程相勛

鄭州宇通客車(chē)股份有限公司 河南省鄭州市 450061

1 引言

隨著我國(guó)科技的進(jìn)一步發(fā)展和人民生活水平的不斷提升，我國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)一步完善，客車(chē)、小汽車(chē)、轎車(chē)等交通工具數(shù)量進(jìn)一步增多，在為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鲗W(xué)習(xí)提供方便的同時(shí)，也對(duì)我國(guó)客車(chē)質(zhì)量及其它重要性能提出了更高要求。懸架振動(dòng)控制裝置是客車(chē)行車(chē)系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的良好與否在極大程度上與客車(chē)車(chē)身和車(chē)輪之間的彈性連接、減少行車(chē)荷載、緩和沖擊力及保持車(chē)身穩(wěn)定等諸多功能直接相關(guān)。因此，加強(qiáng)對(duì)懸架振動(dòng)控制技術(shù)的探討和研究有利于不斷提升客車(chē)實(shí)際運(yùn)行能力，在此背景下，對(duì)客車(chē)空氣懸架振動(dòng)特性的仿真研究與模擬便有著不容忽視的重要理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

2 空氣懸架模型的建立

通常情況下，為更方便地研究客車(chē)車(chē)輛的懸架動(dòng)力學(xué)特性，大多將客車(chē)車(chē)輛系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用2自由度1/4車(chē)輛模型對(duì)客車(chē)懸架動(dòng)力學(xué)相關(guān)性能和重要參數(shù)進(jìn)行探討研究。因此，本文在對(duì)客車(chē)空氣懸架振動(dòng)特性進(jìn)行仿真研究和模擬試驗(yàn)時(shí)，也進(jìn)一步采用了2自由度1/4車(chē)輛力學(xué)模型，以此盡可能真實(shí)科學(xué)地反映客車(chē)車(chē)輛在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的垂向動(dòng)力學(xué)特性。同時(shí)，為更準(zhǔn)確、更科學(xué)地描述空氣彈簧的實(shí)際剛度特性，本論文進(jìn)一步采用了空氣彈簧剛性特性曲線(xiàn)對(duì)客車(chē)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的空氣重要參數(shù)進(jìn)行模擬。在選擇空氣彈簧為主要試驗(yàn)對(duì)象的同時(shí)，利用加載部件、空氣壓縮機(jī)及其他測(cè)試系統(tǒng)，以255mm為空氣彈簧靜態(tài)平衡的實(shí)際工作高度，利用固定工作高度下分別充氣到0.3帕、0.4帕和0.5帕的方式，盡可能周全地記錄空氣彈簧實(shí)際工作高度與荷載的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取不同靜荷載下的空氣彈簧特性曲線(xiàn)圖，進(jìn)而為計(jì)算客車(chē)空氣懸架振動(dòng)特性相關(guān)參數(shù)奠定一定基礎(chǔ)。在此背景上，本文進(jìn)一步利用了ADAMS軟件中的交互式圖形環(huán)境和諸多數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)建了全參數(shù)模型下的客車(chē)機(jī)械系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)模型，在建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上對(duì)客車(chē)機(jī)械系統(tǒng)模型進(jìn)行了一定的力學(xué)分析，進(jìn)而輸出相應(yīng)的位移、速度、加速度甚至反作用曲線(xiàn)示意圖。

3 客車(chē)空氣懸架振動(dòng)特性仿真分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)方案

以某低入口型客車(chē)作為本論文實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)象，借助空氣彈簧作為重要彈性元件，客車(chē)1/4車(chē)輛的滿(mǎn)載質(zhì)量為2700千克，彈簧下的質(zhì)量為320千克，輪胎整體剛度為1200千牛每米，仿真試驗(yàn)所用的減振器阻尼系數(shù)為13.7。在整個(gè)仿真試驗(yàn)過(guò)程中，以0-8赫茲的不同頻率和5-10毫米的不同振幅信號(hào)作為激勵(lì)參數(shù)，以此方式測(cè)定整個(gè)客車(chē)車(chē)身的實(shí)際位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)車(chē)輛的實(shí)際行駛平順性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。同時(shí)，就客車(chē)系統(tǒng)而言，車(chē)內(nèi)乘客的多少會(huì)進(jìn)一步引起實(shí)際彈簧載重質(zhì)量的變化，而在傳統(tǒng)模式下的金屬?gòu)椈蓱壹苤?，簧載質(zhì)量的變化會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致客車(chē)車(chē)身離地高度發(fā)生變化，進(jìn)而使懸架固有頻率發(fā)生相應(yīng)變化。但針對(duì)客車(chē)空氣懸架系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)可進(jìn)一步借助高度閥自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣彈簧內(nèi)的氣壓，以此方式保證客車(chē)車(chē)身的高度不變，保證懸架固有頻率不變。在空氣彈簧高度保持不變的前提下，利用每一簧載質(zhì)量、對(duì)應(yīng)的空氣彈簧初始靜態(tài)氣壓計(jì)算和繪制出如前文所述的空氣彈簧剛性曲線(xiàn)圖，對(duì)圖形進(jìn)行對(duì)比分析，以探究不同簧載質(zhì)量下客車(chē)空氣懸架的實(shí)際振動(dòng)特性。

