矿用自卸车非独立式后悬架K&C特性对比研究

田海勇 刘少权

摘 要：本文以A型架式和多連杆式两种典型的矿用自卸车非独立式后悬架为研究对象，基于多体动力学理论和利用MapleSim软件对上述两种类型的后悬架进行建模和分析。通过对悬架的K&C特性对比分析研究，可以得出后轴两侧车轮同向轮跳时，多连杆式后悬架的K特性较优，反向车轮跳动时，A型架式后悬架的K特性较优;两种悬架的C特性指标数值均很小，其运动学特性主要受K特性影响。该研究结论可以为矿车非独立式后悬架设计提供理论支持。

关键词：矿用自卸车;非独立式后悬架;K&C特性;悬架运动学

ComparativeResearch of K&C Characteristic

of Rear Nonindependent Suspension of Mine Dump Truck

Tian Haiyong1* Liu Shaoquan2，3

1.CRRC Datong Co.，Ltd. ShanxiDatong 037038;2.CCTEG China Coal Research Institute Beijing 100013;

3.China Coal Technology & Engineering Group Beijing 100013

Abstract：Two typical rear nonindependent suspensions of Aframe and multilink of mining dump truck are studied，based on multibody dynamics theory，and applied MapleSim software to conduct the modeling，analysis，and simulation of the above two kinds of suspension.Through the comparative research of K&C characteristics of suspension，it can be concluded that K characteristic of multilink suspension was the better when the wheels on both sides of the rear axle jump in the same direction，K characteristic of Aframe suspension was the better when the wheels on both sides of the rear axle jump in the opposite direction;the C characteristic index values of the two suspensions are very small，the kinematic characteristics of suspension are mainly affected by K characteristics.The research and analysis results can provide theoretical support for the design of rear nonindependent suspension of mine dump truck.

Keywords：Mine Dump Truck;Nonindependent Suspension;Kinematics and Compliance Characteristic;Suspension Kinematics

非公路矿用自卸车是高度复杂的机、电、液一体化产品，主要用于矿石开采量在千万吨级以上露天矿山的矿石及土石方的运输。后悬架是矿车上重要组成部件之一，和大多数重型公路汽车一样，传统矿车通常采用非独立式后悬架。

悬架系统的K&C特性属于悬架运动学的研究范畴[1]，悬架综合性能的优劣对矿用自卸车的操纵稳定性及行驶平顺性产生直接影响。随着汽车工业的发展，国内外学者对车辆悬架的K&C特性进行了大量深入的研究并把研究成果应用到实际的车辆悬架设计中[25]。在重型非公路矿用自卸车领域，为提升矿车操控性前悬架大多采用独立式结构，主要形式有麦弗逊式、烛式、双叉臂式、复合连杆式等。文献[6]和[7]通过建立不同结构形式独立悬架的运动学模型，分析了悬架的K&C特性对矿车操控性能的影响。

矿车属于非公路车辆，承载一般在100～360吨，其自重通常较大，常用的后悬架结构形式多为非独立式，且后桥通常集成轮边牵引电机、减速器和制动器等部件，造成后悬架簧下质量较大，因此后悬架性能的好坏对整车的操纵稳定性影响至关重要。本文以矿车通常采用的A型架式和多连杆式后悬架为研究对象，分析悬架的K&C特性对矿车操控性能的影响，为矿用汽车非独立式后悬架设计提供理论依据。

1 矿车非独立式后悬架的主要类型

矿车非独立式后悬架通常有A型架式[也称为鼻锥式，如图1（a）]和多连杆式[也称为四连杆式，如图1（b）]两大类型，此两种类型后悬架最明显的特点是左右轮通过后桥壳结合成整体，当一侧车轮跳动时，另一侧车轮也会受到影响。矿车后悬架一般采用油气悬挂油缸作为弹性元件，以适用于矿区恶劣的行驶工况。

A型架式的车桥和车架之间通过A型架、横连杆和两个油气悬挂油缸连接在一起，多连杆式的车桥和车架之间通过多个纵向连杆和两个油气悬挂油缸连接在一起，其中，A型架或多个纵向连杆可以传递纵向力，油气悬挂油缸可以传递垂直方向的静、动载荷，横连杆则用来传递侧向力。与A型架式相比，多连杆式悬架因所有方向的受力均由二力杆承担，极大地改善了后悬架结构件的受力状况。

