礦用寬體車油氣懸架的平順性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

石運(yùn)序，劉同昊，曹常貞，戚積財(cái)，王興旺，賈炎冰

(1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005；2.煙臺(tái)未來(lái)自動(dòng)裝備有限責(zé)任公司，山東煙臺(tái) 264001)

0 前言

油氣懸架是一種將液壓傳動(dòng)和懸吊系統(tǒng)結(jié)合的車輛懸吊技術(shù)，現(xiàn)代特種車輛及大型車輛已廣泛應(yīng)用油氣懸架作為車身與車輪間傳遞力與力矩的媒介。與傳統(tǒng)懸架相比，油氣懸架能使車輛在惡劣路況下行駛時(shí)，有效衰減車身振動(dòng)，提高行駛平順性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)油氣懸架的關(guān)注越來(lái)越高。RAJU等分別建立了七自由度獨(dú)立式和非獨(dú)立式懸架運(yùn)動(dòng)方程，對(duì)比分析了車輛懸架的動(dòng)態(tài)特性。馬超等人建立了整車動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真平臺(tái)，研究了同側(cè)耦連油氣懸架對(duì)車輛通過(guò)性能的影響。王旭等人建立了同側(cè)耦連油氣懸架液壓系統(tǒng)模型和整車動(dòng)力學(xué)模型，搭建臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的正確性，并對(duì)車輛平順性進(jìn)行分析。劉爽等人針對(duì)電液伺服閥的工作特性，采用自適應(yīng)滑?？刂频姆椒ǎ管囕v平順性能有了較好改善。

本文作者以某90 t寬體礦車前懸油氣懸架為研究對(duì)象，建立車輛動(dòng)力學(xué)模型，利用AMESim搭建1/4車油氣懸架仿真模型，在隨機(jī)路面輸入下對(duì)車輛平順性進(jìn)行動(dòng)態(tài)機(jī)制研究，建立主動(dòng)懸架系統(tǒng)，將主動(dòng)與被動(dòng)懸架進(jìn)行仿真對(duì)比并優(yōu)化主動(dòng)懸架系統(tǒng)，進(jìn)一步分析油氣懸架對(duì)車輛行駛平順性的影響。

1 二自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立

1.1 隨機(jī)路面模型建立

為模擬礦車在實(shí)際路面的行駛情況，取C級(jí)路面作為路面模擬輸入。在應(yīng)用路面模型時(shí)，一般采用濾波白噪聲模擬生成隨機(jī)路面信號(hào)，其時(shí)域模型表達(dá)式為

(1)

式中：()為白噪聲激勵(lì)；為車輛行駛速度；路面空間截止頻率=0.011 m；參考空間頻率=0.1 m；()為參考空間頻率下的路面功率譜密度值。

1.2 油氣懸架非線性振動(dòng)方程建立

整車剛體運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，而二自由度系統(tǒng)與多自由度系統(tǒng)并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。因此以二自由度1/4車懸架系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)車輛平順性進(jìn)行分析，其簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 二自由度1/4寬體礦車油氣懸架模型

忽略懸掛缸本身的內(nèi)摩擦，根據(jù)文獻(xiàn)[4]建立油氣懸架動(dòng)態(tài)輸出力數(shù)學(xué)模型為

=-=+

(2)

式中：為油氣懸架氣體工作壓力，Pa；為油氣懸架緩沖腔油壓，Pa；為懸架大腔有效面積，m；為懸架小腔有效面積，m。

為非線性彈性力，計(jì)算公式為

(3)

式中：為初始充氣壓力，Pa；為初始充氣體積，L；為活塞桿相對(duì)位移，m。

為非線性阻尼力，計(jì)算公式為

(4)

式中：為油液密度，kg/m；、分別為節(jié)流孔、單向閥流量系數(shù)；為阻尼孔過(guò)流面積，m；為單向閥過(guò)流面積，m；sign為符號(hào)函數(shù)。

結(jié)合公式(3)—(4)，根據(jù)牛頓第二定律，得車輛非線性振動(dòng)微分方程為

(5)

式中：為車身質(zhì)量及載質(zhì)量和，kg；為車輪及車橋質(zhì)量，kg；為路面激勵(lì)，m；為車身位移，m；為車輪位移，m；為輪胎剛度系數(shù)，N/m；為輪胎阻尼系數(shù)，N/(m/s)。

