應(yīng)用慣容器提升液壓互聯(lián)懸架性能的研究

黃開啟，趙沛竹，陳俊杰

（江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州341000）

懸架系統(tǒng)的性能對(duì)車輛的平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性有直接影響[1－2]。由彈簧和阻尼組成的傳統(tǒng)被動(dòng)懸架目前已經(jīng)接近性能極限，如何繼續(xù)提高懸架性能成為研究熱點(diǎn)[3]。

互聯(lián)懸架使原本獨(dú)立的車輪在運(yùn)動(dòng)過程中能夠?qū)ζ渌囕啴a(chǎn)生特定影響，讓整個(gè)懸架系統(tǒng)成為有關(guān)聯(lián)性的整體，實(shí)現(xiàn)車身運(yùn)動(dòng)模態(tài)的解耦，有針對(duì)性地提升懸架系統(tǒng)性能。Zhang 等[4]建立液壓互聯(lián)懸架（hydraulic interconnected suspension，HIS）系統(tǒng)車輛頻域模型和時(shí)域模型；Smith 等[5－6]在頻域內(nèi)研究HIS 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)車輛側(cè)傾角和輪胎動(dòng)載荷的影響，證明HIS 系統(tǒng)抗側(cè)傾性能優(yōu)于橫向穩(wěn)定桿（anti-roll bar，ARB），并通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)論的有效性；Xu等[7]提出一種可以對(duì)俯仰和側(cè)傾進(jìn)行獨(dú)立控制的互聯(lián)懸架，相比傳統(tǒng)懸架擁有更優(yōu)秀的操縱穩(wěn)定性；Zhang等[8]提出一種新型的被動(dòng)互聯(lián)懸架，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)垂向和俯仰運(yùn)動(dòng)的協(xié)同控制，提升了礦用車輛的平順性和操縱性能；陳盛釗等[9]研究HIS系統(tǒng)參數(shù)對(duì)車輛性能的影響并通過試驗(yàn)證明結(jié)論的有效性。

慣容器的出現(xiàn)為懸架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)提供了新路線。Smith 等[10]提出“慣容器”概念和“慣容-彈簧-阻尼”(inerter-spring-damper，ISD)懸架；沈鈺杰等[11]研究ISD 懸架對(duì)車輛側(cè)向穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明車輛防側(cè)傾性能得到顯著提升；張孝良等[3]提出一種三元件ISD 懸架，實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明汽車的行駛平順性得到了明顯提升；陳龍等[12]對(duì)ISD 懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)匹配和優(yōu)化。慣容器能夠根據(jù)兩端點(diǎn)的加速度差提供非線性的慣性力，有效地抑制車身運(yùn)動(dòng)。在應(yīng)用中存在機(jī)械式慣容器行程較短容易被擊穿、液力式慣容器液壓缸不能被充分利用的缺點(diǎn)。

慣容器和互聯(lián)懸架的綜合研究目前較少。Wang 等[13]設(shè)計(jì)一種液壓互聯(lián)慣容-彈簧-阻尼懸架（hydraulically interconnected inerter-spring-damper suspension，HIISDS），通過仿真驗(yàn)證了HIISDS 的有效性；汪若塵等[14]提出一種液壓互聯(lián)ISD懸架，在直線行駛與轉(zhuǎn)彎時(shí)分別使用ISD懸架模式與互聯(lián)懸架模式，有效地協(xié)調(diào)了車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性；張?zhí)颷15]將互聯(lián)的方式應(yīng)用到ISD 懸架中，設(shè)計(jì)一種橫向互聯(lián)油氣ISD懸架，并進(jìn)行了建模與試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文將慣容器應(yīng)用于液壓互聯(lián)懸架中，設(shè)計(jì)了一種新型液壓互聯(lián)慣容懸架（hydraulic interconnected inerter suspension，HIIS）。HIIS 同時(shí)具有液壓互聯(lián)懸架和慣容器的優(yōu)點(diǎn)，能在不改變?cè)谢ヂ?lián)懸架系統(tǒng)初始狀態(tài)抗側(cè)傾和抗俯仰剛度的情況下，提升其工作狀態(tài)下的性能。通過整車建模和動(dòng)態(tài)仿真，對(duì)比了HIIS、HIS 和ARB 車輛抗側(cè)傾和抗俯仰能力的差異，并分析了HIIS 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)抗側(cè)傾能力的影響。

