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摘 要：矿用汽车大都为大型运输车辆,其行驶环境复杂条件恶劣,如何保证车辆在这样的环境下安全平稳的行驶已成为国内外研究的重点.油气悬架系统是以液压传动和控制技术为基础的综合系统,具有良好的运行平顺性.本文简要介绍了矿用车辆油气悬架系统及其结构特点,重点对基于油气悬架系统的矿用汽车动力学进行了分析.
关 键 词：矿用汽车；油气悬架；动力学分析
车辆的整车振动特性好坏将导致行驶平顺性和乘坐舒适性的不同,而整车的振动特性关键在于悬架的固有特性,悬架的固有特性包括刚度特性和阻尼特性,因此此两项特性直接决定了整车的行驶平顺性和乘坐舒适性.对于传统悬架来说,它的行驶平顺性和乘坐舒适性较差,究其原因主要是悬架的固有特性为一定值,整车振动的固有频率在运行时是随时变化的.而以油液为过渡介质,以惰性气体（通常是氮气）作为弹性介质的油气悬架,是一种新型的悬架系统,由于其良好的非线性刚度和阻尼特性,使车辆在行驶过程中平稳运行、减小颠簸感、减轻驾驶疲劳、提高乘坐舒适性.所以油气悬挂系统是改善行驶平顺性和乘坐舒适性的突破点.
1.矿用车辆油气悬架系统简介
相对于国外,我国矿山辅助机械化的研究和普及较不完善,研究始于上世纪七十年代,八十年代国家才开始较为重视.而国外从上世纪六十年代就开始运用铁矿辅助运输设备,虽然我国对这方面的研究有了突破性的进展,但由于基础弱起步晚,与国外相比,无论从科研还是应用上,都有一段距离的差距.目前,国内外矿用车辆油气悬架系统包括以下几类：
1.1.被动悬架系统；系统无能量输入,只有油气悬架缸与蓄能器组成,无外界能量输入.细分为无限位块和有限位块两种,限位块的作用在于路面起伏过大时防止油气悬架穿透油气悬架缸.
1.2.半主动悬架系统；与前者相比主要的不同点在于有少量能量输入系统.
1.3.主动悬架系统；主动悬架性能较好,但实际应用并不广泛,主要是由于结构比较复杂、费用高,需要大量能量的输入.
2.矿用汽车油气悬架结构特点
油气悬架是一种新型车辆悬架系统,主要用于特种车辆及大型工程车辆,标志着现代车辆悬架的研究方向.其减震主要是通过液压单向阀和阻尼孔的阻尼作用,其弹性元件与减振元件为一整体.油气悬架能够减缓路面的冲击,提高舒适性,减弱驾驶疲劳,确保车辆安全平稳运行.
2.1.油气悬架系统的组成
矿用汽车油气悬架系统主要由油气悬架缸、蓄能器以及控制机构组成.其减震主要依靠油气悬架缸完成,缸体上部与车架连接,活塞杆与摆架连接,起到支撑车重的作用.油气悬架缸可以看做为单作用的液压缸,其活塞杆腔内部为大气压,活塞腔部分经过单向阀和阻尼孔与蓄能器接通.蓄能器安装于前车架上,作为油气悬架系统弹性元件,依靠惰性气体氮气的弹性变形减缓、消除起伏路面使矿用汽车产生的振动.控制机构是一个随动机构,主要由控制阀、调节杆及摆动杆等组成.控制阀固定在前机架上,主要用于调节水平高度.调节杆将摆架前端与摆动杆相连,最后将摆动杆的中间铰接在前机架上.
2.2.油气悬架系统的工作原理
矿用汽车在起伏不平的路面上行驶时,导致摆架起伏摆动,与之相连的调节杆也会有相同的动作,控制阀的阀芯运动也会随着改变,从而控制了高压油的填充或高压油的释放,主要过程为活塞杆相对缸体向上运动,使的腔内压力增大,由于液压油的不可压缩性使的液压油通过单向阀、阻尼孔流入储能器,压缩氮气,吸收震动冲击.相反,腔内压力减小时,相通路径在氮气的压力下回流进腔进行补油.这样就调节了车身的水平度,使车辆水平,改善了矿用汽车行驶的平顺性.
但在实际使用过程中,控制阀的使用寿命远远低于设定的数值,主要是由于控制机构是机械式随动机构,使控制阀频繁的换向,容易损坏.除此之外,载重或是劣质路面对控制阀的冲击势必增大.所以矿用汽车的行驶平顺性和乘坐舒适性就不能得到保证,导致矿用汽车的使用性能较差.
3.基于油气悬架系统的矿用汽车动力学分析
3.1.整车动力学分析
对于整车动力学分析主要采用对比法来说明,车辆的悬架不同,其性能会有很大差异.传统悬架的刚度是线性的且数值是一定值,油气悬架则不同,的刚度是非线性、渐增（减）的特性,与传统悬架相比平顺性和行驶的舒适性较好.传统悬架中的钢板弹簧悬架应用最为广泛,我们就以传统钢板弹簧悬架和油气悬架的矿用汽车在相同起伏的路面上行驶进行对比.设定的路面如图一所示,起始部分的平整路面设定为坐标原点,高于平整路面为正值,相反为负值.通过此路面时矿用汽车保持在33km/h的行驶条件下,得到的汽车的垂直加速度曲线如图二所示.
对比以上两图中的曲线起伏情况,总体来看,采用油气悬架的曲线起伏度远小于采用钢板弹簧悬架的矿用汽车,由此可得,采用油气悬架后,整车的垂直加速度减小明显,由此提高了矿用汽车行驶的平顺性和改善了乘坐的舒适性
3.2.爬坡性能分析
由于矿用汽车特殊的工作环境决定了其外形结构,这样一来使的爬坡能力的减弱,经过爬坡过程的研究分析可得,在一定载荷下,矿用汽车在爬坡过程中,加速度小于平整路面上的；在不同载荷下,载荷与其加速度成反比.在坡脚处,矿用汽车行驶的速度急剧降低,变化曲线显著,这主要是坡脚处的冲击造成的.
3.3.侧倾性能分析
由以往的研究可得,侧倾角过大过小都不好.侧倾角刚度与侧倾角一小一大,相差较大时,乘员的舒适性和安全性较低；侧倾角刚度与侧倾角一大一小,相差也较大时,汽车又缺乏侧倾的感觉并且会导致轮胎的侧偏角增大.我们对某一配置有油气悬架系统的矿用汽车进行了侧倾性能实验,并根据数据绘制出侧倾角曲线.矿用汽车的侧倾角小于6度,符合矿用汽车车身侧倾角要求.运行稳定后的矿用汽车的侧倾角刚度数值946,其设计标准为300～1200,故在此范围内,符合标准.
结语：油气悬挂系统的研究对于矿用汽车具有重要的意义,相关工作人员应进一步对新结构形式的油气悬架系统进行开发研究,通过提高实际应用中的可靠性,使矿用汽车更好的满足安全平稳性和乘坐舒适性的要求,使其发挥更大的潜能.