客車空氣懸架的建模與K＆C特性分析

廖林清，宋 禮，陳 兵，黎 澤，程美娥

(1.重慶理工大學 a.汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室;b.車輛工程學院，重慶 400054;2.紅巖方大懸架公司，重慶 400054)

近年來，空氣懸架在客車中的應用比較廣泛。相比傳統的金屬彈簧，空氣彈簧因其優越的非線性剛度特性、高度可調等優點，在車輛減震領域得到越來越多的應用。空氣彈簧的靜擾度比鋼板彈簧的靜擾度大很多，因而可獲得較低的振動頻率，提高汽車的行駛平順性。只要合理地選取設計參數，就可以做到:在滿載載荷附近使用時，空氣彈簧的彈性特性曲線平緩、變化小、剛度比較低;在沖擊載荷作用下，彈性特性曲線又呈陡直狀態變化。當剛度增大時，能減少懸架的變形量，既減小了懸架動擾度以及碰撞車架的概率，又改善了乘坐舒適性。

由于空氣彈簧的單位質量儲能比較大，所以空氣彈簧本身的質量比較輕，簧下質量小。又因為氣囊內空氣介質的內摩擦小，工作時幾乎沒有噪聲，對高頻振動的吸收和隔聲性能均良好，故使用空氣彈簧可改善大客車的行駛平順性，吸收路面沖擊載荷，從而減少車身的振動和沖擊，延長大客車車身的使用壽命。

懸架的K＆C特性是研究懸架的空間幾何運動特性，研究在運動過程中力的作用下引起的構件變形和系統的參數變化，是整車運動特性研究的基礎。為了滿足客車對安全性和操縱穩定性的嚴格要求，懸架的K＆C特性分析和研究在汽車研發過程中非常重要。

該懸架系統的結構如圖1所示。

圖1 懸架系統結構

1 模型的建立

1.1 空氣彈簧的剛度特性

空氣彈簧是在一個封閉的容器中充入空氣(氣壓為0.3～1 MPa)。這種彈簧的剛度可變，當作用在彈簧上的載荷增加時，容器內的定量氣體被壓縮，氣壓升高，彈簧的剛度增大;反之，當載荷減小時彈簧內的氣壓下降，剛度減小，有較理想的非線性彈性特性［1］。在相同的載荷作用下，空氣彈簧的靜擾度比板簧的靜擾度大很多，因此可獲得較低的振動頻率，以提高汽車的行駛平順性［2］。

在本懸架系統中，選用的是N系列某型空氣彈簧，空氣彈簧的性能設計指標參數見表1［3］。

表1 空氣彈簧設計性能指標

根據空氣彈簧使用手冊，空氣彈簧的高度與載荷對應關系如表2［3］所示。

表2 空氣彈簧的高度與載荷對應關系

該車前軸載荷為6.5×103kg，選擇0.8 MPa的氣壓，根據以上數據在Adams中進行彈簧非線性剛度的擬合，擬合的曲線如圖2所示，其中橫坐標表示空氣彈簧的高度，縱坐標表示空氣彈簧的載荷。2個彈簧同時作用時，單個彈簧的載荷為3.25×103kg，彈簧的剛度曲線符合要求。

圖2 彈簧非線性剛度擬合曲線

1.2 導向桿的網格劃分與柔性處理

由于空氣彈簧只能承受軸向載荷，所以空氣懸架不能像板簧懸架一樣，既有導向作用，又能承受載荷作用。因此，空氣懸架必須有導向桿。本懸架導向桿結構如圖3所示。導向桿是空氣懸架的關鍵零部件之一，它在承受縱向載荷的同時也承受橫向載荷。因該零件在汽車行駛過程中受力情況比較復雜，故在仿真過程中應對該零件進行柔性處理，在整車中呈V字型布置，如圖4所示。

圖3 懸架導向桿結構

圖4 V型推力桿

首先，利用有限元軟件Patran＆Nastran進行網格劃分，如圖5所示，并生成模態MNF文件［4］。生成MNF時選用的材料參數如下:鋼的彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，密度為7.85×10-6kg/mm3。然后在 Adams中進行剛柔替換［5］。剛柔替換以后，模型更精確，再進行仿真，V型布置推力桿受力云圖如圖1所示。

圖5 導向桿網格的劃分

2 懸架的K＆C相關數據分析

懸架的K＆C特性分析基本方法是:讓車輪平行跳動和反向跳動，車輪跳動引起懸架運動。

車輪平行跳動引起的懸架運動實際上是汽車行駛時遇到障礙物、路面不平、汽車加減速時車身縱傾等引起的懸架運動形式。車輪平行跳動引起的懸架性能參數的變化是分析懸架運動合理性的重要依據，這種分析較為全面地反映了懸架的運動特性。

車輪的反向輪跳主要是考察導向桿對車輪定位參數的影響，對轉向輕便性的影響，考察懸架的側傾剛度。在懸架仿真分析中，需要在車輪處對懸架模型施加能夠反映懸架跳動的激勵，根據車型的不同一般在50～200 mm范圍內。本懸架跳動量為200 mm。