2 仿真模型的建立

根據(jù)車輛懸架實(shí)際物理模型，利用AMESim搭建某寬體礦車前懸1/4車懸架仿真模型如圖2所示。

圖2 1/4油氣懸架仿真模型

被動(dòng)油氣懸架仿真模型如圖2(a)所示，模塊1為公式(1)的求解模型，表示隨機(jī)路面輸入，模擬車輛實(shí)際行駛路況。在被動(dòng)懸架的基礎(chǔ)上加入控制閥及油源模塊，將隨機(jī)路面輸入模型及油氣彈簧封裝成超元件，建立主動(dòng)懸架仿真模型如圖2(b)所示。

模型主要參數(shù)如表1所示。

表1 主要參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)果分析

3.1 不同氣室壓力下車輛平順性機(jī)制研究

對(duì)被動(dòng)懸架進(jìn)行仿真分析，將車身加速度時(shí)域特性曲線仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行均方根計(jì)算并對(duì)比分析，得到加速度響應(yīng)與氣室壓力的特征曲線如圖3所示。

圖3 加速度響應(yīng)與氣室壓力的特征關(guān)系

由圖3可知：試驗(yàn)結(jié)果與仿真基本吻合，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性；在相同氣室壓力下，隨著車速的增加，車身加速度均方根值逐漸增大,說(shuō)明車速越大，車輛平順性越差。在實(shí)際工況中可適當(dāng)降低車速來(lái)提高車輛平順性，一般根據(jù)乘坐人員在主觀感覺(jué)上的舒適程度作為車輛平順性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》，當(dāng)加速度均方根達(dá)到1.6 m/s時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的人體主觀感受為“不舒服”?？紤]礦車司機(jī)工作時(shí)間較長(zhǎng)，取1.6 m/s為均方根界限。由圖3可知，當(dāng)車速最大不超過(guò)40 km/h時(shí)，可以保證礦車良好的行駛平順性及乘坐舒適性；當(dāng)車速恒定時(shí)，加速度均方根值隨氣室壓力的增大先減小后增大，由公式(3)可知，氣室壓力越大，剛度越大；當(dāng)氣室壓力較小時(shí)，剛度較小，此時(shí)懸架較軟，車身相對(duì)地面起伏較大，不利于乘坐舒適性；當(dāng)氣室壓力較大時(shí)，剛度增大，懸架較硬，油氣彈簧緩沖效果變差，不利于車輛平順性；在車速不超過(guò)40 km/h且氣室壓力為7.7 MPa時(shí)，車身加速度均方根最小，說(shuō)明車輛機(jī)動(dòng)性能較好。

3.2 車輛平順性指標(biāo)對(duì)比分析

為對(duì)礦車平順性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，利用AMESim對(duì)被動(dòng)油氣懸架和主動(dòng)油氣懸架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。設(shè)定礦車以30 km/h勻速行駛在C級(jí)路面，仿真時(shí)間取20 s、仿真步長(zhǎng)為0.001 s，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行濾波處理后，分別得到如圖4—圖6所示的車身加速度、輪胎動(dòng)載荷、懸架動(dòng)行程的響應(yīng)曲線。

圖4 車身加速度時(shí)域響應(yīng)曲線

圖5 輪胎動(dòng)載荷時(shí)域響應(yīng)曲線

圖6 懸架動(dòng)行程時(shí)域響應(yīng)曲線

由圖4—圖6可知，主動(dòng)油氣懸架的車身垂直加速度、輪胎動(dòng)載荷及懸架動(dòng)行程等物理量的波動(dòng)范圍均小于被動(dòng)油氣懸架，說(shuō)明裝配有主動(dòng)油氣懸架的寬體礦車相比被動(dòng)油氣懸架能更好地提升車輛行駛平順性。

運(yùn)用AMESim/信號(hào)庫(kù)建立各評(píng)價(jià)指標(biāo)均方根求解模型，代入相應(yīng)數(shù)據(jù)后求解，對(duì)車輛平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 車輛平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

由表2可知：當(dāng)?shù)V車在C級(jí)路面行駛時(shí)，相比被動(dòng)油氣懸架，裝有主動(dòng)油氣懸架車輛的車身加速度均方根降低了39.12%，輪胎動(dòng)載荷均方根降低了34.3%，懸架動(dòng)行程均方根降低了27.62%。

綜合圖4—圖6及表2可得：主動(dòng)油氣懸掛系統(tǒng)與被動(dòng)油氣懸掛系統(tǒng)相比，車身加速度、輪胎動(dòng)載荷及懸架動(dòng)行程均明顯降低，進(jìn)而使車輛的行駛平順性、乘坐舒適性得到顯著改善，體現(xiàn)了主動(dòng)油氣懸架的優(yōu)越性。