1 HIIS系統(tǒng)介紹與建模

HIIS系統(tǒng)主要由液力式慣容器、阻尼閥、液壓管路、蓄能器和雙作用液壓作動(dòng)器組成，如圖1所示。

圖1 HIIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4個(gè)雙作用液壓作動(dòng)器分別安裝在4個(gè)懸架處，無桿腔與簧上質(zhì)量連接，作動(dòng)器桿與簧下質(zhì)量連接。選用氣體式蓄能器，為系統(tǒng)吸收液壓沖擊以及提供剛度特性。通過管路將左上（左下）作動(dòng)器上腔與右下（右上）作動(dòng)器下腔連接，左上（左下）作動(dòng)器下腔與右下（右上）作動(dòng)器上腔連接，形成X型交叉互聯(lián)。對(duì)每個(gè)液壓支路安裝一個(gè)蓄能器，在每個(gè)蓄能器與液壓支路連接處加裝一個(gè)液力式慣容器。

工作原理：當(dāng)懸架產(chǎn)生側(cè)傾和俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，左前（左后）作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)總是與右后（右前）液壓缸相反。液壓管路采用X 型互聯(lián)，在車身處于俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，蓄能器中始終有油液流入、流出，引起蓄能器內(nèi)氣體體積與壓力的變化，為車身提供抗側(cè)傾和抗俯仰力矩。在蓄能器前加裝慣容器，油液需經(jīng)過液力式慣容器中的液壓馬達(dá)流入或流出蓄能器。當(dāng)油液流經(jīng)液壓馬達(dá)時(shí)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)飛輪一起旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)力的放大機(jī)構(gòu)，為懸架系統(tǒng)提供額外的非線性作用力，提高懸架的抗側(cè)傾能力和抗俯仰能力。

對(duì)HIIS系統(tǒng)做以下假設(shè)：

（1）不考慮油液的可壓縮性；

（2）不考慮溫度對(duì)油液密度和黏度的影響；

（3）假設(shè)系統(tǒng)中油液流動(dòng)始終為處于層流狀態(tài)；

（4）液壓系統(tǒng)中各個(gè)作動(dòng)器幾何尺寸相同，上下腔面積差相同，面積比相同且不存在摩擦與泄漏。

車輛處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，地面輸入經(jīng)車輪傳入懸架系統(tǒng)，引起液壓系統(tǒng)中油液的流動(dòng)。該過程中，蓄能器中氣體體積的變化量始終等于與其相連接的作動(dòng)器腔內(nèi)油液的變化量之和，即：

蓄能器中氣體瞬時(shí)壓力Pi和體積Vi與蓄能器初始體積為Vi0、初始?jí)毫镻i0遵循理想氣體狀態(tài)過程，即：

管路的行程壓力損失為：

選用易于工程化的液力式慣容器[16]，力FB為：

式中：I為液壓馬達(dá)和飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；A為液壓作動(dòng)器內(nèi)有效截面積；D是單位為m3的常數(shù)；為與慣容器“并聯(lián)”的液壓作動(dòng)器活塞的位移加速度。

HIIS系統(tǒng)中慣容器通過管路與不同的液壓作動(dòng)器上下腔連接，作動(dòng)器上下腔面積不同，無法準(zhǔn)確計(jì)算A，所以將慣容器產(chǎn)生的力改寫為流量和壓力差的形式。流體經(jīng)慣容器產(chǎn)生的壓力差為：

