基于自卸車側(cè)圍空調(diào)結(jié)構(gòu)的油氣懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于自卸車側(cè)圍空調(diào)結(jié)構(gòu)的油氣懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)

大型自耕車的自耕車操作效率高，運(yùn)營成本低。它具有中小型設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，因此在大型露天礦中得到廣泛應(yīng)用。由于路面起伏不平,作用于車輪上的垂直作用力具有較強(qiáng)的沖擊力,車輛的行駛平順性較差。而油氣懸架具有良好的非線性剛度和阻尼特性,可以極大地提高車輛的平順性,從而改善駕駛員的舒適性,并且由此可以減輕車輛零部件的損壞程度、提高車輛的使用壽命。由于油氣懸架具有這種優(yōu)良的工作特性,使得它被廣泛應(yīng)用于礦用自卸車。目前,國內(nèi)對(duì)重型礦用自卸車油氣懸架的研究工作還非常少,而且沒有具體的技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。文獻(xiàn),在油氣懸架設(shè)計(jì)過程中,將其剛度和阻尼做線性化處理,然后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn),根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)忽略輪胎阻尼的影響,對(duì)二自由度模型進(jìn)行優(yōu)化。然而,實(shí)際情況是大型礦用自卸車的油氣懸架行程能達(dá)到300mm,具有很強(qiáng)的非線性特征,而且前后懸架對(duì)整車性能的影響很不一致。該型礦用車裝備的輪胎為59/80R63,直徑達(dá)4.03m,其阻尼對(duì)車輛振動(dòng)有很大的影響。此外,ISO2631對(duì)隨機(jī)輸入和脈沖輸入都提出了要求,而很少有學(xué)者會(huì)在優(yōu)化中全面考量。上述文獻(xiàn)雖然對(duì)油氣懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了有益的探索,但設(shè)計(jì)思路與工程實(shí)際仍有差距。本文以某大型礦用自卸車為研究對(duì)象。參考傳統(tǒng)的車輛振動(dòng)模型,加入了輪胎阻尼和油氣懸架非線性剛度與阻尼,建立了更符合工程實(shí)際的礦用自卸車五自由度振動(dòng)數(shù)學(xué)模型。針對(duì)ISO2631對(duì)隨機(jī)輸入和脈沖輸入下的平順性要求,在Simulink中建立兩個(gè)不同輸入的仿真模型。通過模型分析了前、后油氣懸架剛度和阻尼對(duì)隨機(jī)路面車身和人體振動(dòng)響應(yīng)的影響。然后,在Matlab環(huán)境下編寫基于遺傳算法的優(yōu)化程序,通過不斷驅(qū)動(dòng)兩個(gè)仿真模型,再將響應(yīng)值傳遞給優(yōu)化程序,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣懸架主要參數(shù)的優(yōu)化。1非線性剛度和阻尼孔20世紀(jì)80年代,油氣懸架開始在重型車輛上得到應(yīng)用。按油氣懸架的氣室數(shù)目,可分為單氣室、雙氣室、兩級(jí)壓力室等類型,而礦用自卸車大都采用單氣室油氣懸架。單氣室油氣彈簧的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。油氣彈簧主要由活塞桿和活塞組件以及缸筒組成,活塞桿壁上設(shè)有單向閥和阻尼孔,整個(gè)懸架缸內(nèi)形成2個(gè)腔,即工作腔和環(huán)形腔。單氣室油氣彈簧的非線性輸出力包括剛度和阻尼載荷,輸出力F為:式中:Fk、Fc分別為非線性剛度載荷和阻尼載荷。缸筒內(nèi)部氣體的壓縮和膨脹根據(jù)理想氣體中狀態(tài)變化的定律進(jìn)行計(jì)算,且認(rèn)為油液不可壓縮。系統(tǒng)的非線性剛度載荷Fk為:式中:P0、V0分別為滿載靜平衡位置氣柱壓力及體積;A1、A2分別為工作腔和環(huán)形腔的面積;x、r分別為活塞桿相對(duì)缸筒位移及氣體多變指數(shù),并規(guī)定向上為正方向。對(duì)位移求導(dǎo)得到剛度K為:考慮阻尼孔和單向閥的流體阻力,根據(jù)薄壁小孔理論,可知非線性阻尼載荷Fc為:式中:Cd、ρ分別為油液流量系數(shù)和密度;A01、A02分別為阻尼孔和單向閥的有效過流面積;n為阻尼孔和單向閥的個(gè)數(shù);為缸筒相對(duì)活塞桿速度為符號(hào)函數(shù),規(guī)定壓縮行程時(shí);拉伸行程時(shí),。