全地形越野车辆油气悬架分析和跌落冲击试验研究

毕斌　李海龙　杨增杰

摘 要：对于越野车辆来说，其行驶路况复杂多变，并且悬架本身刚度特性具有明显的非线性特征，特别是在整车跌落工况下，车体的冲击效应难以精确计算，给整车性能带来不确定性。针对这种现状，本文搭建了跌落试验台，在整车布置了若干位移传感器和加速度传感器，并结合悬架系统台架试验获取的油气悬架刚度、阻尼等参数信息，进行了整车1m垂直高度下的跌落冲击试验，分析了悬架油缸大腔压力、油缸作用力与位移变化在跌落过程中的变化情况。试验结果表明，整车重心位置对冲击载荷分布影响较为显著，现有悬架系统中蓄能器缓冲作用较弱，为后续整车结构设计和性能优化指明了方向。

关键词：轮式越野车 悬架 刚度 阻尼 冲击

Analysis of Hydro-pneumatic Suspension and Drop Impact Test for All-terrain Off-road Vehicle

Bi Bin，Li Hailong，Yang zengjie

Abstract：For off-road vehicles， the road conditions are complicated and changeable， and the suspension stiffness has obvious non-linear characteristics. Especially in the case of vehicle fall and impact， the impact of vehicle body is difficult to calculate accurately. In view of this situation， this paper combines the engineering project， through the experimental test and the calibration method， obtains the vehicle hydro-pneumatic suspension stiffness， damping and other parameter information， and takes this as the benchmark to carry out the vehicle 1m vertical height fall impact， and the impact of suspension cylinder and body is measured by experiment， which provides the data base for the performance optimization of suspension system.

Key words：off-road vehicle， suspension， stiffness， damping

1 引言

不管是在城市周邊地区、复杂战场环境和高危环境下，能够搭载不同载荷与任务模块，完成非视距侦察与观测、崎岖山地路面物资等功能的全地形越野车辆不仅在民用领域，甚至是未来战争等军用领域正发挥着越来越重要的作用。对于越野车辆来说，其行驶路况复杂多变，悬架本身具有明显的非线性特征，特别是在整车跌落工况下，车体的冲击很难精确计算，往往要结合试验数据综合分析。为保证良好的越野越障性能，文中的全地形越野车辆采用6×6独立驱动，每个驱动轮通过纵臂式独立油气悬架与车体铰接。油气悬架作为车辆悬架中的一种特殊形式，与传统车辆的被动悬架相比，具有载重大、变刚度、变阻尼等性能。不仅具有良好的平顺性、隔振性能及操作稳定性，同时可以主动调节车身高度，提高车辆越野通过性。

本文结合工程项目，通过试验测试及标定的方法，得到车辆油气悬架刚度、阻尼等参数信息，并以此为基准进行了整车1m垂直高度下的跌落冲击，通过试验仪器及设备测得车身不同位置的冲击及加速度，为下一步整车及悬架系统的性能优化工作提供数据支撑。

2 试验方案

2.1 跌落试验准备

选取6×6驱动全地形越野车为试验对象，开展1m高度跌落冲击试验，主要参数如表1所示。

分别在车身的不同位置安装不同的传感器。在6个悬架油缸的大小腔分别连接压力传感器，测量其压力变化。在左前、左中、左后、右前、右后的悬架油缸上安装位移传感器，测量跌落过程中的油缸长短变化情况。在车身纵梁位置设置三向加速度传感器，其中Z方向为竖直向上，Y方向为沿车体前进方向;在左前轮、左后轮、右前轮分别设置有三向加速度传感器，X方向为车体前进方向，Y方向为竖直向上。各传感器在车身上的布置如图1所示。

2.2 悬架参数获取

2.2.1 悬架系统台架试验

为获得准确的跌落冲击数据，须获得悬架的刚度、阻尼等参数。油气悬架结构原理如图2所示，其充当了普通悬架中的减震器和金属弹簧的作用。主要结构包括缸筒4、活塞杆和活塞杆组件1和蓄能器5组成。整个悬架缸内形成Ⅰ腔及Ⅱ腔，活塞杆上设有阻尼空2和单向阀3。系统工作时通过液压油缸和活塞将悬架的垂直运动转化为油液在油缸和蓄能器之间油液的流动，压缩时油液流向蓄能器，压缩蓄能器中的高压氮气，吸收悬架的冲击载荷，并且在油液的双向流动过程中通过液压系统中的各种管路和阀系，实现悬架阻尼力的控制。

