周 凱,趙又群,徐 瀚,白毅強(qiáng)

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 南京 210016)

車輪與輪胎作為車輛行駛系統(tǒng)的重要組成，其功用主要是支撐整車、緩和路面沖擊、產(chǎn)生驅(qū)動/制動力等，在汽車舒適性、平順性等方面起著重要作用[1]。機(jī)械彈性車輪是一種特殊的彈性車輪，理論上不存在現(xiàn)有充氣輪胎爆胎、彈傷和爆損等問題，能提高輪胎的防刺破、防爆胎和安全性能。它擁有較大的側(cè)偏剛度，能保證復(fù)雜路面下的操縱穩(wěn)定性[2]，但其大徑向剛度特性導(dǎo)致了平順性的不足[3-4]。

減振器是汽車的重要組成部分，其動態(tài)阻尼特性對于整車動力學(xué)性能有很大的影響[5]。而位移相關(guān)減振器與傳統(tǒng)減振器不同之處在于其力學(xué)特性不僅與活塞的運(yùn)動速度有關(guān)，還受活塞相對位置的影響[6],通常有旁通槽式[7]、液壓限位式[8]、葉片式[9]等多種形式。其中旁通槽式位移相關(guān)減振器是在傳統(tǒng)雙向作用筒式液壓減振器的活塞空載平衡位置處，通過在工作缸筒內(nèi)壁上開設(shè)一定數(shù)量長度、橫截面積一定的旁通槽得到的。目前，Choon-Tae Lee等[10]提出一種表征位移相關(guān)減振器動力學(xué)特性的數(shù)學(xué)模型，該模型將位移相關(guān)減振器分為軟阻尼和硬阻尼2個區(qū)域，并通過在軟、硬阻尼區(qū)設(shè)定過渡區(qū)模擬實(shí)際減振器特性。孫勝利[11]根據(jù)減振器結(jié)構(gòu)和工作原理，把旁通槽式位移相關(guān)減振器抽象為等效的液壓傳動系統(tǒng)，應(yīng)用Adams建立其動力學(xué)模型，模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合；對典型工況的仿真表明，旁通槽式位移相關(guān)減振器能夠改善車輛乘坐舒適性和安全性。

本文為了研究位移相關(guān)減振器在匹配機(jī)械彈性車輪的汽車的操縱穩(wěn)定性，建立位移相關(guān)減振器的Simulink模型并結(jié)合導(dǎo)入Carsim整車模型中的機(jī)械彈性車輪參數(shù)，利用Simulink與Carsim進(jìn)行聯(lián)合仿真試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)被動式雙筒液壓減振器進(jìn)行比較。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在空載高速狀態(tài)下，裝有位移相關(guān)減振器的車輛具有更好的操縱穩(wěn)定性，平順性也有所改善。此外，當(dāng)車輛空載狀態(tài)下行駛在良好路面時，該減振器提供的阻尼力較小，有利于改善汽車的行駛平順性；當(dāng)車輛滿載行駛或者在轉(zhuǎn)向、制動等緊急工況下，該減振器提供的阻尼力較大，能夠有效控制車身姿態(tài)，抑制車輪振動，以保證汽車的行駛安全。

1 位移相關(guān)減振器

1.1 位移相關(guān)減振器的結(jié)構(gòu)與原理

本文主要以某型旁通槽式位移相關(guān)減振器為研究對象，其特征在于工作缸筒內(nèi)壁一定部位開有若干條長短不等、變斷面的旁通槽，起泄漏減阻作用[12]。這種泄漏減阻作用取決于活塞與工作缸筒的位置，可以使阻尼隨行程而合理改變。當(dāng)汽車載荷變化時，懸架高度發(fā)生變化，減振器阻尼會因活塞位置與工作缸上的泄流槽相對位置不同而發(fā)生變化。