對(duì)速度求導(dǎo)得到阻尼C為:2系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程考慮到工程實(shí)際和研究方法的局限性,建模時(shí)所采用的自由度數(shù)并非越多越精確,由于安裝在車上的懸架部件和輪胎都是左右對(duì)稱的。對(duì)于以設(shè)計(jì)開發(fā)為主,特別是對(duì)懸架參數(shù)優(yōu)化,建立平面五自由度模型能夠滿足工程實(shí)際需要。車輛五自由度振動(dòng)模型如圖2所示。其中qf、qr分別為前輪和后輪處路面不平度;mf、mr分別為前軸和后軸非簧載質(zhì)量;xf、xr分別為前軸和后軸非簧載質(zhì)量質(zhì)心處垂直位移;kf、cf分別為前輪胎的垂直剛度和阻尼;kr、cr分別為后輪胎的垂直剛度和阻尼;Ff、Fr分別為前后懸架非線性輸出載荷;m、J分別為簧載質(zhì)量及其繞縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;x、θ分別為簧載質(zhì)量的質(zhì)心處垂直位移和簧載質(zhì)量繞質(zhì)心的縱向轉(zhuǎn)動(dòng)角位移;ms、xs分別為人體落在座椅上質(zhì)量和人體質(zhì)心處的垂直位移;ks、cs分別為座椅系統(tǒng)的垂直剛度和阻尼?？紤]到非線性因素的影響,并不能簡(jiǎn)單地像文獻(xiàn)一樣,把系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)選在各自的平衡位置。根據(jù)牛頓第二定律,可以得到系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程:式中:lf為前軸中心到簧載質(zhì)量質(zhì)心的縱向水平距離;lr為后軸中心到簧載質(zhì)量質(zhì)心的縱向水平距離;ls為人體質(zhì)心到簧載質(zhì)量質(zhì)心的縱向水平距離。3系統(tǒng)約束下振動(dòng)響應(yīng)問題由于非線性因素的存在,傳統(tǒng)的基于疊加規(guī)律的頻域分析方法不能適用,應(yīng)采用時(shí)域分析的方法求得振動(dòng)響應(yīng)的解。這一節(jié)首先將分析礦用自卸車在設(shè)計(jì)變量為初始值時(shí),前后油氣懸架的剛度和阻尼對(duì)車身和人體振動(dòng)響應(yīng)的主要影響。然后,建立了以隨機(jī)輸入下車身垂直方向加速度均方根值為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型。其中,約束條件還包括標(biāo)準(zhǔn)ISO2631對(duì)隨機(jī)輸入和脈沖輸入的平順性要求。3.1前后懸架非線性剛度和阻尼對(duì)人體振動(dòng)的影響基于油氣懸架數(shù)學(xué)模型和車輛五自由度數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用Simulink軟件建立油氣懸架系統(tǒng)仿真模型。根據(jù)文獻(xiàn),油氣懸架的主要參數(shù)包括滿載平衡位置時(shí)的氣室高度、活塞桿外徑、缸筒內(nèi)徑、阻尼孔直徑和單向閥直徑。于是,選定設(shè)計(jì)變量為一個(gè)十維向量X,表達(dá)式為:式中:df1、df2、df、Df、Lsf分別為前油氣懸架的單向閥直徑、阻尼孔直徑、活塞桿外徑、缸筒內(nèi)徑和滿載平衡位置的氣室高度;dr1、dr2、dr、Dr、Lsr分別為后油氣懸架的單向閥直徑、阻尼孔直徑、活塞桿外徑、缸筒內(nèi)徑和滿載平衡位置的氣室高度?？紤]到油氣懸架的非線性特性,決定以設(shè)計(jì)變量初始值確定的懸架特性作為基準(zhǔn)特性。由式(3)知,剛度K只取決于滿載平衡位置的氣室高度,而且兩者負(fù)相關(guān)。引入前后懸架阻尼特性比例系數(shù),令式(5)右邊乘以比例系數(shù),并使其與阻尼C正相關(guān)。于是,就能更好地以二維曲線圖的形式分析前后懸架非線性剛度和阻尼對(duì)車身和人體振動(dòng)響應(yīng)的主要影響。下面重點(diǎn)分析前后懸架剛度和阻尼對(duì)車身和人體振動(dòng)響應(yīng)的影響。由圖3所示,隨著前懸架氣室高度的增加,車身垂直加速度均方根值趨向逐漸減小。其原因是隨著前懸架氣室高度的增加,前懸架剛度減小,隔振效率提高,使得車身加速度均方根值逐漸減小。由圖4知,隨著前懸架阻尼比例系數(shù)的增加,人體垂直加速度均方根值也趨向減小。