基于自卸车侧围空调结构的油气悬架优化设计

基于自卸车侧围空调结构的油气悬架优化设计

大型自耕车的自耕车操作效率高，运营成本低。它具有中小型设备的优点，因此在大型露天矿中得到广泛应用。由于路面起伏不平,作用于车轮上的垂直作用力具有较强的冲击力,车辆的行驶平顺性较差。而油气悬架具有良好的非线性刚度和阻尼特性,可以极大地提高车辆的平顺性,从而改善驾驶员的舒适性,并且由此可以减轻车辆零部件的损坏程度、提高车辆的使用寿命。由于油气悬架具有这种优良的工作特性,使得它被广泛应用于矿用自卸车。目前,国内对重型矿用自卸车油气悬架的研究工作还非常少,而且没有具体的技术参数和设计准则。文献,在油气悬架设计过程中,将其刚度和阻尼做线性化处理,然后进行优化设计。文献,根据以往的经验忽略轮胎阻尼的影响,对二自由度模型进行优化。然而,实际情况是大型矿用自卸车的油气悬架行程能达到300mm,具有很强的非线性特征,而且前后悬架对整车性能的影响很不一致。该型矿用车装备的轮胎为59/80R63,直径达4.03m,其阻尼对车辆振动有很大的影响。此外,ISO2631对随机输入和脉冲输入都提出了要求,而很少有学者会在优化中全面考量。上述文献虽然对油气悬架的优化设计进行了有益的探索,但设计思路与工程实际仍有差距。本文以某大型矿用自卸车为研究对象。参考传统的车辆振动模型,加入了轮胎阻尼和油气悬架非线性刚度与阻尼,建立了更符合工程实际的矿用自卸车五自由度振动数学模型。针对ISO2631对随机输入和脉冲输入下的平顺性要求,在Simulink中建立两个不同输入的仿真模型。通过模型分析了前、后油气悬架刚度和阻尼对随机路面车身和人体振动响应的影响。然后,在Matlab环境下编写基于遗传算法的优化程序,通过不断驱动两个仿真模型,再将响应值传递给优化程序,最终实现对油气悬架主要参数的优化。1非线性刚度和阻尼孔20世纪80年代,油气悬架开始在重型车辆上得到应用。按油气悬架的气室数目,可分为单气室、双气室、两级压力室等类型,而矿用自卸车大都采用单气室油气悬架。单气室油气弹簧的结构简图如图1所示。油气弹簧主要由活塞杆和活塞组件以及缸筒组成,活塞杆壁上设有单向阀和阻尼孔,整个悬架缸内形成2个腔,即工作腔和环形腔。单气室油气弹簧的非线性输出力包括刚度和阻尼载荷,输出力F为:式中:Fk、Fc分别为非线性刚度载荷和阻尼载荷。缸筒内部气体的压缩和膨胀根据理想气体中状态变化的定律进行计算,且认为油液不可压缩。系统的非线性刚度载荷Fk为:式中:P0、V0分别为满载静平衡位置气柱压力及体积;A1、A2分别为工作腔和环形腔的面积;x、r分别为活塞杆相对缸筒位移及气体多变指数,并规定向上为正方向。对位移求导得到刚度K为:考虑阻尼孔和单向阀的流体阻力,根据薄壁小孔理论,可知非线性阻尼载荷Fc为:式中:Cd、ρ分别为油液流量系数和密度;A01、A02分别为阻尼孔和单向阀的有效过流面积;n为阻尼孔和单向阀的个数;为缸筒相对活塞杆速度为符号函数,规定压缩行程时;拉伸行程时,。对速度求导得到阻尼C为:2系统运动方程考虑到工程实际和研究方法的局限性,建模时所采用的自由度数并非越多越精确,由于安装在车上的悬架部件和轮胎都是左右对称的。对于以设计开发为主,特别是对悬架参数优化,建立平面五自由度模型能够满足工程实际需要。车辆五自由度振动模型如图2所示。其中qf、qr分别为前轮和后轮处路面不平度;mf、mr分别为前轴和后轴非簧载质量;xf、xr分别为前轴和后轴非簧载质量质心处垂直位移;kf、cf分别为前轮胎的垂直刚度和阻尼;kr、cr分别为后轮胎的垂直刚度和阻尼;Ff、Fr分别为前后悬架非线性输出载荷;m、J分别为簧载质量及其绕纵轴的转动惯量;x、θ分别为簧载质量的质心处垂直位移和簧载质量绕质心的纵向转动角位移;ms、xs分别为人体落在座椅上质量和人体质心处的垂直位移;ks、cs分别为座椅系统的垂直刚度和阻尼。考虑到非线性因素的影响,并不能简单地像文献一样,把系统的坐标原点选在各自的平衡位置。根据牛顿第二定律,可以得到系统的运动微分方程:式中:lf为前轴中心到簧载质量质心的纵向水平距离;lr为后轴中心到簧载质量质心的纵向水平距离;ls为人体质心到簧载质量质心的纵向水平距离。3系统约束下振动响应问题由于非线性因素的存在,传统的基于叠加规律的频域分析方法不能适用,应采用时域分析的方法求得振动响应的解。这一节首先将分析矿用自卸车在设计变量为初始值时,前后油气悬架的刚度和阻尼对车身和人体振动响应的主要影响。然后,建立了以随机输入下车身垂直方向加速度均方根值为目标函数的优化模型。其中,约束条件还包括标准ISO2631对随机输入和脉冲输入的平顺性要求。