左側(cè)油缸連通的無(wú)桿腔與右側(cè)連通的有桿腔耦連。將以上這種連通形式稱作混合耦連。蓄能器油路上的阻尼孔和單向閥配合實(shí)現(xiàn)不同行程的不同阻尼特性，壓力表和壓力傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力，開(kāi)關(guān)閥只起到油路通斷的作用，在本文研究的工況下，開(kāi)關(guān)閥全部處于接通的狀態(tài)，可忽略?；旌像钸B形式的油氣懸架可以提高整車的側(cè)傾剛度及俯仰剛度，實(shí)現(xiàn)多橋車輛的載荷均勻分配。

1.2 七橋車輛整車結(jié)構(gòu)模型

將某公司七橋混合耦連式油氣懸架車輛進(jìn)行必要簡(jiǎn)化，只保留與整車振動(dòng)特性相關(guān)的主要部分，忽略次要因素，具體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。整車模型主要由車身、懸架油缸、蓄能器、單向閥、阻尼孔、管路和車輪組成，輪胎等效成彈簧和阻尼系統(tǒng)。懸架油缸分別固定在車架和車輪上，承載車身質(zhì)量并緩解車身或車輪振動(dòng)，在車輛行駛過(guò)程中，路面對(duì)車輪的沖擊造成油缸拉伸或壓縮，油液往復(fù)地通過(guò)阻尼元件使車輛振動(dòng)能量衰減，蓄能器作為剛度元件，通過(guò)充放油來(lái)減小車輛振動(dòng)沖擊。油氣懸架的剛度和阻尼特性相互配合，可有效降低車身振動(dòng)，緩解路面沖擊。

圖2 七橋混合耦連油氣懸架車輛模型Fig.2 Model of seven axle hybrid coupled hydro pneumatic suspension vehicle

2 整車聯(lián)合仿真建模

本文所研究的七橋車輛是一個(gè)復(fù)雜的車輛系統(tǒng)，涉及較多的零部件，通過(guò)求解數(shù)學(xué)模型或單一軟件仿真均難以獲得其有效的振動(dòng)特性，需根據(jù)各系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇較適應(yīng)的仿真軟件，在動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整車的聯(lián)合仿真。

2.1 十七自由度整車動(dòng)力學(xué)模型

為了能夠準(zhǔn)確地反映車輛的振動(dòng)情況，本文選取整車17個(gè)自由度進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。17個(gè)自由度分別為：車身垂向振動(dòng) z；側(cè)傾角 β；俯仰角θ；左側(cè)第一橋至第七橋車輪懸架油缸垂向位移ZL1，ZL2，…，ZL7；右側(cè)第一橋至第七橋車輪懸架油缸垂向位移 ZR1，ZR2，…，ZR7。根據(jù) 1.1節(jié)的原理分析，整個(gè)油氣懸架系統(tǒng)被分成前后兩個(gè)相互獨(dú)立部分，為簡(jiǎn)化路面模型的復(fù)雜性，距離較近的車輪采用同一種路面激勵(lì)?？紤]四個(gè)部分的路面隨機(jī)激勵(lì)：q1為前三橋左側(cè)車輪的路面激勵(lì)；q2為后四橋左側(cè)車輪的路面激勵(lì)；q3為前三橋右側(cè)車輪的路面激勵(lì)；q4為后四橋右側(cè)車輪的路面激勵(lì)。

取靜平衡位置作為系統(tǒng)原點(diǎn)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)力學(xué)定律，得到整車動(dòng)力學(xué)微分方程如下：

式中，M 為車身質(zhì)量，kg；ν為車輛行駛的速度；JX為車身俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；JY為車身側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；L1，L2，…，L7為各個(gè)車橋到車身質(zhì)心的距離，m；d 為兩側(cè)懸架油缸支撐處到車身質(zhì)心的距離，m；hθ、hβ分別為簧載質(zhì)心到俯仰中心、側(cè)傾中心的高度；ML1，ML2，…，ML7為 7個(gè)車橋左側(cè)的非簧載質(zhì)量，kg；MR1，MR2，…，MR7為7個(gè)車橋右側(cè)的非簧載質(zhì)量，kg；k為車輪等效剛度；c為車輪等效阻尼；SY為懸架油缸有桿腔有效作用面積；SW為懸架油缸無(wú)桿腔有效作用面積；pYRi、pWRi分別為右側(cè)第i個(gè)懸架油缸有桿腔和無(wú)桿腔壓力；pYLi、pWLi分別為左側(cè)第i個(gè)懸架油缸有桿腔和無(wú)桿腔壓力。

2.2 聯(lián)合仿真模型

油氣懸架系統(tǒng)主要包含油缸、蓄能器、卸荷閥、開(kāi)關(guān)閥、節(jié)流孔、管路、液壓油，考慮油液的壓縮性、管路的沿程阻尼以及元件的內(nèi)泄漏等因素，為了使得仿真結(jié)果盡可能接近事實(shí)，采用專業(yè)液壓系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)AMEsim進(jìn)行仿真分析，該平臺(tái)充分考慮液壓系統(tǒng)特性，利用其提供的各種物理庫(kù)中的元件搭建系統(tǒng)，然后配置所需參數(shù)即可仿真分析。

采用以Simulink仿真平臺(tái)為主的聯(lián)合仿真方式，將懸架系統(tǒng)的AMESim仿真模型，經(jīng)過(guò)編譯后生成Simulink可以直接調(diào)用的S-Function模塊，根據(jù)油氣懸架的耦連原理和整車動(dòng)力學(xué)模型，建如圖3所示的基于Simulink/AMESim的整車聯(lián)合仿真模型。

