自卸车油气悬架特性仿真与平顺性研究

张 迪，田晋跃

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212000)

自卸车油气悬架特性仿真与平顺性研究

张 迪，田晋跃

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212000)

以某自卸车为研究对象，提出一种单气室油气悬架方案，建立了考虑摩擦、沿程压力损失、进口局部阻力损失等因素的油气悬架非线性数学模型，得到了较为精确的弹性力和阻尼力公式。基于Simulink仿真，研究各参数对油气悬架弹性力和阻尼力的影响，并通过脉冲路面与D级随机路面仿真分析油气悬架对平顺性的影响。本研究为油气悬架的设计提供了一定的参考依据。

油气悬架；刚度；阻尼；平顺性

Abstract: This research put forward a kind of single air chamber hydro-pneumatic suspension with its application to a dump truck. It established the non-linear mathematical model of hydro-pneumatic suspension considering friction, pressure loss in pipe and other factors. The accurate formulas of elastica and damping are established. Researched the influence factor to stiffness and damping characteristics of hydro-pneumatic suspension by simulink. It analyzed the hydro-pneumatic suspension effect on ride comfort by simulation of pulse road and the random road of D.The research results provide preference for the design of the hydro-pneumatic suspension．

Keywords: hydro-pneumatic suspension; stiffness; damping; ride comfort

自卸车往往由于工作路面条件差、车辆载荷大、车轮垂直方向受到较强的冲击力等因素，导致车辆的操纵稳定性和平顺性较差。油气悬架以惰性气体为弹性元件，利用油液的流动阻尼减振，并利用油液的不可压缩性实现较为准确的运动和力的传递[1]。油气悬架具有很好的非线性特性,可提高车辆的行驶平顺性，是自卸车一种较为理想的悬架系统，研究其非线性特性对优化整车平顺性具有重要意义[2]。

本文针对某自卸车提出一种单气室油气悬架系统方案，建立了考虑摩擦、沿程压力损失、进口局部阻力损失等因素的油气悬架非线性数学模型，得到了较为精确的弹性力和阻尼力公式；进而分析了主要设计参数对悬架刚度特性和阻尼特性的影响趋势；最后对车辆进行平顺性分析，在D级随机路面激励和三角脉冲激励两种典型路面下，对比分析了安装油气悬架的车辆和原车的平顺性，研究油气悬架在车辆平顺性方面的表现。

1 单气室油气悬架结构及工作原理

单气室油气悬架结构如图1所示，由悬架缸和蓄能器组成，悬架缸又包括活塞、缸筒、阻尼孔、常通节流孔和单向阀[3]。

图1 单气室油气悬架结构

在压缩行程中，活塞相对主油室向上移动，主油室内的油液受到压力后，通过单向阀和阻尼孔进入副油室。副油室的油液一部分通过常通节流孔进入无杆环形腔，另一部分通过油管进入蓄能器。蓄能器内的惰性气体受到压缩，产生气体弹性力。复原行程中，活塞相对主油室向下移动。一方面，蓄能器内的氮气膨胀将油液压入副油室；另一方面，无杆环形腔体积减小，油液通过常通节流孔进入副油室。当副油室的油液进入主油室时，单向阀关闭，副油室内的油液只能通过阻尼孔流入主油室，此时阻尼力较大，可以迅速衰减振动。

2 油气悬架非线性数学模型

建立非线性数学模型时做如下假设：

1) 液压油以及各部件的质量忽略不计；

2) 油气悬架密封良好，不存在油液泄漏；

3) 忽略因油液的压缩造成的误差；

4) 不考虑气体在油液中的溶解效应；

5) 不计压力变化引起的系统刚性构件的弹性变形。

以油气悬架满载时的平衡位置为原点，规定活塞向下的位移为正，即复原行程位移方向为正，速度方向规定与位移相同。对活塞进行受力分析，则活塞作用力F可表示为：

F=P2A2+P3(A1-A2)-P1A1+

(1)

其中：P1、P2为主、副油室油压(Pa)；A1、A2为主、副油室横截面积(m2)；P3为环形腔油压(Pa)；Fd为活塞与缸套之间的滑动摩擦力(N)；x为活塞与缸套之间的相对位移(m)。

2.1 油气悬架气体弹性力模型

当压力和温度的变化范围较大时，应用实际气体状态方程来建立蓄能器的数学模型[4]。本文选取R-K方程来描述蓄能器内气体状态变化，表达式如下[2]：

(2)