3.1前后悬架非线性刚度和阻尼对人体振动的影响基于油气悬架数学模型和车辆五自由度数学模型,运用Simulink软件建立油气悬架系统仿真模型。根据文献,油气悬架的主要参数包括满载平衡位置时的气室高度、活塞杆外径、缸筒内径、阻尼孔直径和单向阀直径。于是,选定设计变量为一个十维向量X,表达式为:式中:df1、df2、df、Df、Lsf分别为前油气悬架的单向阀直径、阻尼孔直径、活塞杆外径、缸筒内径和满载平衡位置的气室高度;dr1、dr2、dr、Dr、Lsr分别为后油气悬架的单向阀直径、阻尼孔直径、活塞杆外径、缸筒内径和满载平衡位置的气室高度。考虑到油气悬架的非线性特性,决定以设计变量初始值确定的悬架特性作为基准特性。由式(3)知,刚度K只取决于满载平衡位置的气室高度,而且两者负相关。引入前后悬架阻尼特性比例系数,令式(5)右边乘以比例系数,并使其与阻尼C正相关。于是,就能更好地以二维曲线图的形式分析前后悬架非线性刚度和阻尼对车身和人体振动响应的主要影响。下面重点分析前后悬架刚度和阻尼对车身和人体振动响应的影响。由图3所示,随着前悬架气室高度的增加,车身垂直加速度均方根值趋向逐渐减小。其原因是随着前悬架气室高度的增加,前悬架刚度减小,隔振效率提高,使得车身加速度均方根值逐渐减小。由图4知,随着前悬架阻尼比例系数的增加,人体垂直加速度均方根值也趋向减小。其原因是随着前悬架阻尼比例系数的增加,前悬架阻尼增加,衰减效率提高,使得人体垂直加速度均方根值逐渐减小。考虑到后悬架和前悬架对平顺性指标影响机理是一致的,于是从图5和图6可以知道,后悬架刚度和阻尼主要影响的是车身垂直加速度均方根值,而且当后悬架刚度减小或者阻尼增加时,车身垂直加速度均方根值逐渐减小。上述情况主要取决于车辆的结构布置和前后油气悬架的匹配。3.2单脉冲输入实验车辆的行驶平顺性不仅取决于车辆的振动特性,还取决于人体的振动反应。国际标准ISO2631是汽车行驶平顺性评价的主要依据,我国也参照这一标准执行。1982年我国制定了“汽车行驶平顺性随机输入试验方法”国家标准,该项标准已经在汽车行业中普遍推广应用。除了随机输入平顺性外,为了评价汽车受到突然冲击时的平顺性,1985年又制定了“汽车平顺性单脉冲输入行驶实验方法”。因而,本文综合考虑上述标准,以矿车在满载且以10m/s的速度在C级路面的车身加速度均方根值作为目标函数,并要求相应的人体垂直加速度均方根值满足IS02631的“舒适性降低界限”,选择人体垂直加速度均方根界限值0.29m·s-2,凸块高度为400mm的脉冲输入下座垫表面传递给乘员的最大加速度响应低于31.44m·s-2。考虑到安全性,要求悬架动行程的均方根值小于300mm,车轮与路面间的相对动载荷小于1/3。目标函数和约束条件如式(8)所示。式中:为C级路面车身垂直加速度均方根值;为C级路面人体垂直加速度均方根值;为脉冲输入下人体垂直加速度;σ2fd为悬架动行程;σ2Fd为车轮动载荷。3.3遗传算法优化遗传算法(GeneticAlgorithm)是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型,是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法,它最初由美国Michigan大学Holland于1975年首先提出来的。遗传算法的主要特点是全局搜索能力强,不易陷入局部最优,尤其适用于复杂和非线性问题。因而基于前面的数学模型、目标函数、约束条件,在Matlab中编制遗传算法优化程序。油气悬架性能参数主要由整车高度、性能和载荷所决定,综合考虑同类车型相关参数和车辆结构参数,得到设计变量的初始值和取值范围,如表1所示。遗传算法的主要参数为:种群规模为个体数20个,执行遗传算法的最大代数为100代,变异幅值为0.8,产生初始种群后进行遗传迭代。优化结果精确到毫米,如表2所示。优化前后目标函数对比见表3。优化设计前后,C级随机路面和脉冲路面的车身垂直加速度对比曲线如图7~图8所示。由表3、图7对比分析可知,在随机输入下,矿用自卸车的车身垂向加速度均方根值减少了25.6%,意味着明显改善了车辆的振动响应。由图8分析可知,在脉冲输入下,车辆前轮通过凸块时,车身的垂向加速度略有下降,说明前悬架设计变量初始值选择恰当。而当车辆后轮通过凸块时,车身的垂向加速度下降近一倍,说明后悬架设计变量初始值不合理。从图中还可知,车辆在2个振动周期后,振动得到了很大程度的衰减,获得了良好的振动响应。4前后悬架对车载和人体舒适性影响分析结果本文针对大型矿用自卸车轮胎大阻尼和油气悬架非线性的特点,建立随机输入和脉冲输入下的更符合工程实际的