工程车辆油气悬挂设计方法研究

关晋凯;郭剑锋;徐代友;杨程

【摘 要】基于220 t载重的多轴自卸车项目,研究了油气悬挂的刚度和阻尼特性,求取分析了阻尼特性的主要影响因素,提出了一种基于仿真计算的阻尼优化设计方法,建立油气悬挂AMESim仿真模型,求取C级路面谱随机激励,对220 t自卸车油气悬挂阻尼进行优化设计.%Based on the 220 ton load multi-axis dump truck project, the article researches the stiffness and damping characteristics of hydropneumatic suspension, and analyzes the main influencing factors of damping characteristics. The article proposes a damping optimization design method based on AMEsim simulation, establishes the simulation model for hydropneumatic suspension, and obtains class C pavement spectrum, and optimizes the damping characteristics of the 220 ton load multi-axis dump truck.

【期刊名称】《露天采矿技术》

【年(卷),期】2018(033)001

【总页数】4页(P114-117)

【关键词】油气悬挂;AMEsim模型;阻尼优化;C级路面谱

【作 者】关晋凯;郭剑锋;徐代友;杨程

【作者单位】航天重型工程装备有限公司,湖北 武汉430040;航天重型工程装备有限公司,湖北 武汉430040;航天重型工程装备有限公司,湖北 武汉430040;航天重型工程装备有限公司,湖北 武汉430040

【正文语种】中 文

【中图分类】U463.33

0 引 言

油气悬挂是被动悬挂的一种，其核心部件是油气弹簧，油气悬挂集弹性元件和减震器元件于一体，其刚度特性和阻尼特性直接影响车辆的行驶平顺性和操作稳定性。油气悬挂的刚度特性和阻尼特性具有非线性特点[1]，同时具有较大的单位储能比，特别适合于大型工程车辆悬挂系统。

传统的分析线性振动系统的方法不适用油气悬挂系统，基于220 t载重的多轴自卸车HT5220项目，提出一种基于仿真计算的油气悬挂设计方法。

1 刚度特性分析和计算

油气悬挂系统刚度特性的主要影响因素为油气弹簧的初始充气压力、初始充气体积及其缸/杆面积等[2]，油气弹簧刚度计算公式：

式中：P0为初始充气压力，MPa；V0为初始充气体积，m3；A2为油气弹簧环形腔面积，m2；x 为油气弹簧行程，m；k为气体多变指数，油缸持续工作时，温度视为恒定，即k推荐取值1.0。

220 t载重的多轴自卸车HT5220油气悬挂系统主要由旋转架、摆动臂、油气弹簧、桥壳、驱动电机和轮胎等组成如图1所示。则悬挂系统偏频与油气弹簧偏频的关系式：

图1 HT5220多轴自卸车油气悬挂示意图

式中：nx为悬挂系统偏频，Hz；n为油气弹簧偏频，Hz；ls为桥壳绕动半径，mm；ld为悬挂油缸绕动半径，mm。

2 阻尼特性分析和计算

油气悬挂系统油气弹簧形成的阻尼特性主要组成：①单向阀和阻尼孔形成的油液流动阻尼力；②活塞和缸筒间摩擦力（库仑摩擦和黏性摩擦）[3]。油气悬挂油缸的润滑条件较好，摩擦力对油缸阻尼特性影响不大，文中未做计算，油气弹簧输出的阻尼力计算公式：

式中：cd为单向阀流量系数；Ad为单向阀过流面积，m2；cz为阻尼孔流量系数；Az为阻尼孔过流面积，m2；ρ为油液密度，kg/m3；x 为油气弹簧行程，m；

由式（3）可知，影响油气弹簧阻尼特性的主要因素见表1。

2.1 阻尼优化设计方法

油气悬挂阻尼特性设计目的是为了改善车辆的行驶平顺性和保障车辆行驶安全性，行驶平顺性则用车身振动加速度来表示，而汽车安全性的一般评价方法是用其车轮相对动载荷和悬架动行程来表征[4-5]。就主观愿望而言，这3个量的均方根值应尽可能小。

表1 油气弹簧阻尼特性影响因素影响因素 参数变化 回复阻尼力 压缩阻尼力杆面积阻尼孔节流面积单向孔节流面积激励速度增大增大增大增大增大减小减小增大增大减小减小增大