其中：a、b均为气体种类有关常数(Pa·m6·K1/2/mol2)；v为气体摩尔体积(m3/mol)；R为通用气体常数(296.8 J/kg.K)；T为实际气体绝对温度(K)。

根据式(2)得到蓄能器内气体压力表达式：

(3)

2.2 油气悬架油液阻尼力模型

依据达朗伯原理，分别计算不同影响因素产生的阻尼力。

1) 阻尼孔和单向阀的阻尼力

该油气悬架阻尼孔、单向阀以及常通节流孔0.5

(4)

其中：CQ为流量系数；AZ为阻尼孔过流面积(m2)；AD为单向阀过流面积(m2)；ρ为油液密度(kg/m3)。

(5)

其中AJ为常通节流孔过流面积。

2) 活塞与油缸摩擦产生的阻尼力

由文献[6]得到活塞与油缸摩擦力表达式：

(6)

3) 压力损失造成的阻尼力

沿程压力损失阻尼力为

(7)

局部压力损失阻尼力为

(8)

由式(4)～(8)得到总的阻尼力为

(9)

3 油气悬架非线性特性仿真

3.1 刚度特性仿真分析

图2为油气悬架刚度特性曲线，可以看出：油气悬架的刚度随着活塞与缸筒的相对位移变化而变化，且动刚度的变化幅度比静刚度大。因此，油气悬架具有明显的变刚度特性。当车辆行驶在良好路面上时，悬架的动行程在较小范围内，油气悬架刚度随着动行程的增加而缓慢增加，有利于改善车辆的操纵稳定性；当车辆行驶的路况较差时，悬架的动行程较大，油气悬架刚度随着动行程的增大而快速增大，保证了车辆具有良好的缓和冲击能力，同时能大大地减小车辆在恶劣路面上行驶时悬架被击穿的概率[7]。图3～5分别为初始充气压力、初始充气体积、活塞腔直径对刚度的影响。

图2 油气悬架刚度特性曲线

图3 初始充气压力对刚度的影响

图4 初始充气体积对刚度的影响

图5 活塞腔直径对刚度的影响

综合以上仿真结果，可得到各影响因素对油气悬架刚度的影响趋势，见表1。

表1 各影响因素对油气悬架刚度的影响趋势

3.2 阻尼特性仿真分析

图6为油气悬架阻尼特性曲线，它表明油气悬架具有非线性阻尼特性。图6(a)曲线在复原行程和压缩行程方面呈现明显的不对称性，复原行程最大阻尼力约为压缩行程最大阻尼力的3倍。这表明：在压缩行程，悬架阻尼较小，悬架主要充当弹性元件来减小来自路面的冲击；在复原行程，悬架具有较大的阻尼，主要充当阻尼元件，衰减振动。图6(b)曲线表明：随着活塞与缸筒相对运动速度的增大，油气悬架的阻尼力呈非线性增长。图7～10分别为活塞腔直径、油缸内径、阻尼孔径、单向阀过流面积对阻尼特性的影响。

图6 油气悬架阻尼特性曲线

图7 活塞腔直径对阻尼特性的影响

图8 油缸内径对阻尼特性的影响

图9 阻尼孔径对阻尼特性的影响

图10 单向阀过流面积对阻尼特性的影响

综合以上仿真结果，可得到各影响因素对油气悬架阻尼特性的影响趋势，见表2。

表2 各影响因素对油气悬架阻尼特性的影响趋势

4 油气悬架与原车平顺性对比分析

4.1 6自由度车辆振动模型

本文建立了包括座椅在内的6自由度车辆振动模型研究油气悬架车辆的平顺性。为方便研究，对所建模型作如下假设：

1) 车身、车架、驾驶室和座椅的刚度远大于悬架及驾驶室悬置的刚度，假设为刚体。

2) 车辆匀速直线行驶，轮胎与地面保持接触，无跳起；

3) 忽略轮胎的阻尼作用，只考虑其刚度的影响；

4) 忽略发动机、传动系等系统振动的影响；

5) 主要研究车辆在随机路面直线行驶时的振动特性，故只考虑车身和驾驶室的垂直振动和俯仰运动，忽略其侧倾运动与横摆运动。

所建立的6自由度车辆振动物理模型如图11所示。

图11 6自由度车辆振动物理模型

根据牛顿第二定律，得到系统的运动微分方程：

(10)

