铰接式自卸车前车体侧倾振动仿真分析

王长新,郭志军,刘美兰,王喜明,杜 干

(河南科技大学车辆与动力工程学院,河南洛阳 471003)

0 前言

随着中国经济建设的快速发展,铰接式自卸车在水利水电、交通基础建设、矿产开发等方面得到广泛应用,中国一些厂家也开始生产这类车辆。铰接式自卸车前车体振动系统复杂,质量小的前车体与质量大的后车体在侧倾上几乎不相互影响,加上铰接式自卸车行驶路况恶劣,使得前车体的侧倾振动明显[1-2]。前车体侧倾振动比较厉害也是实际工作中这类车辆驾驶员反映突出的问题。侧倾振动不仅影响驾驶员的疲劳程度,也会影响零部件的寿命。通常车辆振动研究把车辆左右两侧的激励视为一样,加上普通公路车辆侧倾振动不明显,很少考虑车辆的侧倾振动[3-4]。铰接式自卸车车身结构特殊及主要在非公路条件下行驶,侧倾振动较大,况且侧倾角振动是所有对人体影响最大的角振动[5],所以需要对其进行研究。本文采用多体系统动力学方法对该种车辆前车体侧倾振动进行分析,建立 6自由度铰接式自卸车前车体侧倾振动模型[2,6-8],对其在特殊激励下强迫侧倾振动进行分析,并讨论系统参数对侧倾振动的影响,为考虑侧倾振动的车辆悬架和驾驶室悬置设计或改进提供理论指导。

1 模型建立

1.1 模型假设

图1 铰接原理示意图

铰接式自卸车从总体上可以视为前、后两大车体,即主要包括前桥、前车架、发动机、变速器、液压转向装置及驾驶室的前车体,以及主要包括中桥、后桥、后车架、平衡悬架、举升系统和车厢的后车体。前车体通过摆动环,相对于后车体绕汽车行驶方向,即 x轴独立转动。水平面内,利用支承在铰接点上左、右两个转向液压缸推动前车体相对于后车体绕垂直方向,即 z轴方向转动,以实现转向功能。它的铰接原理见图1。

铰接式自卸车前车体为保护动力总成,并使驾驶员获得良好的乘坐舒适性,在车桥与车架、车架与驾驶室、驾驶室与座椅之间均设置了弹性元件,振动系统复杂。在建立如图2的振动模型时作了以下假设:将车桥、车架和驾驶室视为刚体;各弹性元件的刚度视为位移的线性函数,而且左、右两侧的刚度相同;阻尼视为速度的线性函数,左、右两侧的阻尼也相同;轮胎的刚度也视为位移的线性函数,忽略其阻尼;路面不平度激励仅作用在垂直方向上;车辆对称于它的纵轴线;忽略发动机、传动轴的振动影响;不考虑座椅的影响。

在图2中,q1(t)、q2(t)分别为左、右车轮的路面激励;k1、k2、kt分别为悬架刚度、驾驶室悬置刚度和轮胎刚度;c1、c2分别为悬架阻尼、驾驶室悬置阻尼;m1、m2、m3分别为非簧载质量、悬架簧载质量、驾驶室簧载质量;J1、J2、J3分别为车轴、车架、驾驶室转动惯量;l1为轮距,l2为左、右悬架间距,l3为驾驶室左、右悬置间距;x1(t)、x2(t)、x3(t)为垂向位移;φ1(t)、φ2(t)、φ3(t)为角位移。

1.2 动力学方程

由第二类拉格朗日方程[6]可得系统的运动微分方程:

图2 6自由度铰接式自卸车前车体振动模型

其矩阵形式为:

2 动态响应计算及分析

分析过程中所选激励为左、右车轮受到幅值和频率相同、相角相差 π的谐波激励,激励频率为系统侧倾振动的一阶固有频率。其目的是选择一种尽量使前车体发生侧倾振动,而车辆中心不发生垂直方向振动的特殊工况,以便更有利于研究该车的侧倾振动特性[9-11]。各系统参数设置变化规律见表1。

表1 各系统参数变化对改善侧倾振动的效果

通过分析表1可以看出:悬架间距、悬架刚度及悬架阻尼对侧倾振动影响最大,其值的优化对侧倾振动的改善也最有利。由于悬架间距的改变会受车身空间结构的限制,所以悬架间距不能减小过多。悬架刚度的减小不仅使侧倾振动强度减小,也会带来响应的振动周期延长,振动频率减小,对侧倾振动减小更有利。通过增加悬架阻尼能有效抑制车辆侧倾振动。驾驶室悬置刚度和阻尼对侧倾振动的影响较大,可以通过改变其值以满足侧倾振动要求。随着驾驶室悬置刚度的增大,侧倾振动先大幅增大后小幅减小,可见当前 k2的值选择并不合适。如果车辆结构空间允许,应当减小其值。因此,驾驶室悬置刚度 k2的大小需要认真选择。轮距对侧倾振动的影响也不小,但其值受到国家标准 GB1589—2004道路车辆的车身宽度最大限制要求的限制,不易变化或不能变化。驾驶室左右悬置间距 l3对侧倾振动的影响较特别,在现有值基础上适当减少 l3并没有减少侧倾振动的强度,而是增加了,再继续减少 l3时才出现侧倾振动的强度减少,并且在现有值基础上增加 l3,侧倾振动的强度减小。这说明中间有一过渡峰值。同样驾驶室悬置间距 l3的选择也要慎重,建议在现值基础上适量增加。轮胎刚度及各个转动惯量的影响最小。改变轮胎刚度 kt的值对侧倾振动强度的减小没有太明显的影响,所以实际车辆改进可以使用原轮胎。对比各个转动惯量对响应的影响,应尽量减小 J1,增加 J2和 J3,即是要减少非簧载质量,增加簧载质量。

3 结论

通过铰接式自卸车前车体的 6自由度振动模型,在两侧受正反谐波激励下的强迫振动仿真分析认为:(1)两侧悬架间距、悬架的刚度及阻尼对侧倾振动的影响较大,其次是驾驶室悬置刚度、轮距、簧载质量转动惯量、驾驶室悬置间距、驾驶室悬置阻尼,其他系统参数的影响较小。(2)通过分析发现实车的驾驶室悬置刚度 k2和驾驶室悬置间距 l3的取值不合适,当两者的值由小变大时,侧倾振动都是先大幅增大后小幅减小,所以二者的取值要综合考虑。(3)增加簧载质量,减小非簧载质量对减小车辆侧倾振动也是有利的。(4)用贡献率概念直观地表现了各个系统参数对侧倾振动的影响。

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