平顺性用振动专递到人体的加速度的加权加速度均方根值评价，频率加权函数是人体对不同频率振动的敏感程度的差异。车轮相对动载荷为悬架簧下质量与簧上质量的动载和静载之比，当车轮相对动载荷的均方根值越大时，在车轮对地面的垂直载荷减小时，侧向附着力相应减小，接地性变差，容易发生侧滑。悬架动行程是簧下质量与簧上质量之间悬架相对位移，悬架允许的最大压缩/回复行程有限，动行程的均方根值过大会增加发生限位撞击的概率，平顺性变差。

2.2 油气悬挂AMESim模型的建立

基于AMESim建立的220 t多轴自卸车HT5220油气悬挂模型如图2所示[6-7]。

图2 HT5220多轴自卸车油气悬挂模型

2.3 路面激励的求取

路面的状态通过路面不平度的位移功率谱密度进行描述，根据GB/T 7031—2005机

械振动道路路面谱测量数据报告路面激励取C级路面，车辆行驶速度取30 km/s，路面功率谱密度采用幂函数的形式作为拟合表达式：

式中：Gd（n）为路面功率谱密度，m3；n为空间频率，m-1；n0为参考空间频率,0.1 m-1；w 为拟合功率谱密度指数，取2；Gd（n0）为参考空间频率下路面功率谱值（C级路面几何平均为256×10-6m3）。

在实际应用中，考虑车速的影响，需要将空间功率谱转换为时域功率谱，转换关系：

式中：v为车速，取30 km/h。

则时域功率谱密度公式：

在将位移功率谱转换为时域信号时，需按图3要求过程进行信号处理。

图3 路面随机激励求取过程

由于功率谱只有幅频信息没有相位信息，因此需要在进行逆傅里叶变化时，增加相位信息，为功率谱增加符合高斯分布的随机相位信息，即为频域随机化过程[8-9]。频域随机化后，利用逆傅里叶变换求取随机波形，但这样的随机波形为伪随机信号，需要将伪随机信号进行随机延迟、反向、加窗和叠加后变成真随机信号，即为时域随机化过程[9]。将时域随机化后得到的位移信号作为油气悬挂缸仿真模型的C级路面激励。

利用MATLAB编写时域功率谱密度公式、频域随机化程序、逆傅里叶变换程序和时

域随机化程序，求得的C级路面随机激励位移如图4所示。

2.4 油气悬挂阻尼仿真优化设计

将利用MATLAB求取的C级路面随机位移激励输入AMESim油气悬挂模型进行仿真，将仿真求取的油气悬架的相关数据（簧上质量加速度均方根值、车轮相对动载荷和悬架动行程）处理后求取考核指标的均方根值，并进行拟合，进而求得最优的阻尼孔范围。

图4 C级路面随机激励位移信号

仿真分别在阻尼孔为 3-φ1.5、4-φ1.5、5-φ1.5、6-φ1.5、7-φ1.5、8-φ1.5 mm 时进行，求得的阻尼孔径和簧上质量加速度均方根值拟合曲线如图5，拟合求得的阻尼孔径和车轮相对动载荷均方根值拟合曲线如图6，拟合求得的阻尼孔径和悬架动行程均方根值拟合曲线如图7。

图5 簧上质量加速度均方根值拟合曲线

图6 车轮相对动载荷均方根值拟合曲线

由图5—图7分析可得，阻尼孔φ1.5 mm数量为5～6时，油气弹簧簧上质量加速度均方根值、车轮相对动载荷均方根值和悬架动行程均方根值均最优。

2.5 双向节流设计

图7 悬架动行程均方根值拟合曲线

对于隔离式油气悬挂，需设计外置式双向节流孔，HT5220油气悬挂系统的双向节流孔，由遮盖板、开口销、螺母、弹簧支座、弹簧和节流板组成，节流板上有单向孔和节流孔。当油液沿A方向流动时，弹簧压缩节流板脱离遮盖板，油液通过节流孔和单向孔流动；当油液沿B方向流动时，节流板在油液的压力下紧压遮盖板，油液仅通过节流孔流动。双向节流设计如图8所示。

图8 双向节流设计

3 结 论

分析了油气悬挂系统刚度和阻尼非线性特性，基于220 t载重的多轴自卸车HT5220项目，求取了油气悬挂系统偏频计算公式，分析了阻尼特性影响因素，通过分析车辆的车身振动加速度、车轮相对动载荷和悬架动行程，提出了通过仿真计算优化阻尼特性的方法，通过Matlab和AMESim软件，求取C级路面随机信号，求得油气悬挂的输出响应，通过拟合求得最优阻尼参数，研究内容为进行工程车辆油气悬挂优化设计提供了一种有效方法。

参考文献：

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