蓄能悬架的结构设计与性能研究

机械设计与制造

５８

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ

Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ

第６期２０１４年６月

蓄能悬架的结构设计与性能研究

沈钰杰，陈龙，杨晓峰，汪若尘

（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江２１２０１３）

摘要：针对传统被动悬架行驶平顺性与操纵稳定性之间的矛盾，设计了一种应用惯容器的蓄能悬架结构。针对其结构特点，提出惯容器与阻尼同轴串联一体式布置方案。基于机电相似性理论，建立了含有该结构的四分之一车辆悬架模型，分别在时域与频域范围内对蓄能悬架的动态特性进行仿真研究。理论分析表明：相比于传统被动悬架，平顺性评价指标车身加速度均方根、轮胎动载荷均方根、悬架动行程均方根均有所减小，所设计的蓄能悬架可有效缓冲和衰减来自路面不平度的冲击，其结构简单，便于工程应用。

关键词：惯容器；结构设计；蓄能悬架；机电相似理论；ＭＡＴＬＡＢ／ｓｌＭＵＬ｜ＮＫ中图分类号：ＴＨｌ６；Ｕ４６３．３３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００１—３９９７（２０１４）０６—００５８—０４

Ａｎａｌｙｓｉｓ

ｏｎ

ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＩｎｅｒｔｅｒＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎＹｕ－ｊｉｅ，ＣＨＥＮ

Ｌｏｎｇ，ＹＡＮＧＸｉａｏ－ｆｅｎｇ，ＷＡＮＧＲｕｏ－ｃｈｅｎ

ＳＨＥＮ

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１引言

悬架是车架与车桥之间一切传力装置的总称Ｉ”。其性能的优劣直接影响车辆的行驶平顺性与操纵稳定性。近年来，针对传统被动悬架平顺性与操稳性之间的矛盾，许多学者采用作动器代替传统悬架结构以实现主动调节刚度与阻尼的效果酬，然而主动悬架成本高、结构复杂，目前仍未在车辆悬架中广泛使用。半主动悬架则通过改变悬架局部参数实现部分可调，其结构简单，可靠性

２蓄能悬架结构方案

作为车辆隔振系统的重要组成部分，悬架系统成为了惯容器应用的主要领域之一，由此引起“蓄能悬架”的发展Ｍ。传统悬架由弹簧与阻尼器两个元件组成，惯容器的引入无疑在结构上带来了新的革新。结合悬架的性能特点，为防止被动元件在承载车身重量时被击穿ＩｔＩ，采取将弹簧元件并联外接的方法，由此可形成两种三元件结构方案。

第一类是惯容器与阻尼串联，之后再与弹簧并联。第二类是惯容器与阻尼并联，之后再与弹簧并联，即三元件并联结构。文献［９１已对第二种结构进行详细阐述，具有一定的研究意义。针对第一类结构，笔者从端点融合的角度，将其进行一体化设计，具体示意图，如图１所示。

具体工作原理：惯容器与阻尼为上下同轴串联结构，惯容器工作腔与阻尼工作腔共用一根活塞杆，并以活塞杆为对称轴。活塞杆上端为丝杆结构，丝杆螺母与丝杆螺纹连接，并限位于惯容器工作腔内，飞轮固定在丝杆螺母外端，随着活塞杆的上下平动，

高。但是其对执行机构的时滞特眭要求较高，极大的制约了其大

规模的应用。由此可见，充分挖掘被动悬架的性能优势依然是悬架研究的重点领域之一。

为提升传统被动悬架性能，笔者将惯容器装置应用于车辆悬架系统，提出一种便于工程安装的惯容器与阻尼同轴串联一体式蓄能悬架布置方案，基于机电相似性理论，通过建立四分之一车辆悬架模型，分析含有此结构的悬架在时域、频域范围内的动态特性，为进一步的研究奠定基础。

来稿日期：２０１３—１２—１４

基金项目：江苏省自然科学基金项目（ＢＫ２０１３０５２１）

作者简介：沈钰杰，（１９９０－），男，江苏连云港人，硕士研究生，主要研究方向：车辆动态性能与模拟；

陈龙，（１９５８一），男，江苏靖江人，教授，博士生导师，主要研究方向：车辆动态性能与模拟

第６期沈钰杰等：蓄能悬架的结构设计与性能研究

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飞轮与丝杆螺母在惯容器工作腔内做旋转运动，由此实现喷容器

效果。活塞杆下端在阻尼工作腔内，阻尼工作腔中布满油液，油液通过四个节流阀的作用反复地在阻尼工作腔内流动，实现阻尼的效果。同时可根据实际需要，采用其他形式的阻尼结构。