两种悬架均在220吨级矿车上得到广泛的应用，例如，采用A型架的矿车有卡特的793、小松的830E、别拉斯的75306等，采用多连杆式的矿车有中国中车的CR240E和利勃海尔的T262等。本文以A型架式和多连杆式两种非独立式后悬架为研究对象，得出两种悬架的K&C对比特性。

2 非独立式后悬架K&C特性研究

2.1 研究内容

矿车非独立式后悬架的K特性主要体现了后轴车轮的定位参数、纵向位移和侧向位移等指标与车轮上下跳动行程间的变化关系;C特性主要与悬架系统中的弹性元件和阻尼元件有关，体现了矿车运行过程中车轮受到的垂直力、侧向力和纵向力引起的车轮定位参数等指标的变化关系。

本文中K特性主要研究内容为：（1）后桥俯仰角或侧倾角;（2）后桥中心点的纵向位移、侧向位移和垂向位移随车轮上下跳动变化特性。C特性主要研究内容为：（1）纵向力特性;（2）侧向力特性;（3）垂直力特性。

2.2 对比研究的前提假设

本文的核心是具有不同导向机构的悬架K&C特性的对比，以及配备了不同悬架形式组合的车型之间操纵稳定性的对比。

为对比研究两种后悬架的K&C特性，首先要建立合理的对比前提，才能真正得到由于悬架形式不同造成的K&C特性的差距。

2.2.1 相同的弹性特性和阻尼特性

220吨级矿車上普遍采油气悬挂油缸装置作为弹性和阻尼元件，假设不同形式的悬架系统具有相同的弹簧和阻尼特性。这样，首先把弹性和阻尼元件这两大部分的影响消除，只研究导向机构对于悬架运动学特性的影响。

2.2.2 相同的整车结构参数

假定配备A型架式或多连杆式后悬架的矿车具有相同的轴距和轮距等整车结构参数。

2.2.3 假定后悬架安装位置参数

在220吨矿车满载工况下，本文假定了后悬架安装位置参数，对于A型架式后悬架，A型架仰角为6°，横连杆水平布置，油气悬挂油缸垂直布置，对于多连杆式后悬架，多连杆水平布置，油气悬挂缸轴线与垂直方向夹角为12°。

3 矿车非独立式后悬架的对比分析

3.1 建模

本文基于MapleSim软件进行建模和分析，主要利用了软件专业工具箱和建模元件库中的一些基本构件，如图2所示。

在A型架式和多连杆式后悬架中，假设活塞杆和缸筒之间没有相对的转动，在建模时用棱柱副连接，A型架与后桥壳之间是焊接的，将A型架作为后桥的一个机架来建模。分别在软件中建立A型架式和多连杆式后悬架的模型，其运动学拓扑结构见图3。由图3可见，A型架式的拓扑结构最简单，这是世界上大多数矿车制造商将其作为矿车产品非独立式后悬架的主要原因之一，多连杆式最大的特点是使后悬架复杂的受力状况得到简化和改善。

3.2 K特性仿真及对比分析

依照上文第2.2节建立的对比研究前提，两种后悬架除具有相同的弹性及阻尼特性外，还设定相同的悬挂油缸行程，以满载位置为基准，以悬挂油缸沿轴线压缩方向为正，反之当拉伸时为负，悬挂缸的行程范围设计值为-190～80mm。

在对上述两种悬架进行K特性仿真分析时，采用悬架运动为激励，可以研究在悬架的整个运动行程范围内后桥俯仰角或侧倾角、后桥中心点位移随车轮上下跳动变化特性。对于A型架式和多连杆式后悬架，左右两侧车轮受到不平路面激励时相互影响，车轮会左右摇摆不定，矿车后桥容易发生摆振，所以要同时进行同向车轮跳动仿真和反向车轮跳动仿真，分别对左右两侧的悬挂油缸施加同步和异步位移激励，这样可以得到悬挂油缸整个行程范围内后桥的运动。