文中全地形越野车共有三个车桥，6支油缸，整个悬挂系统分为两组，前桥为一组，采用左右交叉互联，中桥与后桥为一组，将左侧有杆腔和无杆腔分别与右侧无杆腔和有杆腔连通，前侧无杆腔与后侧无杆腔连通，即采用左右交叉、前后平行的连通方式。油缸大小腔与蓄能器之间装有开关闭锁阀，车辆行驶时阀一直打开，使悬架处于弹性状态。驻车时此阀关闭，此时油缸与蓄能器不连通，使悬架处于刚性闭锁状态。

为简化试验，结合整车油气悬架系统，取单轮悬架油缸大小腔互联，大腔与蓄能器接通，其余阀组与管路按照系统布置进行连接，确保悬架系统简化前后外特性一致。简化后的悬架原理如图3所示。

悬架油缸上下两端安装在振动试验台上，其一端固定，另一端实现谐波（正弦）运动，全行程可调（500mm），满足油缸最大行程150mm需求。油源采用可调节溢流压力的泵油与回油泵站，DEWEbox数据采集设备，连接完毕的试验台架见图4。

2.2.2 悬架弹性特性分析

依据整车在静止状态下的油缸负载，设定油气悬架蓄能器初始充气压力为2.0MPa，系统平衡压力为4.3MPa，此时压缩行程输出力与位移拟合关系见图5，图6。

根据试验结果，可以得到平衡位置油气悬架刚度为36.6N/mm。

带入数据计算可得，悬架偏频为1.152Hz。对于工程车辆而言，悬架偏频应处于1.0～1.7Hz范围内，满足实际工程需求。

2.2.3 悬架阻尼特性分析

初始充气压力2.0MPa，系统压力4.3MPa下，設置台架试验中油气弹簧的振幅为50mm，根据整车实际状态下的管路连接模式，测得不同频率与速度激励下的系统阻尼如下表所示。

通过对以上数据进行曲线拟合可得到悬架相对阻尼系数随激励速度变化，如图7所示。可以看出，随着最大激励速度的增加，油气悬架的相对阻尼系数呈现先减小后增大的趋势，大约在0.13m/s左右取得极小值0.72，且当激励速度大于0.05m/s，相对阻尼系数值变化不大。

2.3 跌落试验方案

使用行车通过脱钩器吊起被试车辆，悬架全伸且适当调整前桥轮胎使六个轮胎基本保持在一个水平面内。以轮胎最下点为基准，保持其与地面的高度为1m。然后测量车体自由落体与地面碰撞过程中的各个测量值，见图8。

3 试验结果与分析

分别取油缸大腔压力、油缸作用力与位移变化数据进行分析，结果见图9、图10：

以上两图纵坐标为压力，单位为MPa，横坐标为时间，单位为s。通过以上测试，6个悬架油缸的大腔的最大压力峰值，分别统计如下表3所示：

通过油缸压力变化得出每根悬架的受力状态变化，如图11所示，其中竖直坐标单位为kN，横坐标为时间。整数表示油缸受压，负数表示油缸受拉，根据曲线整理得到每个油缸的冲击力峰值，并与平衡位置初始值进行比较。

通过油缸压力变化得出每根悬架的受力状态变化，如图12所示，中纵坐标单位为长度mm，横坐标单位为时间s。根据曲线整理得到每个油缸的长度变化量，与平衡位置初始值进行比较。

4 结语

（1）通过悬架系统台架试验，获取了刚度、偏频、阻尼等性能参数，验证了悬架系统设计的有效性;

（2）搭建了跌落试验台，并借此分析了整车跌落冲击试验，为整车结构强度冲击校核提供数据依据;

（3）通过跌落试验冲击分析，发现整车重心位置对冲击载荷分布影响较为显著，这为后续整车结构设计提供了设计指导。

此外，通过上述研究还发现现有悬架系统中蓄能器缓冲作用较弱，为进一步优化整车冲击性能指明了改进方向。

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