由于惯容器与阻尼共用一根活塞杆，可将其制作成为一体式结构。此种结构简单合理，方便工程设计与安装，下面通过仿真分析其动态性能。

式中：卜两端点所受到的一对力；６一质质系数㈨，”厂两端点相

应的速度。当一对力作用于两端点时，两端点的加速度与力成一定比例，该比例值为常数，称为“惯质系数”。

４动力学建模

针对第一类悬架结构，建立其四分之一悬架模型，如图２所

示。

４

５

６

图２四分之一悬架结构图

Ｆｉｇ．２

Ｄｉａｇｒａｍｏｆ

Ｑｕａｒｔｅｒ－Ｃａｒ

Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ

Ｍｏｄｅｌ

１．上吊耳２．丝杆３．飞轮４朋尼工作腔５．伸张阀６．压缩阀７．丝杆螺母

８．惯容器工作腔９．活塞杆１０．流通阀１１．补偿阀１２．下吊耳

图１惯容器与阻尼同轴串联一体式结构示意图

Ｆｉｇ．１

Ｄｉａｇｒａｍｏｆ

Ｏｎｅ－ＰｉｅｃｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅＥｍｐｌｏｙｉｎｇ

Ｉｎｅｒｔｅｒａｎｄ

Ｄａｍｐｅｒ

ＣｏａｘｉａｌＳｅｒｉｅｓ

基于机电相似性理论，得到其对应的等效电子网络图【１２】，如图３所示。

３机电相似性理论

历史上曾出现过两类机电相似性理论。目前广泛采用的是以“力一电流”为基础的第二类机电相似性理论。然而，由于质量元件的加速度以惯性坐标系为基础，属于单端点元件，与之相对应的电容元件必须一端接地处理，使得该理论的运用受到极大限制。２００２年，Ｓｍｉｔｈ提出“惯质”概念，并将其引入机械隔振领域，制造出惯容器装置Ｉ“”１。

