矿用宽体车油气悬架系统及整车动力学仿真

王连志，赵 北，黎德才，刘 龙

(三一重型装备有限公司研究本院，辽宁沈阳 110027)

引言

近年来，随着中国经济和煤矿行业的快速发展，越来越多的矿用宽体车和非公路自卸车投入到市场中[1]，随着客户需求的提升，车辆的载重能力也逐渐提升。由于矿用车辆行驶的路面环境通常比较恶劣。造成车辆受到很大的路面冲击。由于车辆传统的悬架系统是钢板弹簧结构，其刚度是一种近似线性的特性，不能适应外载荷激励的变化，因此导致整个车辆振动比较剧烈，不能满足车辆的快速响应能力和车辆行驶过程中的平顺性[2]。

油气悬架是一种融合了传统悬架技术和液压技术的新兴悬架结构，其内部是由液压传动油和惰性气体(一般为氮气)组成，具有良好的压缩性能，这就使得油气悬架能够很好的适应外部激励，可以根据外载的变化来调整自身的刚度，具有变刚度特性。因此，在大型工程车辆和重型越野车辆中应用比较普遍[3]。

本研究主要利用一维仿真软件AMESim来搭建宽体车的油气悬架系统，分析油气悬架的外特性性能，同时对影响外特性的几个参数进行分析研究，最后搭建1/2前桥整车动力学模型，对整车的动力性能进行仿真分析。

1 油气悬架结构

油气悬架主要利用液压传动油来传递系统压力，利用惰性气体(一般为氮气)作为弹性物质。悬架主要由液压悬缸和蓄能器组成，有时蓄能器内置于液压缸内。如图1所示为单气室油气悬架结构简图。

1.活塞 2.缸筒 3.气室4.单向阀 5.节流孔图1 单气室油气悬架结构简图

在对油气悬架进行数学模型分析时，由于其本身结构比较复杂，因此常常进行一些简化处理[4-6]：

(1) 忽略缸内油液压力对结构件变形的影响；

(2) 气室内的气体按理想气体处理；

(3) 忽略油液中气体对油液体积模量的影响。

2 油气悬架仿真分析

根据油气悬架的工作原理和结构组成，可对单气室的油气悬缸进行结构简化，简化后的模型图如图2所示。利用AMESim软件搭建油气悬架的仿真分析模型，利用HCD库中的缸体模型来等效无杆腔和环形腔，利用液压库中的单向阀和节流孔来等效实际模型中的单向阀和阻尼孔，利用外接蓄能器来等效气室，将其利用节点和连线进行连接，就形成了单气室油气悬架的仿真模型，如图3所示[7-8]。

1.单向阀 2.阻尼孔 3.气室4.环形腔 5. 无杆腔图2 单气室油气悬架结构简图

1.悬缸 2.缸筒固定 3.路面激励 4.气室5.节流孔 6.单向阀图3 油气悬架仿真分析模型

在对油气悬架性能仿真分析时，常采用悬架的位移输出力特性曲线和速度输出力特性曲线对其进行性能评估。

实际车辆所受的激励来自于路面随机激励，由于实际响应比较复杂，为了定量分析油气悬架的系统性能，采用标准的正弦激励信号来模拟地面的激励，设定输入信号的频率为0.25 Hz，振动幅值为120 mm，模拟悬架系统受到外部激励下的运行情况[9-12]，激励信号如图4所示，模型主要参数见表1。

图4 路面激励信号

表1 模型主要仿真参数

根据上面搭建的AMESim模型以及设定的参数，对油气悬架进行仿真分析，计算其在1个周期内的位移输出力特性和速度输出力特性[13]，结果如图5所示。

图5 油气悬架外特性曲线

从上面的仿真分析结果可知，当向油气悬架施加激励时，油气悬架的输出力随着激励位移和速度不断发生变化。从位移特性曲线可以看出，油气悬架输出力与位置的关系并不是线性的，随着激励位置的逐渐增大，悬架的输出力呈现出明显的非线性特性，这主要是由于气体和节流孔的非线性特性引起的。闭合的位移特性曲线所形成的面积代表了1个周期内油气悬架所消耗的能量。从图中可以看出，悬架在压缩行程和复原行程的输出力并不是对称的，这是由于单向阀在压缩行程开启而在复原行程关闭导致的。

对影响油气悬架性能的结构参数(节流孔直径、单向阀过流面积、气室体积以及预充气压力)进行分析。

针对不同尺寸的节流孔和单向阀进行分析，分析结果如图6和图7所示，分析结果表明：在压缩行程中单向阀和节流孔同时工作，故节流孔和单向阀的尺寸对于油气悬架的输出力特性影响并不大，而在复原行程时，由于单向阀是关闭的，此时只有节流孔有油液流通，故此节流孔尺寸对油气悬架的输出力特性影响很大，同时由于随着孔径的增大，节流孔的节流阻力下降，因此输出力下降趋于平缓。

针对不同的气室充气体积和充气压力进行分析，如图8和图9所示，分析结果表明：对于充气气室进行分析可知，当增加气室体积时，会使气体的弹性变大，从而增加油气悬架的刚度，进而使得输出力特性曲线平缓；当充气压力降低时，油气悬架的输出力特性曲线变的比较陡峭，这时由于气室压力的减小会使得气体的弹性变小，进而使油气悬架的刚度降低。

图6 不同节流孔直径

图7 不同单向阀过流面积对油气悬架性能的影响

3 整车动力学分析

对于整车动力学分析，选取油气悬架为前悬结构，由于前桥是对称的，因此选取一侧进行分析。由于只研究油气悬架对整车动力性能的影响，故此对整车模型进行如下简化：

图8 不同气室充气体积对油气悬架性能的影响

图9 不同气室充气压力对油气悬架性能的影响

(1) 把车身及车架等部件的质量等效成1个集中质量块；

(2) 把轮胎模型等效成1个弹簧阻尼器和1个质量块。

利用上面搭建的悬架模型，增加车身和轮胎模型，可得1/2整车动力学模型，如图10所示。模型的具体参数如表2所示[14-15]。

根据实际工况，车辆满载时路面的不平度不大于120 mm，因此输入为1个50 mm单凸的信号激励，如图11所示，对车辆的动力学性能进行仿真分析。

1.1/2前桥质量 2.轮胎模型 3.油气悬架 4.路面激励图10 1/2前桥整车动力学模型

注：其他参数与表1相同。

图11 路面激励信号

本研究主要选取车身质量加速度和悬架动行程这2个参数作为动力性能的评价标准。仿真结果如图12和图13所示。

图12 车身加速度响应曲线

根据上面的计算结果可知，随着车身重量的增加，车身的加速度和悬架的行程的稳定时间加长，整车在外部扰动下的平稳时间增加了，因此可知整车的稳定性减弱了，整车的平顺性下降。

图13 悬架行程响应曲线

4 结论

本研究利用AMESim软件对宽体车的油气悬架系统进行了仿真，分析可知油气悬架具有非线性的阻尼和刚度特性；同时对影响油气悬架性能的结构参数(节流孔过流面积、单向阀直径大小、气室体积以及预充气压力)进行了深入分析；最后搭建了1/2前桥整车动力学模型，分析了整车在空载和负载2种工况下的车身加速度和油气悬架的特性。根据分析可知，随着车身重量的增加，车身的稳定时间增加，因此，整车的动力性减弱，整车的平顺性下降。本研究搭建的模型能够很好对油气悬架和整车的动力性能进行评估，为后期油气悬架的选型设计以及整车性能评估提供了一个重要的手段。