其中：Xf=Z1f-Z2+φ·a

Xm=Z1m-Z2-φ·b

Xr=Z1r-Z2-φ·c

4.2 三角脉冲路面激励仿真

自卸车辆行驶工况复杂，经常会遇到路面上的凸起障碍物。使用凸块脉冲输入，可以很好地模拟路面上的凸起障碍物，检验路面脉冲激励下车辆的行驶平顺性。三角形凸块频率成分丰富，能激起车辆较强的振动，实际路面的许多障碍物都可以简化为三角形凸块。参考标准《GB/T5902—86汽车平顺性脉冲输入试验方法》，采用三角脉冲作为路面激励[8-15]。三角形凸块的截面积尺寸具体：底边长为400 mm、高为80 mm，如图12所示。

仿真主要模拟车辆在路面上经过障碍物时，整车的振动振幅大小，以及振动频率和振动衰减情况，评价整车的平顺性。仿真车速选取30 km/h，车辆经过障碍，得到座椅的垂向加速度响应与车身俯仰角加速度响应。仿真结果如图13～14所示，其中红色曲线为装有油气悬架车辆响应曲线，蓝色曲线为原车响应曲线。

通过图13～14可以看出：装有油气悬架车辆座椅的垂向加速度峰值由9.56 m/s2降低到6.05 m/s2，下降了36.7%；车身俯仰角加速度峰值由5.33 m/s2降低到3.12 m/s2，下降了41.4%。因此，装有油气悬架的车辆在通过障碍物时具有更好的平顺性表现。另一方面，车身稳定时间较原车更短，说明相对于传统悬架，油气悬架系统具有更好的减振性能。

图13 脉冲路面激励座椅垂向加速度变化

图14 脉冲路面激励车身俯仰角加速度变化

4.3 D级路面激励仿真

自卸车工作路面往往为沙石路面等，故选取D级路面作为路面输入。建立D级随机路面模型，如图15所示。

图15 D级随机路面Simulink仿真模型

本仿真以选定的仿真车速30 km/h匀速直线行驶，在D级随机路面、满载工况下，仿真分析装有油气悬架的车辆与原车传统悬架，得到相应的座椅垂向加速度、车身俯仰角加速度、车轮动载荷、悬架动挠度响应。同样，红色曲线为装有油气悬架车辆响应曲线，蓝色曲线为原车响应曲线。仿真结果见图16～19。

图16 座椅垂向加速度变化

图17 车身俯仰角加速度变化

图18 车轮动载荷变化

图19 悬架动挠度变化

由图16～19可以看出：与原车相比，油气悬架车辆车身垂向加速度响应及纵倾角加速度响应改善明显，说明油气悬架不仅能改善车辆的垂向振动，还能提高车辆的抗纵倾性能。其次，在车轮动载方面，油气悬架车辆响应值与原车比较接近。在悬架动挠度方面，油气悬架的动挠度相比原车的稍小，即油气悬架撞击限位块的概率要低一些。这是由于油气悬架在压缩行程，其刚度是逐渐增大的；而在复原行程，油气悬架动挠度峰值稍微大一些，这是油气悬架变刚度导致的。

5 结束语

以某自卸车为研究对象，提出一种单气室油气悬架方案，建立了考虑摩擦、沿程压力损失、进口局部阻力损失等因素的油气悬架非线性数学模型，得到了较为精确的弹性力和阻尼力公式，研究了各参数对油气悬架弹性力和阻尼力的影响。

通过平顺性仿真结果可以看出：在座椅垂向振动和车辆的抗纵倾性能方面，油气悬架明显优于原车；在车轮动载方面，油气悬架车辆响应值与原车比较接近；在悬架动挠度方面，油气悬架的动挠度要比原车的稍小。这说明油气悬架的非线性特性对于车辆的平顺性改善效果比较明显。

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(责任编辑杨黎丽)

ResearchontheCharacteristicsandRideComfortofDumpTruck’sHydro-PneumaticSuspension

ZHANG Di, TIAN Jinyue

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China)

2016-04-09

江苏省第四期“333工程”科研资助项目(BRA2013217)

张迪(1991—)，男，硕士研究生，主要从事车辆动力学研究，E-mail：jijingyoufeng@163.com。

张迪，田晋跃.自卸车油气悬架特性仿真与平顺性研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(9):45-52.

formatZHANG Di, TIAN Jinyue.Research on the Characteristics and Ride Comfort of Dump Truck’s Hydro-Pneumatic Suspension[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):45-52.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.007

U463.4

A

1674-8425(2017)09-0045-08