由圖1旁通槽結(jié)構(gòu)示意圖可知，旁通槽以內(nèi)區(qū)域?yàn)檐涀枘崽匦詤^(qū)，旁通槽以外區(qū)域?yàn)橛沧枘崽匦詤^(qū)。當(dāng)汽車載荷小時，泄流槽和泄流孔的流通面積較大，減振器工作特性處于軟阻尼區(qū)，阻尼力較小，汽車行駛舒適性好；當(dāng)汽車載荷較大時，泄流槽流通面積處于變小甚至處于堵塞狀態(tài)，位移相關(guān)減振器阻尼特性與傳統(tǒng)減振器基本相同，阻尼力較大，能保證汽車的行駛安全性。

圖1 旁通槽結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 位移相關(guān)減振器理論模型推導(dǎo)

首先根據(jù)位移相關(guān)減振器工作時筒內(nèi)油液的流通狀況對其進(jìn)行合理的簡化假設(shè)，通過流體力學(xué)縫隙流動、管嘴流動及并聯(lián)管路流量計(jì)算理論[13]，推導(dǎo)出阻尼力計(jì)算公式[14]，進(jìn)而推導(dǎo)出位移相關(guān)減振器的理論數(shù)學(xué)模型。

本文僅以伸張行程為例對建模過程進(jìn)行介紹。

由圖2所示：當(dāng)活塞處于旁通槽區(qū)域內(nèi)時，位移相關(guān)減振器復(fù)原腔流入壓縮腔的油液流量Qrm應(yīng)分成 3 部分，分別為流經(jīng)流通閥缺口Qrl、伸張閥(伸張閥片開啟后)Qrf、旁通槽Qrp；當(dāng)活塞運(yùn)動到旁通槽區(qū)域外時，Qrp=0，即處于硬特性區(qū)域，與傳統(tǒng)減振器阻尼特性相同，此時，油液流通路線及流量與傳統(tǒng)減振器伸張行程相同。 當(dāng)活塞處于旁通槽內(nèi)以速度V運(yùn)動時，油液流量Qrm的表達(dá)式如下：

Qrm=(Ap-Ar+Ax)·V

(1)

式中：Ap表示活塞面積；Ar表示活塞桿面；Ax表示某一活塞位置處的旁通槽總面積。

圖2 位移相關(guān)減振器結(jié)構(gòu)及伸張行程油液流動示意

流經(jīng)旁通槽的Qrp≠0時，其兩端的節(jié)流壓差Prp可表示為：

(2)

式中：Qrm表示總流量；Qr表示活塞閥孔的流量；Ax表示某一活塞位置處的旁通槽總面積；ρ為油液密度。

伸張行程，活塞兩端的各節(jié)流支路屬并聯(lián)關(guān)系，壓差存在以下關(guān)系：

Prm=Pr=Prp

(3)

活塞處于旁通槽區(qū)域外時，活塞兩端產(chǎn)生的總壓差的求法與傳統(tǒng)減振器相同，位移相關(guān)減振器壓縮行程的推導(dǎo)過程與伸張行程思路相同。

1.3 位移相關(guān)減振器建模與驗(yàn)證

將位移相關(guān)減振器的旁通槽設(shè)為20 mm，減振器工作區(qū)總長為50 mm，建立位移相關(guān)減振器的Simulink模型，見圖3。

圖3 位移相關(guān)減振器Simulink模型

如圖4所示，將上述位移相關(guān)減振器Simulink模型進(jìn)行封裝，以正弦函數(shù)為輸入，如圖5所示，輸出阻尼力如圖6所示。檢測可知位移相關(guān)減振器Simulink模型能夠正常運(yùn)行。

圖4 位移相關(guān)減振器Simulink封裝圖

圖5 正弦輸入曲線

圖6 位移相關(guān)減振器阻尼-位移曲線

由位移相關(guān)減振器阻尼-位移曲線分析可知，當(dāng)位移大于10 mm時，即活塞處于旁通槽外，減振器工作在硬阻尼區(qū)，阻尼力較大，能夠保證汽車行駛的操縱穩(wěn)定性；當(dāng)位移小于10 mm時，即位移處于旁通槽內(nèi)，減振器工作在軟阻尼區(qū)，阻尼力較小，有利于改善車輛行駛平順性。表明該位移相關(guān)減振器仿真模型正確，符合預(yù)設(shè)要求。