式中：V為液壓馬達(dá)排量；ηm為液壓馬達(dá)機(jī)械效率；ηv為容積效率；Qi為慣容器i內(nèi)流體的流量，其計(jì)算式為：

HIIS系統(tǒng)各液壓作動(dòng)器上、下腔壓力為：

HIIS系統(tǒng)液壓作動(dòng)器作用力Fi為：

式中：Ati、Abi、Pti、Pbi分別為液壓作動(dòng)器上、下腔截面積和壓力。

2 系統(tǒng)抗側(cè)傾剛度分析與參數(shù)匹配

圖2 為安裝HIIS 系統(tǒng)的整車模型。ψ為橫擺角；φ為側(cè)傾角；θ為俯仰角；ms為簧上質(zhì)量；zs為垂向位移；Ixx、Iyy、Izz分別為簧上質(zhì)量繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；tf、tr分別為前、后輪距的一半；a、b分別為質(zhì)心到前、后軸的距離；mui(i=1,2,3,4)為左前、右前、左后、右后簧下質(zhì)量；ksi為彈簧剛度；csi為阻尼；zgi車輪垂向位移；zui為簧下質(zhì)量垂向位移。

圖2 整車動(dòng)力學(xué)模型

在車輛僅做側(cè)傾運(yùn)動(dòng)時(shí)，側(cè)傾角為φ，在側(cè)傾角度較小時(shí)，作動(dòng)器位移Zi分別為：

前后軸側(cè)傾剛度分別為：

其中：

由式（10）、式（11）可知，HIIS系統(tǒng)提供的初始側(cè)傾剛度由蓄能器初始初壓力Pi0和氣體體積Vi0決定。慣容器不影響液壓互聯(lián)系統(tǒng)初始抗側(cè)傾剛度。

設(shè)計(jì)ARB、HIS系統(tǒng)和HIIS系統(tǒng)參數(shù)，使其在側(cè)傾角度為零時(shí)，懸架側(cè)傾剛度相同。車輛參數(shù)如表1所示。

表1 車輛主要參數(shù)

3 仿真分析

3.1 單缸仿真模型驗(yàn)證

在AMESim 和MATLAB 中分別建立相同的單缸模型。液壓缸腔體固定，對(duì)活塞桿施加頻率為1 Hz、幅值為0.1 m的正弦激勵(lì)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型的有效性。圖3為單缸模型簡(jiǎn)圖，圖4為單缸仿真模型，圖5為仿真結(jié)果。

圖3 HIIS單缸模型簡(jiǎn)圖

圖4 AMESim單缸仿真模型圖

圖5 單缸仿真結(jié)果

3.2 整車模型仿真分析

在AMESim中建立模型對(duì)車輛進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)，其中車輛主要參數(shù)如表1所示。

3.2.1 蛇形試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 6323－2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》進(jìn)行蛇形試驗(yàn)，車輛以穩(wěn)定車速通過試驗(yàn)路段。選用車身側(cè)傾角和側(cè)向加速度為操縱穩(wěn)定性主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表2、表3分別為試驗(yàn)車速下通過有效標(biāo)樁內(nèi)平均車身側(cè)傾角、平均車身側(cè)向加速度數(shù)據(jù)。由表可知，不同車速工況下HIIS 車輛、ARB 車輛和HIS 車輛車身側(cè)向加速度基本一致。20 km/h時(shí)，HIIS車輛相對(duì)于ARB 車輛、HIS 車輛側(cè)傾角分別下降39.37 %、6.31 %；40 km/h 時(shí)分別下降45.70 %、11.74 %；60 km/h 時(shí)分別下降46.94 %、14.50 %；80 km/h 時(shí)分別下降50.49%、18.11%。HIIS 系統(tǒng)能夠有效控制車輛側(cè)傾角度，試驗(yàn)車速越高下降越明顯。

表2 平均車身側(cè)傾角對(duì)比

表3 平均車身側(cè)向加速度對(duì)比

3.2.2 魚鉤試驗(yàn)