3 路面時(shí)域模型

路面激勵(lì)作為汽車的主要振源輸入，是整車性能仿真中必不可少的環(huán)節(jié)，路面時(shí)域模擬是汽車性能仿真分析的前提，本文采用物理意義明確的濾波整形白噪聲法生成路面時(shí)域模型［9］。對(duì)于本文連通式油氣懸架系統(tǒng)，需考慮左右輪路面輸入相關(guān)性和前后輪輸入相關(guān)性，建立四部分相關(guān)路面輸入狀態(tài)方程如下：

式中，v0為車輛行駛速度；nc為路面空間下截止頻率，取nc=0.01 Hz；Sq(n0)為路面不平度系數(shù)；n0為參考空間頻率，取n0=0.1 Hz；W(t)為均值為零的高斯白噪聲；近似為

圖3 基于Simulink/AMESim的整車聯(lián)合仿真模型Fig.3 Joint simulation model based on Simulink/AMESim

根據(jù)以上路面輸入狀態(tài)方程，在Simulink中建立路面仿真模型，選擇常用的C級(jí)路面分析，由此噪聲序列生成路面時(shí)域信號(hào)如圖4所示。將構(gòu)建的C級(jí)路面模擬信號(hào)作為聯(lián)合仿真的輸入激勵(lì)。

圖4 C級(jí)路面時(shí)域模擬信號(hào)Fig.4 Time-domain simulation signal of C class road surface

4 整車試驗(yàn)與仿真研究

為驗(yàn)證仿真模型的正確性，基于某型七橋混合耦連油氣懸架車輛進(jìn)行實(shí)際道路行駛試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)過(guò)程及車輛參數(shù)

試驗(yàn)用車是某公司自行研制的大型七橋全液壓底盤(pán)消防車，參照GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》在公司的調(diào)試場(chǎng)地進(jìn)行隨機(jī)道路行駛試驗(yàn)［10］，試驗(yàn)道路為平直路面，長(zhǎng)度不小于500 m，縱坡不大于1%，不平度均勻無(wú)突變，路面干燥。

將磁環(huán)式加速度傳感器和壓力傳感器分別安裝在質(zhì)心和懸架處，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將來(lái)自于傳感器的電壓信號(hào)處理成所需的圖形和數(shù)據(jù)文件，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 車輛實(shí)際道路試驗(yàn)Fig.5 Actual road test of vehicle

此次試驗(yàn)中，上車臂架部分未安裝，以配重代替上車部分，理論建模時(shí)也是把簧載質(zhì)量作為質(zhì)量塊處理的，這樣試驗(yàn)車況與仿真更接近。整車試驗(yàn)及仿真參數(shù)如表1所示。

表1 七橋全液壓底盤(pán)車輛主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of seven spindled vehicle

4.2 試驗(yàn)和仿真結(jié)果分析

對(duì)車輛質(zhì)心處的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，選取質(zhì)心垂向加速度作為分析指標(biāo)，對(duì)比分析試驗(yàn)和仿真結(jié)果，選取C級(jí)路面下車速為40 km/h和60 km/h的仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到質(zhì)心加速度曲線和功率譜密度曲線對(duì)比如圖6～圖9所示。

圖6 40 km/h下的質(zhì)心垂向加速度曲線Fig.6 Vertical acceleration curve of centroid under 40 km/h

圖7 60 km/h下的質(zhì)心垂向加速度曲線Fig.7 Vertical acceleration curve of centroid under 60 km/h

圖8 40 km/h下的功率譜密度曲線Fig.8 Power spectrum curve under 40 km/h

圖9 60 km/h下的功率譜密度曲線Fig.9 Power spectrum curve under 60 km/h

對(duì)以上數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行處理并計(jì)算，得到各車速下加速度均方根值和功率譜峰值對(duì)比如表2所示。

表2 試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Comparison of experiment and simulation data

從圖6～圖9的數(shù)據(jù)曲線對(duì)比可知，質(zhì)心加速度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合；表2中，對(duì)比分析了質(zhì)心加速度均方根值和加速度功率譜峰值，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在5%～8%之間，這是因?yàn)榉抡婺Ｐ褪窃趯?duì)實(shí)物作了部分假設(shè)的基礎(chǔ)上建立的，此誤差在工程分析允許的范圍內(nèi)。以上結(jié)果表明建立的整車聯(lián)合仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性，可以作為后續(xù)研究工作的依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）將某七橋車輛的油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行混合耦連，結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和整車十七自由度動(dòng)力學(xué)模型，建立了整車的Simulink/AMESim聯(lián)合仿真模型。該仿真模型以Simulink為主仿真平臺(tái)，將白噪聲法生成的相關(guān)性路面時(shí)域模擬信號(hào)作為仿真激勵(lì)。

（2）對(duì)整車進(jìn)行聯(lián)合仿真和實(shí)際道路試驗(yàn)研究，在40 km/h和60 km/h的車速下，仿真與試驗(yàn)的質(zhì)心加速度曲線和質(zhì)心加速度功率譜曲線均能較好地吻合，質(zhì)心加速度均方根值和功率譜密度峰值的仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差小于8%，所建立的整車模型具有較高的準(zhǔn)確性。

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（編輯 王艷麗）

作者簡(jiǎn)介：田文朋，男，1987年生，博士研究生。研究方向?yàn)闄C(jī)械液壓系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與動(dòng)態(tài)仿真分析。發(fā)表論文5篇。E-mail：549688958@qq.com。