基于自卸車側圍空調(diào)結構的油氣懸架優(yōu)化設計

大型自耕車的自耕車操作效率高，運營成本低。它具有中小型設備的優(yōu)點，因此在大型露天礦中得到廣泛應用。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,使得它被廣泛應用于礦用自卸車。目前,國內(nèi)對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參數(shù)和設計準則。文獻,在油氣懸架設計過程中,將其剛度和阻尼做線性化處理,然后進行優(yōu)化設計。文獻,根據(jù)以往的經(jīng)驗忽略輪胎阻尼的影響,對二自由度模型進行優(yōu)化。然而,實際情況是大型礦用自卸車的油氣懸架行程能達到300mm,具有很強的非線性特征,而且前后懸架對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4.03m,其阻尼對車輛振動有很大的影響。此外,ISO2631對隨機輸入和脈沖輸入都提出了要求,而很少有學者會在優(yōu)化中全面考量。上述文獻雖然對油氣懸架的優(yōu)化設計進行了有益的探索,但設計思路與工程實際仍有差距。本文以某大型礦用自卸車為研究對象。參考傳統(tǒng)的車輛振動模型,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際的礦用自卸車五自由度振動數(shù)學模型。針對ISO2631對隨機輸入和脈沖輸入下的平順性要求,在Simulink中建立兩個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隨機路面車身和人體振動響應的影響。然后,在Matlab環(huán)境下編寫基于遺傳算法的優(yōu)化程序,通過不斷驅動兩個仿真模型,再將響應值傳遞給優(yōu)化程序,最終實現(xiàn)對油氣懸架主要參數(shù)的優(yōu)化。1非線性剛度和阻尼孔20世紀80年代,油氣懸架開始在重型車輛上得到應用。按油氣懸架的氣室數(shù)目,可分為單氣室、雙氣室、兩級壓力室等類型,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構簡圖如圖1所示。油氣彈簧主要由活塞桿和活塞組件以及缸筒組成,活塞桿壁上設有單向閥和阻尼孔,整個懸架缸內(nèi)形成2個腔,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)變化的定律進行計算,且認為油液不可壓縮。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分別為活塞桿相對缸筒位移及氣體多變指數(shù),并規(guī)定向上為正方向。對位移求導得到剛度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數(shù);為缸筒相對活塞桿速度為符號函數(shù),規(guī)定壓縮行程時;拉伸行程時,。對速度求導得到阻尼C為:2系統(tǒng)運動方程考慮到工程實際和研究方法的局限性,建模時所采用的自由度數(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稱的。對于以設計開發(fā)為主,特別是對懸架參數(shù)優(yōu)化,建立平面五自由度模型能夠滿足工程實際需要。車輛五自由度振動模型如圖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量;xf、xr分別為前軸和后軸非簧載質量質心處垂直位移;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分別為簧載質量及其繞縱軸的轉動慣量;x、θ分別為簧載質量的質心處垂直位移和簧載質量繞質心的縱向轉動角位移;ms、xs分別為人體落在座椅上質量和人體質心處的垂直位移;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,并不能簡單地像文獻一樣,把系統(tǒng)的坐標原點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)的運動微分方程:式中:lf為前軸中心到簧載質量質心的縱向水平距離;lr為后軸中心到簧載質量質心的縱向水平距離;ls為人體質心到簧載質量質心的縱向水平距離。3系統(tǒng)約束下振動響應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,應采用時域分析的方法求得振動響應的解。這一節(jié)首先將分析礦用自卸車在設計變量為初始值時,前后油氣懸架的剛度和阻尼對車身和人體振動響應的主要影響。然后,建立了以隨機輸入下車身垂直方向加速度均方根值為目標函數(shù)的優(yōu)化模型。其中,約束條件還包括標準ISO2631對隨機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人體振動的影響基于油氣懸架數(shù)學模型和車輛五自由度數(shù)學模型,運用Simulink軟件建立油氣懸架系統(tǒng)仿真模型。根據(jù)文獻,油氣懸架的主要參數(shù)包括滿載平衡位置時的氣室高度、活塞桿外徑、缸筒內(nèi)徑、阻尼孔直徑和單向閥直徑。于是,選定設計變量為一個十維向量X,表達式為: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,決定以設計變量初始值確定的懸架特性作為基準特性。由式(3)知,剛度K只取決于滿載平衡位置的氣室高度,而且兩者負相關。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。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車身和人體振動響應的主要影響。下面重點分析前后懸架剛度和阻尼對車身和人體振動響應的影響。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平順性指標影響機理是一致的,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,而且當后懸架剛度減小或者阻尼增加時,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構布置和前后油氣懸架的匹配。3.2單脈沖輸入實驗車輛的行駛平順性不僅取決于車輛的振動特性,還取決于人體的振動反應。國際標準ISO2631是汽車行駛平順性評價的主要依據(jù),我國也參照這一標準執(zhí)行。1982年我國制定了“汽車行駛平順性隨機輸入試驗方法”國家標準,該項標準已經(jīng)在汽車行業(yè)中普遍推廣應用。除了隨機輸入平順性外,為了評價汽車受到突然沖擊時的平順性,1985年又制定了“汽車平順性單脈沖輸入行駛實驗方法”。因而,本文綜合考慮上述標準,以礦車在滿載且以10m/s的速度在C級路面的車身加速度均方根值作為目標函數(shù),并要求相應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低于31.44m·s-2。考慮到安全性,要求懸架動行程的均方根值小于300mm,車輪與路面間的相對動載荷小于1/3。目標函數(shù)和約束條件如式(8)所示。式中:為C級路面車身垂直加速度均方根值;為C級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為懸架動行程;σ2Fd為車輪動載荷。3.3遺傳算法優(yōu)化遺傳算法(GeneticAlgorithm)是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學機理的生物進化過程的計算模型,是一種通過模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解的方法,它最初由美國Michigan大學Holland于1975年首先提出來的。遺傳算法的主要特點是全局搜索能力強,不易陷入局部最優(yōu),尤其適用于復雜和非線性問題。因而基于前面的數(shù)學模型、目標函數(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參數(shù)和車輛結構參數(shù),得到設計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)模為個體數(shù)20個,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)生初始種群后進行遺傳迭代。優(yōu)化結果精確到毫米,如表2所示。優(yōu)化前后目標函數(shù)對比見表3。優(yōu)化設計前后,C級隨機路面和脈沖路面的車身垂直加速度對比曲線如圖7~圖8所示。由表3、圖7對比分析可知,在隨機輸入下,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響應。由圖8分析可知,在脈沖輸入下,車輛前輪通過凸塊時,車身的垂向加速度略有下降,說明前懸架設計變量初始值選擇恰當。而當車輛后輪通過凸塊時,車身的垂向加速度下降近一倍,說明后懸架設計變量初始值不合理。從圖中還可知,車輛在2個振動周期后,振動得到了很大程度的衰減,獲得了良好的振動響應。4前后懸架對車載和人體舒適性影響分析結果本文針對大型礦用自卸車輪胎大阻尼和油氣懸架非線性的特點,建立隨機輸入和脈沖輸入下的更符合工程實際的