其原因是隨著前懸架阻尼比例系數(shù)的增加,前懸架阻尼增加,衰減效率提高,使得人體垂直加速度均方根值逐漸減小?？紤]到后懸架和前懸架對(duì)平順性指標(biāo)影響機(jī)理是一致的,于是從圖5和圖6可以知道,后懸架剛度和阻尼主要影響的是車身垂直加速度均方根值,而且當(dāng)后懸架剛度減小或者阻尼增加時(shí),車身垂直加速度均方根值逐漸減小。上述情況主要取決于車輛的結(jié)構(gòu)布置和前后油氣懸架的匹配。3.2單脈沖輸入實(shí)驗(yàn)車輛的行駛平順性不僅取決于車輛的振動(dòng)特性,還取決于人體的振動(dòng)反應(yīng)。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631是汽車行駛平順性評(píng)價(jià)的主要依據(jù),我國也參照這一標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。1982年我國制定了“汽車行駛平順性隨機(jī)輸入試驗(yàn)方法”國家標(biāo)準(zhǔn),該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在汽車行業(yè)中普遍推廣應(yīng)用。除了隨機(jī)輸入平順性外,為了評(píng)價(jià)汽車受到突然沖擊時(shí)的平順性,1985年又制定了“汽車平順性單脈沖輸入行駛實(shí)驗(yàn)方法”。因而,本文綜合考慮上述標(biāo)準(zhǔn),以礦車在滿載且以10m/s的速度在C級(jí)路面的車身加速度均方根值作為目標(biāo)函數(shù),并要求相應(yīng)的人體垂直加速度均方根值滿足IS02631的“舒適性降低界限”,選擇人體垂直加速度均方根界限值0.29m·s-2,凸塊高度為400mm的脈沖輸入下座墊表面?zhèn)鬟f給乘員的最大加速度響應(yīng)低于31.44m·s-2?？紤]到安全性,要求懸架動(dòng)行程的均方根值小于300mm,車輪與路面間的相對(duì)動(dòng)載荷小于1/3。目標(biāo)函數(shù)和約束條件如式(8)所示。式中:為C級(jí)路面車身垂直加速度均方根值;為C級(jí)路面人體垂直加速度均方根值;為脈沖輸入下人體垂直加速度;σ2fd為懸架動(dòng)行程;σ2Fd為車輪動(dòng)載荷。3.3遺傳算法優(yōu)化遺傳算法(GeneticAlgorithm)是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型,是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法,它最初由美國Michigan大學(xué)Holland于1975年首先提出來的。遺傳算法的主要特點(diǎn)是全局搜索能力強(qiáng),不易陷入局部最優(yōu),尤其適用于復(fù)雜和非線性問題。因而基于前面的數(shù)學(xué)模型、目標(biāo)函數(shù)、約束條件,在Matlab中編制遺傳算法優(yōu)化程序。油氣懸架性能參數(shù)主要由整車高度、性能和載荷所決定,綜合考慮同類車型相關(guān)參數(shù)和車輛結(jié)構(gòu)參數(shù),得到設(shè)計(jì)變量的初始值和取值范圍,如表1所示。遺傳算法的主要參數(shù)為:種群規(guī)模為個(gè)體數(shù)20個(gè),執(zhí)行遺傳算法的最大代數(shù)為100代,變異幅值為0.8,產(chǎn)生初始種群后進(jìn)行遺傳迭代。優(yōu)化結(jié)果精確到毫米,如表2所示。優(yōu)化前后目標(biāo)函數(shù)對(duì)比見表3。優(yōu)化設(shè)計(jì)前后,C級(jí)隨機(jī)路面和脈沖路面的車身垂直加速度對(duì)比曲線如圖7~圖8所示。由表3、圖7對(duì)比分析可知,在隨機(jī)輸入下,礦用自卸車的車身垂向加速度均方根值減少了25.6%,意味著明顯改善了車輛的振動(dòng)響應(yīng)。由圖8分析可知,在脈沖輸入下,車輛前輪通過凸塊時(shí),車身的垂向加速度略有下降,說明前懸架設(shè)計(jì)變量初始值選擇恰當(dāng)。而當(dāng)車輛后輪通過凸塊時(shí),車身的垂向加速度下降近一倍,說明后懸架設(shè)計(jì)變量初始值不合理。從圖中還可知,車輛在2個(gè)振動(dòng)周期后,振動(dòng)得到了很大程度的衰減,獲得了良好的振動(dòng)響應(yīng)。4前后懸架對(duì)車載和人體舒適性影響分析結(jié)果本文針對(duì)大型礦用自卸車輪胎大阻尼和油氣懸架非線性的特點(diǎn),建立隨機(jī)輸入和脈沖輸入下的更符合工程實(shí)際的