单气室油气悬挂阻尼特性动力学参数优化分析

袁自成 谢和平

摘要：建立油气悬架的四分之一车物理及数学模型;采用状态空间线性化的数值计算方法，通过软件联合仿真分析模型在时域和频域下的频率和阻尼特性;根据系统频率及阻尼特性分析悬挂油缸的F-S和F-V特性;为悬挂油缸结构设计及悬架系统的匹配、调教提供理论依据。

关键词：油气悬架;状态空间法;时域和频域分析;频率和阻尼特性

油气悬架以其良好的非线性刚度和阻尼特性，在工程重型车辆，军用车辆，大型矿用自卸车等领域有着广泛的应用[1]。车辆固有振动频率和阻尼比是影响其平顺性和稳定性的重要因素，而油气悬架的性能与固有振动频率和阻尼比有着密切的关系，所以分析油气悬架的刚度和阻尼特性对整车性能改善和提升有决定性的作用[2]。本文以某大吨位矿用自卸车前油气悬架为研究目标，建立四分之一车物理及数学模型，采用数值计算为基础的计算机联合仿真的方法，在时域和频域双维度下分析油气悬架的频率和阻尼特性，以及影响这些特性的关键因素和参数，最终确定符合实际使用和工矿要求的油气悬架性能参数。

1 悬架系统建模及分析

如图1所示建立四分之一车的等效振动模型，该模型包含簧上质量M，油气悬挂的非线性等效刚度和阻尼，簧下质量m，轮胎等效刚度和阻尼，路面激励。

根据牛顿第二定律建立上述模型的动力学方程：

式（1）中为阻尼力函数，为弹簧力函数，求此二阶非线性微分方程的解析解是困难的，本文采用基于数值计算的AMESim与Simulink联合仿真计算和分析。表1为油气悬架建模的主要参数。

根据上述振动模型和参数建立联合仿真模型，如图2所示。

阻尼规格是影响悬架阻尼特性的关键因素，本文从阻尼规格方面重点分析。模型在200mm的阶跃激励下，空载和满载工况车身的振动曲线如图3和图4所示。

由图3和图4可知，不同阻尼规格下车身均能在2个周期内熄振，阻尼孔越小熄振速度越快，同时也能更好的限制车身上下振幅，但过小的阻尼孔在频率较大的交变路面载荷激励下，悬挂油缸的环形腔内将出现瞬间高压冲击，压力可能达到30～40MPa，对油缸密封及使用寿命都造成巨大损害，所以综合考虑阻尼规格在10～16mm之间是合适的。

图5和图6是平衡态下悬架系统在不同规格阻尼情况下分别在空载和满载时的根轨迹图。

由图5和图6可知，平衡态下空载和满载时悬架固有振动频率分别是1.4Hz和1Hz左右，均符合人体舒适性振动频率的要求;悬架阻尼比约为0.22也在较为合理的范围内，在此阻尼比作用下两个周期内悬架熄振93.7%，车辆可以获得较好的平顺性。

2 悬挂油缸阻尼特性分析

上述从悬架系统的角度分析了四分之一车身在阶跃激励下的振动响应，以及悬架的频率和阻尼特性。由分析可知阻尼孔规格在10～16mm时悬架系统具有较好综合性能，车辆可以获得较好的平顺性。下面分析悬挂油缸在正弦交变载荷激励下的阻尼力-位移（F-S）和阻尼力-速度（F-V）特性，最终确定一个较为合理的阻尼规格。

图7和图8为悬挂油缸在频率为0.5Hz幅值60mm的正弦波激励下F-S和F-V特性曲线。

由图7可知，阻尼孔规格不同F-S曲线所包围的线下面积不同，阻尼越小F-S曲线包围的面积越大，阻尼力做功越多，吸收振动能量越多;由图8可知，F-V曲线呈现明显的非对称性，且拉伸行程阻尼力远大于压缩行程的阻尼力，阻尼越小非对称性越明显，说明拉伸行程可以迅速衰减振动。但是拉伸行程和压缩行程阻尼力的比值不可过大或过小，过大则车身会承受很大的冲击;过小则振动衰减太慢，舒适性和平顺性较差。阻尼规格12mm时，从曲线可知最大阻尼力3.3×104N，最小阻尼力2.9×103N拉伸和压缩行程综合特性较好是最合适的选项。

3 结论

本文建立了某大吨位矿用自卸车前悬架四分之一车模型，并对模型进行了联合仿真和分析。结果表明应用联合仿真的方法在时域和频域从整体上对油气悬架系统分析，能够高效准确的确定系统的频率和阻尼特性。以阻尼规格对悬架阻尼特性的影响为例，根据悬架系统分析结果指导油气悬挂缸的阻尼参数设计，结果表明阻尼孔规格对悬架拉伸和压缩行程的F-S特性和F-V特性均有显著的影响，根据阻尼力的位移和速度特性曲线可以精確的确定最合适的阻尼规格。本文的优化分析方法可以为悬挂油缸结构设计以及悬架系统的匹配、调教提供理论指导和依据。

参考文献：

[1] 李占芳，仝军令，李威. 单气室油气弹簧的优化设计研究 [J].振动与冲击，2011，30（4）：166-172.

[2] 陈曦. 矿用汽车油气悬架的特性研究 [D].西南交通大学硕士论文，2013.