3.2 位移和加速度響應(yīng)的時(shí)間歷程

在對(duì)客車(chē)空氣懸架進(jìn)行振動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制彈簧靜態(tài)氣壓、簧載質(zhì)量、激振頻率和振幅等重要參數(shù)，本文得出了圖1和圖2所示的客車(chē)激勵(lì)位移與實(shí)際響應(yīng)位移時(shí)間歷程、激勵(lì)加速度與實(shí)際響應(yīng)加速度的時(shí)間歷程示意圖。由圖可知，客車(chē)空氣懸架系統(tǒng)中的激勵(lì)信號(hào)和實(shí)際響應(yīng)信號(hào)的變化趨勢(shì)相同，兩者處于相同的頻率變化范圍，但整個(gè)空氣懸架系統(tǒng)的相位差值與振幅差異有所不同，且系統(tǒng)整體響應(yīng)信號(hào)略微滯后于激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)。

3.3 位移幅頻特性

根據(jù)上述仿真試驗(yàn)重要參數(shù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別繪制客車(chē)空氣懸架系統(tǒng)在不同振幅數(shù)值和不同數(shù)值的彈簧初始?xì)鈮合碌膽壹芪灰品l特性曲線(xiàn)示意圖。由圖可知，在客車(chē)空氣懸架系統(tǒng)的整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，共振點(diǎn)將會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)整體位移傳遞率的最大值。若仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的初始?xì)鈮汉突奢d質(zhì)量均較大，客車(chē)空氣懸架在共振點(diǎn)出現(xiàn)的位移傳遞率最大值將會(huì)進(jìn)一步增加；而當(dāng)激振頻率超過(guò)客車(chē)空氣懸架系統(tǒng)共振區(qū)的數(shù)值范圍后，位移傳遞率的最大值與簧載質(zhì)量呈反比例關(guān)系，簧載質(zhì)量越大，位移傳遞率反而越小。此外，客車(chē)空氣懸架系統(tǒng)初始?xì)鈮号c共振頻率呈反比例關(guān)系，較大的客車(chē)空氣懸架共振頻率反而略低于較小氣壓的共振頻率，但兩者間的相位相差并不大，大多集中在1.1-1.2赫茲左右。也就是說(shuō)，對(duì)客車(chē)空氣懸架系統(tǒng)而言，簧載質(zhì)量的變化對(duì)整個(gè)懸架系統(tǒng)的固有頻率影響不大，也在一定程度上反面印證了客車(chē)空氣懸架系統(tǒng)相關(guān)性能優(yōu)于鋼板彈簧懸架系統(tǒng)的重要特性。

3.4 加速度均方根值

根據(jù)仿真試驗(yàn)和重要參數(shù)結(jié)論，分別繪制客車(chē)空氣懸架系統(tǒng)在不同振幅激勵(lì)和不同的初始彈簧氣壓下的客車(chē)車(chē)身加速度均方根值變化曲線(xiàn)示意圖。由圖可知，客車(chē)車(chē)身在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的加速度隨頻率值的上升緩慢增大，當(dāng)頻率值相對(duì)較低時(shí)，不同氣壓值下的客車(chē)車(chē)身加速度基本無(wú)變化。也就是說(shuō)，在小于1.5赫茲的較低的頻率范圍內(nèi)，簧載質(zhì)量的變化對(duì)客車(chē)車(chē)身加速度的影響可以忽略不計(jì)。而當(dāng)頻率值逐步增大時(shí)，初始?xì)鈮涸酱?，客?chē)車(chē)身加速度值越大，且加速度增加的絕對(duì)值隨著頻率值的增高愈加明顯。

圖1 激勵(lì)位移與響應(yīng)位移時(shí)間歷程示意圖

圖2 激勵(lì)加速度與響應(yīng)加速度時(shí)間歷程示意圖

4 改進(jìn)懸架控制系統(tǒng)

在改進(jìn)客車(chē)空氣懸架控制系統(tǒng)相關(guān)性能的過(guò)程中，有關(guān)工作人員可進(jìn)一步利用單片機(jī)技術(shù)有效控制減振器的實(shí)際阻尼效果，進(jìn)而改善整個(gè)空氣懸架系統(tǒng)的非線(xiàn)性振動(dòng)特性，以最大程度上控制懸架系統(tǒng)的實(shí)際振動(dòng)效果。在對(duì)空氣懸架的減振器阻尼進(jìn)行一定調(diào)節(jié)時(shí)，客車(chē)車(chē)身的實(shí)際振動(dòng)會(huì)因此受到直接調(diào)控，也就會(huì)影響到客車(chē)車(chē)身的實(shí)際振動(dòng)加速度振幅響應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)人員可將減少客車(chē)車(chē)身的垂直振動(dòng)加速度作為實(shí)際控制目標(biāo)，而在以客車(chē)空氣懸架2自由度振動(dòng)模型為重要研究對(duì)象的基礎(chǔ)上，工作人員還可進(jìn)一步通過(guò)改變減振器節(jié)流口的大小或減振油液粘度的方式改善減振器實(shí)際處理效果。

5 結(jié)論

總之，現(xiàn)階段隨著國(guó)內(nèi)高速公路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不斷完善和民眾對(duì)客車(chē)性能要求的不斷提升，傳統(tǒng)模式下的鋼板彈簧懸架已然不能滿(mǎn)足人們多樣化的需求，因此，空氣懸架控制系統(tǒng)憑借其良好性能獲得了相關(guān)設(shè)計(jì)人員的關(guān)注，為進(jìn)一步改善客車(chē)空氣懸架系統(tǒng)模式下的乘坐舒適度做出了重要貢獻(xiàn)，更極大地滿(mǎn)足了民眾出行需求。