对上述两种后悬架进行仿真后，可以得到后轴同向轮跳时后桥中心在三个方向上的位移、后桥俯仰角的变化，如图4所示，图5给出了反向轮跳时后桥中心在三个方向上的位移、后桥侧倾角的变化。

A型架式和多连杆式悬架K特性仿真结果对比见表1。从表1结果可以看出当矿车后轴两侧车轮同向跳动时，采用多连杆式后悬架的后桥中心纵向位移变化较小，数值范围在0～21mm之间，而采用A型架式后悬架的数值变化范围较大，在-5～21mm之间。从图1（b）中可以看出多连杆式后悬架导向机构相对车辆中心线左右对称，当两侧车轮同向跳动时，后桥中心的侧向位移为0mm，而采用A型架式后悬架的后桥中心侧向位移数值范围为-10～42mm。在两种悬挂油缸运动行程（-190～80mm）相同的情况下，仿真结果显示后桥中心垂向位移波动较大，采用A型架式的后桥中心垂向位移波动范围是-135～45mm，而多连杆式对应的范围是-185～85mm，可以得出A型架式悬架控制后桥的垂直方向跳动要优于多连杆式悬架。采用多连杆式后悬架的后桥俯仰角在同向车轮跳动时变化幅度小于A型架式。从表1中数据可以得出，同向车轮跳動时，多连杆式后悬架的K特性优于A型架式;反向车轮跳动时，A型架式悬架的K特性优于多连杆式。

3.3 C特性仿真及对比分析

非独立式后悬架的C特性与悬架的弹性元件和阻尼元件有关，体现了矿车运行过程中车轮受到的垂直力、纵向力和侧向力引起的车轮定位参数等指标的变化关系。在第2.2节的前提假设下，本文分别研究两种悬架的侧向力和纵向力特性。

在分析软件中分别对采用两种不同悬架形式的矿车后桥中心点处施加纵向力和侧向力，测量两种悬架的C特性指标，即纵向位移与纵向力的比值和侧向位移与侧向力的比值。经过仿真计算，表2给出了A型架式和多连杆式悬架的C特性指标值。

由表2中的数据可知，纵向位移/纵向力和侧向位移/侧向力两个比值的数量级非常小，均为10-5，因此两种悬架C特性对后桥车轮定位参数的影响很小。

结语

本文以A型架式和多连杆式两种矿车常用的非独立式后悬架为研究对象，通过在MapleSim软件环境中建立两种后悬架的多体运动学模型，对悬架的刚体运动学特性和弹性运动学特性作了对比分析研究，总结出以下结论：

（1）经过对比研究，后轴两侧车轮同向跳动时，采用多连杆式悬架的K特性较优，反向车轮跳动时，A型架式悬架的K特性较优。

（2）矿车上常用的A型架式和多连杆式悬架由于没有采用像橡胶衬套这样弹性很大的元件，两种悬架的C特性指标值均很小，对后桥中心位移的影响很小。

此外，本文研究结果可为今后这两种形式悬架的设计提供理论支持。

参考文献：

[1]吴志成，陈思忠，杨林.几种独立悬架运动学特性对比研究[J].北京理工大学学报，2006，26（10）：867870.

[2]Jeff W and Norman F.A Facility for the Measurement of Heavy Truck Chassis and Suspension Kinematics and Compliances[C].SAE Paper，2004012609.

[3]王爽.某微车悬架K&C特性研究及其对整车操纵稳定性的影响[D].吉林大学博士学位论文，2008.

[4]金凌鸽.C级车悬架K&C特性优化设计方法研究[D].吉林大学博士学位论文，2010.

[5]高晋.基于虚拟样机技术的悬架K&C特性及其对整车影响的研究[D].吉林大学博士学位论文，2010.

[6]刘庆，杨保海.新型复合连杆式独立悬架动力学特性建模分析[J].机械设计与制造，2019（6）：189192.

[7]刘少权，李荣昊，田海勇，等.矿用自卸车独立前悬架K&C特性对比研究[J].矿山机械，2018（7）：1822.

*通讯作者：田海勇（1980— ），男，汉族，博士，高级工程师，研究方向：矿用自卸车总体设计与动力系统设计。