4 車輛平順性優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化模型的建立

利用AMESim設(shè)計(jì)探索功能，對(duì)主動(dòng)懸架模型進(jìn)行更深入的物理分析。采用遺傳算法對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行探索，避免局部極小值，然后研究擴(kuò)展模型以改進(jìn)收斂性，從而在滿足約束條件的前提下，獲得懸架參數(shù)的最佳值。

(1)設(shè)計(jì)變量

油氣懸架比較重要的3個(gè)參數(shù)為剛度、阻尼、頻率。剛度特性主要取決于氣體工作參數(shù)，而阻尼孔直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)阻尼特性影響較大，因此選取前懸油缸氣室充氣體積和阻尼孔直徑作為設(shè)計(jì)變量，取值范圍如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)變量取值范圍

(2)目標(biāo)函數(shù)

車身的高垂直加速度使得礦車司機(jī)的駕乘感較差，因此車身加速度應(yīng)盡量小于9.8 m/s。在懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需盡量使車身加速度減小到最低，因此選取車身加速度為研究目標(biāo)，將車身垂直方向上的加權(quán)加速度均方根設(shè)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，函數(shù)方程為

(6)

式中：()為車身加速度時(shí)間歷程，m/s；為統(tǒng)計(jì)持續(xù)時(shí)間，s。

(3)約束條件

油氣懸架的功能主要是使車輛具有良好的行駛平行性、乘坐舒適性和駕駛安全性，三者相互關(guān)聯(lián)，任意對(duì)某一性能進(jìn)行改進(jìn)，都會(huì)影響其他性能。因此，在對(duì)車輛平順性進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需對(duì)懸架設(shè)置約束條件，以保證不會(huì)影響到車輛整體性能。

①輪胎壓縮量表示輪胎與地面的接觸狀態(tài)，反映車輛行駛安全性，負(fù)壓縮意味著輪胎不再與地面接觸，因此盡量使輪胎壓縮系數(shù)為正，即：

≥0

(7)

②懸架動(dòng)行程過(guò)大，一方面會(huì)影響車輛操作穩(wěn)定性和舒適性，另一方面會(huì)增加懸架撞擊限位塊的概率，懸架動(dòng)行程均方根一般在限位行程的1/3以內(nèi)，即：

≤[]3

(8)

式中：[]為懸架限位行程，文中取0.3 m。

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化條件建立完成后，通過(guò)AMESim軟件中的Optimization模塊，定義輸入變量、輸出變量及約束范圍，選用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行最優(yōu)求解。經(jīng)計(jì)算得優(yōu)化后的氣室充氣體積為1.6 L、阻尼孔直徑為10 mm。通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到優(yōu)化后的車身加速度均方根值為0.577 1 m/s，對(duì)比優(yōu)化前的主動(dòng)懸架降低了18.72%，說(shuō)明優(yōu)化對(duì)車輛平順性有一定改善。

礦車在C級(jí)路面以30 km/h行駛時(shí)，優(yōu)化前后車身垂直加速度功率譜密度對(duì)比如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后主動(dòng)懸架加速度頻域?qū)Ρ?/p>

由圖7可知：功率譜密度峰值約為1.8 Hz，優(yōu)化后的峰值略有降低。人體對(duì)垂直振動(dòng)的敏感范圍主要集中在4～12.5 Hz，由圖7可以看出，優(yōu)化后的4～12.5 Hz內(nèi)，功率譜密度明顯降低，說(shuō)明該優(yōu)化對(duì)提升礦車乘坐舒適性有一定效果。

5 結(jié)論

本文作者建立了1/4車輛動(dòng)力學(xué)模型，利用AMESim軟件搭建了油氣懸架仿真模型，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。在隨機(jī)路面輸入下研究車輛行駛平順性機(jī)制；將被動(dòng)與主動(dòng)懸架進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)主動(dòng)懸架進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明：

(1)懸架初始?xì)馐覊毫Σ蛔儠r(shí)，車速越大，平順性越差，車輛均速行駛時(shí)，平順性隨初始?xì)鈮旱脑龃笙茸兒煤笞儾?；?dāng)車速不超過(guò)40 km/h且氣室壓力為7.7 MPa時(shí)，車輛平順性較好。

(2)當(dāng)?shù)V車在C級(jí)路面以30 km/h勻速行駛時(shí)，配有主動(dòng)懸架車輛的車身加速度均方根、輪胎動(dòng)載荷均方根和懸架動(dòng)行程均方根相比被動(dòng)懸架分別降低了39.12%、34.3%和27.62%，說(shuō)明主動(dòng)油氣懸架能更好地提升車輛平順性。

(3)利用AMESim/Optimization模塊，對(duì)主動(dòng)油氣懸架進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的加權(quán)加速度均方根降低了18.72%，為礦用寬體車油氣懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效方法。