惯容器的产生完善了第二类以“力一电流”为基础的机电相

Ｆｉｇ．３

图３等效电子网络图

Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ

ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＮｅｔｗｏｒｋＤｉａｇｒａｍ

似性理论，实现了机械元件中“惯容器、阻尼、弹簧”与机械元件中“电容、电阻、电感”的严格对应。其对照图，如表１所示。

表１新机电比拟理论

Ｔａｂ．１

ＮｅｗＭｅｃｈａｎｉｃａＩ—ＥＩｅｃｔｒｉｃａＩＡｎａｌｏｇｙ

图中：ｍ…ｍ、６一电容元件；七；、南』－电感元件；ｃ一电阻元件；ｊ，一理

想电流源。

其动力学微分方程为：ｍ五辄；（ｚ。呻。）＋Ｕ卸

ｍ二。也。（ｚ—，）一ｋ，（ｚ；１。）一Ｕ－－Ｏ

Ｕ－－ｂ（ｚ，一毛）＝ｃ（ｊ６－－Ｚ‘。）

（２）

式中：ｍ厂簧载质量；ｍｆ一非簧载质量；后＿悬架弹簧刚度；ｃ一阻

尼系数；６—惯质系数；知广轮胎刚度；￡卜陨容器与阻尼之间

的作用力远。。＃。。＿车体、惯容器、轮胎、路面垂直位移。

表中，”．和”：在机械系统中指元件两端点的速度，在电路系统中

由此建立系统的状态空间方程为：

Ｘ＝ＡＸ＋８．ｌｙ＝ＣＸ＋Ｄｕ

ｒ

指元件两端的电压；卜元件两端所受力；６一愤质系数；ｃ一

阻尼系数；＾一弹簧刚度；卜电流；Ｃ一电容系数；Ｒ一电阻

值；￡一电感系数。

由此可知，惯容器同弹簧元件、阻尼元件一样，也是一种两端点被动元件。其动力学方程为：

（３）

其中，状态变量：ｘ＝ｋ二。ｊ。ｔ毛气］

输出量：户［互ｚ。叶。＆。（气唁，）】

Ｂ６（ｉ２与Ｉ）

输入量：喊。

Ｎｏ．６

机械设计与制造

Ｃ

Ｃ

Ｊｕｎｅ．２０１４

身加速度均方根减小了２％，悬架动行程均方根减小了８％，轮胎动载荷均方根减小了４％：其性能优于传统被动悬架。

ｍ，

Ｃ

ｍ，

Ｃ

ｊ

、Ｊ一

ｍ“ｍ！ｆ

５．２频域分析

以悬架的车身加速度功率谱密度、悬架动行程功率谱密度和轮胎动载荷功率谱密度为系统的性能指标，仿真的结果，如图

４一图６所示。

（｝＋ｉＣ）—ｆ｝＋上＼ｂ佩

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００ｌ

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生职避‰以豫ｏｏ

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一盟巫０

ｍ＾１

ｍ，—１

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０

０

＾，０

Ｄ＝［００一ｋ，］

５仿真分析

５．１时域分析

Ｆｉｇ．４

图４车身加速度功率谱密度

ＢｏｄｙＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＰｏｗｅｒＳｐｅｃｔｒａｌ

Ｄｅｎｓｉｔｙ

利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ在时域范围内对其进行仿真分析，具体参数，如表２所示。

表２模型参数

Ｔａｂ‘２ＭｏｄｅｌＰａｒａｍｅｔｅｒｓ

参数

路面不平度系数Ｇｏ／（ａ１３ ｃｙｃｌｅ“）

下截止频率ｆ，／Ｈｚ簧载质量ｍ，／ｋｇ非簧载质量ｍ。／ｋｇ

悬架弹簧刚度ｋ，／（ｋＮ ｒａ。）轮胎刚度＾，／（ｋＮ ｍ。）阻尼系数ｃ／（ｋＮ Ｓ ｍ“）

惯质系数ｂ／ｋｇ

数值

５ｘ１０。６１×１０。２３２０４５２２１９０１．３５００

Ｆｉｇ．５

频率（Ｈｚ）

图５悬架动行程功率谱密度

Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ

采用滤波白噪声作为随机路面输入模型｜１３１，如式（４）所示。

Ｗｍ’ｋｉｎｇＳｐａｃｅＰｏｗｅｒＳｐｅｃｔｒａｌＤｅｎｓｉｔｙ

ｊ，（ｔ）＝－２＂ｒｒｆｏｚ，（ｆ）＋２＂ｒｒ＇ｋ／币ｏｖ埘（ｆ）

式中：Ｇ，一路面不平度系数；

口一车速；疗＿下截止频率；

（４）

ｗ（ｔ）一均值为０的高斯白噪声。

分别以车速１０ｎｔｉｓ、２０ｍ／ｓ、３０ｍ／ｓ进行仿真分析，对影响悬架平顺性的三个指标车身加速度均方根值（ＢＡ）、悬架动行程均方根值（ＳＷＳ）、轮胎动载荷均方根值进行分析（ＤＴＬ），如表３所示。

表３随机路面输入下悬架性能指标

Ｔａｂ．３ＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＩｎｄｅｘ

ＵｎｄｅｒＲａｎｄｏｍＲｏａｄＩｎｐｕｔ

橱！率（Ｈｚ）

图６轮胎动载荷功率谱密度

Ｆｉｇ．６

ＤｙｎａｍｉｃＴ、１‘ｅＬｏａｄ

ＰｏｗｅｒＳｐｅｃｔｒａｌＤｅｎｓｉｔｙ

由图４～图６可得：相比于传统被动悬架，蓄能悬架在低频与高频阶段的峰值均显著降低，隔振性能明显提高。

６结论

（１）基于机电相似理论设计的蓄能悬架方案可行，提出的惯容器与阻尼同轴串联一体式结构简单，具有工程应用价值。（２）在时域

对比发现，与传统被动悬架相比，蓄能悬架其车身加速度均方根、悬架动行程均方根、轮胎动载荷均方根均有所减小。其中车

与频域范围内对蓄能悬架进行动态性能仿真分析，结果表明蓄能悬架可有效缓冲和衰减来自路面不平度的冲击，提升悬架性能。

Ｎｏ．６

Ｊｕｎｅ．２０１４机械设计与制造

６ｌ

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（上接第５７页）

优化改进后，滚子设计为圆弧全凸母线（Ｒ＝６０００ｒａｍ），由图１１可知，最大的接触应力仅为３０００ＭＰａ．在整个接触区域，应力分布均匀，经实验，此时轴承的基本额定寿命提高至６ｌ天。轴承实际使用时的寿命平均为６８天，超出了轴承的基本额定寿命；最长的轴承寿命达到了ｔ０５天，为轴承基本额定寿命的１．７２倍，使用效果良好。

（氍＇ａｎｇＺｈｉ—ｗｅｔ，ＺｈａｎｇＪｉ—ｌｉａｎｇ，ＭｅｎｇＬｉｎｇ－ｑｉｎ．Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｄｅｓｉｇｎｏｆｆｏｕｒ

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ＶＺ．Ｐａｌｍｇｒｅｎｒｅ、’ｉｓｉｔｅ（卜＿Ａ

ｂａｓｉｓｆｏｒｂｅａｒｉｎｇｌｉｆｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ

５结论

通过分析可知，滚子的不同凸度设计对滚子及套圈的应力分布以及弹性变形都有十分显著的影响，直接关系到滚动轴承的承载能力和疲劳寿命。在滚子凸型设计时应该避免产生应力集中，力求使接触应力在滚动接触副上均匀分布。由分析可知，圆弧全凸母线滚子比直母线滚子在滚子与滚道的接触区域内应力分布较为均匀，因此它应是一种优先选用的凸型设计方案。滚子的凸度量大小不仅直接影响到滚动接触副的应力分布状况，而且对应力值的大小也有较大影响：凸度量的设计应根据轴承实际承受载荷以及工况条件确定，当凸度量设计不合理时，则会导致接触区的应力分布不均匀，并产生应力集中现象。

ｌＪｊ．

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蓄能悬架的结构设计与性能研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

沈钰杰， 陈龙， 杨晓峰， 汪若尘， SHEN Yu-jie， CHEN Long， YANG Xiao-feng， WANG Ruo-chen江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江,212013机械设计与制造

Machinery Design & Manufacture2014(6)

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