2 機(jī)械彈性車輪的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 機(jī)械彈性車輪的結(jié)構(gòu)與原理

機(jī)械彈性車輪是針對某型輪式特種車輛進(jìn)行設(shè)計(jì)的，以期替代現(xiàn)在使用的某型子午線充氣輪胎，主要由輮輪、輪轂、鉸鏈組等部件構(gòu)成，輮輪由橡膠胎圈、彈性環(huán)和卡環(huán)組成，如圖7所示。

圖7 機(jī)械彈性車輪結(jié)構(gòu)

基本原理如下：當(dāng)車輛驅(qū)動時，車身垂向載荷與發(fā)動機(jī)傳來的扭矩經(jīng)車軸傳給輪轂，通過銷軸傳到鉸鏈組使其狀態(tài)發(fā)生改變，由微彎曲變成張緊，進(jìn)而使鉸鏈組對輮輪形成拉力。該力沿輮輪切向方向的分力克服機(jī)械彈性車輪與路面之間的靜摩擦力，從而使車輪由靜止?fàn)顟B(tài)開始滾動。同時在垂向載荷作用下，輮輪發(fā)生彈性變形，輮輪上部因受到來自于輪轂的向下拉力，使其有設(shè)定范疇內(nèi)的適度的類橢圓的彈性變形，接地區(qū)域的輮輪由弧線變?yōu)橹本€段，而其他區(qū)域自由過渡。輪轂在鉸鏈組拉力的作用下，懸掛于輮輪的中間位置。輪轂向下移動一段距離，位于輪轂下方的鉸鏈組則不受力且呈彎曲狀。該車輪在裝車行駛的滾動運(yùn)動中，各鉸鏈組均從受拉力漸轉(zhuǎn)至微曲不受力再至受拉力，即各鉸鏈組形成“張緊-微屈-張緊”的狀態(tài)變化，并以此方式循環(huán)。另外，因?yàn)檩嗇炘谄淙魏嗡矔r均以微懸態(tài)懸于彈性外輪內(nèi)，路面不平度將由輮輪的彈性變形以及鉸鏈組的彎曲所緩解，故機(jī)械彈性車輪與正常充氣輪胎有著同樣的緩沖隔振性能[15]。

2.2 機(jī)械彈性車輪模型的建立

本文以匹配機(jī)械彈性車輪和位移相關(guān)減振器的某型越野車為研究對象，原車輪胎型號為265/70R16。根據(jù)輪胎的實(shí)際受力情況，建立了機(jī)械彈性車輪的有限元模型，并進(jìn)行了靜載試驗(yàn)驗(yàn)證[16]，根據(jù)靜載試驗(yàn)獲得機(jī)械彈性車輪的形變量-垂向載荷關(guān)系數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入到Carsim中，建立機(jī)械彈性車輪模型，如圖8所示。

圖8 機(jī)械彈性車輪剛度模型

3 整車聯(lián)合仿真

3.1 整車聯(lián)合仿真模型

將所建位移相關(guān)減振器的Simulink模型輸入到整車Carsim模型之中，建立Simulink和Carsim整車聯(lián)合仿真模型，如圖9所示。

圖9 聯(lián)合仿真圖

3.2 整車聯(lián)合仿真試驗(yàn)

本文主要采取客觀評價[18]即通過聯(lián)合仿真試驗(yàn)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)曲線的方式分析位移相關(guān)減振器對操縱穩(wěn)定性的影響。為了更好地分析得出位移相關(guān)減振器對匹配機(jī)械彈性車輪的汽車操縱穩(wěn)定性的影響，將比較其與傳統(tǒng)減振器的整車仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取曲線圖，得出相應(yīng)的結(jié)論。具體是將安裝了傳統(tǒng)減振器和位移相關(guān)減振器的車輛模型分別在正弦崎嶇路面和雙移線道路下進(jìn)行聯(lián)合仿真試驗(yàn)，具體如下。