魚鉤試驗(yàn)是檢驗(yàn)車輛抗側(cè)傾能力試驗(yàn)中工況最惡劣的試驗(yàn)之一，可以有效反映車輛在極端情況下的抗側(cè)傾能力。設(shè)置車輛以100 km/h 車速完成實(shí)驗(yàn)，車輛方向盤轉(zhuǎn)角和車輛側(cè)傾角對(duì)比如圖6所示。HIIS 車輛相對(duì)于ARB 車輛和HIS 車輛側(cè)傾角下降明顯，抗側(cè)傾能力提升。

圖6 轉(zhuǎn)向盤輸入及車輛側(cè)傾角對(duì)比

3.2.3 制動(dòng)試驗(yàn)

采用“制動(dòng)減速”和“緊急制動(dòng)”兩種工況對(duì)比HIIS 車輛、ARB 車輛和HIS 車輛的抗俯仰能力?！爸苿?dòng)減速”和“緊急制動(dòng)”時(shí)車輛車速變化和車輛俯仰角對(duì)比如圖7、圖8所示。

圖7 制動(dòng)減速試驗(yàn)中車速及俯仰角對(duì)比

圖8 緊急制動(dòng)試驗(yàn)中車速及俯仰角對(duì)比

由圖可知，在“制動(dòng)減速”工況下HIIS車輛相對(duì)于ARB 車輛和HIS 車輛俯仰角極值分別下降63.74 %、30.84 %?！熬o急制動(dòng)”工況下分別下降60.20%、33.05%。HIIS車輛俯仰角變化較小，車身縱向載荷轉(zhuǎn)移小，制動(dòng)效能利用率高，駕駛員受俯仰影響小，安全性更高。

4 HIIS 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)車輛抗側(cè)傾性能的影響分析

HIIS 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)車輛性能有重要影響。分析HIIS系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)車輛性能的影響可以為懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考。以表1 中數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用控制變量法改變系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)車輛抗側(cè)傾能力的影響。車輛以60 km/h 車速完成蛇形試驗(yàn)，以車身側(cè)傾角φ和側(cè)向加速度ay為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析系統(tǒng)初始油壓P0、蓄能器初始?xì)怏w體積V0、液壓馬達(dá)排量V和飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I對(duì)車輛抗側(cè)傾能力的影響。

4.1 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)側(cè)向加速度的影響

圖9 為系統(tǒng)參數(shù)對(duì)側(cè)向加速度的影響分析圖。如圖9 所示，初始油壓、蓄能器初始?xì)怏w體積、液壓馬達(dá)排量、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均對(duì)車身側(cè)向加速度影響較小。

圖9 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)車身側(cè)向加速度影響

4.2 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)側(cè)傾角的影響

圖10 為系統(tǒng)參數(shù)對(duì)側(cè)傾角的影響分析圖。如圖10（a）所示，系統(tǒng)初始油壓與側(cè)傾角呈負(fù)相關(guān)，2 MPa 后側(cè)傾角曲線下降速率放緩。如圖10（b）所示，蓄能器初始?xì)怏w體積對(duì)側(cè)傾角影響較大且呈正相關(guān)。如圖10（c）所示，馬達(dá)排量與側(cè)傾角呈負(fù)相關(guān)，馬達(dá)排量高于300 mL/r 后側(cè)傾角增速放緩。如圖10（d）所示，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與車身側(cè)向加速度呈負(fù)相關(guān)，但影響相對(duì)其他參數(shù)較小。

圖10 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)車身側(cè)傾角的影響

5 結(jié)語

（1）驗(yàn)證了應(yīng)用慣容器提升互聯(lián)懸架性能的可行性，為互聯(lián)懸架的發(fā)展提供了新思路與參考。

（2）HIIS 系統(tǒng)相對(duì)于ARB、HIS 系統(tǒng)能夠提供更大的側(cè)傾剛度和俯仰剛度，提高了車輛抗側(cè)傾和抗俯仰能力，使車輛擁有更優(yōu)秀的操縱穩(wěn)定性與安全性。

（3）HIIS系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)車輛側(cè)向加速度影響不明顯。初始油壓、馬達(dá)排量和飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與側(cè)傾角呈負(fù)相關(guān)，蓄能器初始?xì)怏w體積與側(cè)傾角呈正相關(guān)。