3.2.1 正弦崎嶇路面

本小節(jié)將汽車車速設(shè)為60 km/h定值，在正弦崎嶇路面下分別進(jìn)行車輛空載(m=2 000 kg)與滿載(m=3 000 kg)狀態(tài)下的整車模型仿真實(shí)驗(yàn)，測取車輛仿真的車身垂向加速度曲線(圖10)，分析在不同載荷下車輛的車身垂向加速度的大小，不僅可以直接反映車輛行駛平順性，而且可以間接判斷車輛的操縱穩(wěn)定性。一般加速度越小即車身跳動越小，車輛行駛平順性越好，并且操縱穩(wěn)定性也相對較好，反之則越差。

由正弦激勵的崎嶇路面仿真結(jié)果(圖11～13)可知，兩者功率譜密度峰值均遠(yuǎn)離人體對振動頻率敏感的范圍，而使用了位移相關(guān)減振器的汽車的垂向加速度的功率譜密度橫坐標(biāo)所圍成的面積均低于裝有傳統(tǒng)減振器的車輛，表明位移相關(guān)減振器的垂向加速度均方根值低于傳統(tǒng)減振器，即其行駛平順性得到了改善；總體對比滿載與空載2種狀態(tài)下的車輛行駛狀況可知，滿載時車身垂向加速度幅值較空載時小，即平順性較佳，同時車身跳動越小反映車身越‘硬’，表明車輛操縱穩(wěn)定性也較好。

圖10 空載正弦激勵路面下的垂向加速度曲線

圖11 空載正弦激勵路面下的垂向加速度的功率譜密度

圖12 滿載正弦激勵路面下的垂向加速度

圖13 滿載正弦激勵路面下的垂向加速度的功率譜密度

3.2.2 雙移線道路

將汽車設(shè)置為同處于空載(m=2 000 kg)狀況下，在雙移線路面條件下分別進(jìn)行不同車速(v=60 km/h與v=120 km/h)工況下的整車模型仿真試驗(yàn)，測取車輛仿真的側(cè)向加速度及橫擺角速度曲線進(jìn)行操縱穩(wěn)定性分析，結(jié)果見圖14～17。

圖14 車速為120 km/h時的橫擺角速度

圖15 車速為60 km/h時的橫擺角速度

圖16 車速為120 km/h時的側(cè)向加速度

圖17 車速為60 km/h時的側(cè)向加速度

由雙移線道路下的仿真結(jié)果可知，橫擺角速度與側(cè)向加速度作為可以衡量操縱穩(wěn)定性的物理參數(shù)，在低速狀態(tài)下，位移相關(guān)減振器在橫擺角速度與側(cè)向加速度兩個指標(biāo)上與傳統(tǒng)減振器基本一致，但在高速狀況下，裝有位移相關(guān)減振器車輛的橫擺角速度與側(cè)向加速度峰值均小于傳統(tǒng)減振器，結(jié)果表明位移相關(guān)減振器在高速狀態(tài)下能更好地完成雙移線道路的行駛，因此具有更好的操縱穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1) 通過分析相關(guān)減振器的結(jié)構(gòu)與原理，建立了傳統(tǒng)減振器與位移相關(guān)減振器的Simulink模型，同時將機(jī)械彈性車輪的主要參數(shù)導(dǎo)入Carsim，進(jìn)行了整車聯(lián)合仿真試驗(yàn)，研究了其對汽車操縱穩(wěn)定性的影響。

2) 通過2種不同路面工況整車聯(lián)合仿真的試驗(yàn)，研究分析了位移相關(guān)減振器對匹配機(jī)械彈性車輪的汽車操縱穩(wěn)定性的影響?？芍c傳統(tǒng)減振器相比，在高負(fù)荷情況下，裝有位移相關(guān)減振器車輛的橫擺角速度與側(cè)向加速度峰值均較小，具有更好的操縱穩(wěn)定性。

3) 通過對位移相關(guān)減振器對匹配機(jī)械彈性車輪的汽車操縱穩(wěn)定性的影響的研究，可以進(jìn)一步改善汽車的操縱穩(wěn)定性，而且其結(jié)構(gòu)相對簡單，成本低廉，并能一定程度地提升汽車行駛的平順性，應(yīng)用前景廣闊。