2.1 兩側車輪同向跳動

車輪同向跳動情況如圖6所示，左右激勵臺同時、同向、同速運動。

圖6 車輪同向跳動

2.1.1 軸距變化及模型驗證

車輪跳動時輪心在車身縱向的位移會引起前后軸距的變化。同時在變化過程中，輪胎縱向位移導致輪胎磨損，會降低輪胎的使用壽命。

圖7 懸架平面機構模型

由圖7可見，上導向桿AD和下控制臂BC、車架AB和車橋DC在縱向平面內形成一個四連桿機構。車輪跳動時車橋C點相對于D點有一個相對的轉動，因為該四連桿機構不是規則的平行四邊機構(如圖7所示)，所以CD不保持原有姿態平行上下移動［6］;CD繞起瞬時運動中心轉動，這樣輪心就會在車身縱向(垂直于車軸)存在位移。車輪縱向位移隨車輪跳動的變化曲線如圖8所示。

圖8 車輪縱向位移-車輪跳動的變化曲線

臺架實驗和仿真曲線對比如圖9所示。仿真和實際臺架實驗數據基本吻合，從而驗證了模型的準確性。

圖9 仿真與實際數據對比

2.1.2 輪胎受力情況

圖10是對空氣彈簧剛度的驗證。在同向跳動過程中，非線性彈簧的載荷與位移的變化關系由輪胎的受力情況直接反映。橫坐標表示輪胎跳動量，縱坐標表示輪胎的受力大小。

2.1.3 懸架側傾中心

車身相對地面轉動時的瞬時軸線稱為車身側傾軸線。該軸線通過車身在前后軸斷面上的瞬時轉動中心，這2個瞬時中心稱為側傾中心。側傾中心是懸架導向桿系作用的橫向約束力矩和縱向約束力矩點。

圖10 左右輪胎受力-車輪跳動的變化曲線

本懸架系統是一個具有平行下控制臂的四連桿前懸架。這種幾何布置的懸架是一種四連桿懸架的特例。在俯視圖中，上連桿的虛擬作用點按通常的方法來確定，即V型桿的交點。由于下控制臂是平行的，虛擬作用點在無窮遠處，故在圖11的俯視圖中，可以得到點B必然位于下控制臂延長線上中心線的無窮遠處。這種懸架的側傾軸線在側視圖中通過連接點A和B兩點得到，必然是一條平行于下控制臂的直線。側傾軸線與通過車輪接地點中心平面的交點為該懸架的側傾中心，側傾中心位置如圖11的主視圖所示。因而在這種懸架中，下控制臂的傾斜度影響著側傾中心高度位置的變化。側傾中心高度隨輪胎跳動的變化關系如圖12 所示［7］。

圖11 懸架機構簡圖

2.1.4 主銷后傾角

主銷后傾角是主銷在縱向平面(XOZ平面，垂直于前后車軸)內向后的一個傾角。轉向軸向后傾斜，即上端的球形接頭或安裝點在下端球形接頭后面時后傾角為正。主要影響轉向穩定性及轉向后方向盤的自動回正力(形成回正的力矩)。

主銷后傾角太小，轉向后方向盤自動回正力小;后傾角太大，易造成輪胎偏磨，同時過大的力反饋會引起轉向沉重，使駕駛員過度疲勞，對行車安全不利。該懸架的主銷后傾角隨車輪跳動的變化關系如圖13所示，變化范圍在2°左右。

圖12 側傾中心高度-輪胎跳動的變化曲線

圖13 主銷后傾角-車輪跳動的變化曲線

2.1.5 前束角

前束角是在車輛俯視圖(XOY平面)上車輛縱軸與車輪平面之間的夾角，當車輪前端向內傾時為正。其主要功能為降低輪胎磨損與滾動摩擦，保證車輛的直線行駛穩定性。前束角會影響汽車的操縱穩定性，轉向會影響轉向不足的趨勢［8］。該懸架的前束角隨車輪跳動的變化曲線如圖14所示，變化范圍在0.6°左右。

2.2 兩側車輪反向跳動

車輪反向跳動情況如圖15所示。

2.2.1 懸架側傾

圖14 前束角-車輪跳動的變化曲線

圖15 車輪反向跳動

在汽車的行駛過程中，當汽車的車身發生側傾時，汽車行駛的平順性、乘坐舒適性、操縱穩定性都受到一定程度的影響。汽車的操縱性能決定汽車高速行駛的安全性能，同時也給駕駛員的操縱帶來不利的影響。側傾時輪胎的受力情況會發生改變，兩邊輪胎的附著力會發生變化，會影響汽車的行駛穩定性。輪胎受力隨側傾角的變化曲線如圖16 所示［9］。

圖16 輪胎受力-側傾角的變化曲線

2.2.2 反向跳動時的橫向位移

用V形推力桿取代一些剛性橋中的瓦特桿，可以盡量減小懸架在運動過程中車橋相對于車身的橫向移動。需要驗證該懸架中的輪胎橫向位移范圍是否符合設計要求，該懸架車軸的側向位移隨輪胎跳動的變化曲線如圖17所示。

圖17 軸的側向位移-輪胎跳動的變化曲線

3 結束語

在兩輪同向跳動和兩輪反向跳動兩種情況下進行模型的仿真，反映了汽車在行駛過程中懸架的基本運動方式。在這2種運動方式下，結合理論分析與仿真結果，得出了懸架的參數變化情況。仿真結果表明:仿真參數的變化范圍均符合臺架實驗數據。

得出操穩性影響較大的懸架參數變化范圍為:前速角小于1°，主銷后傾角在2°～4°變化，均符合設計要求。驗證了模型的準確性，為懸架的后續研發和底盤調校提供了可靠的理論依據;建立了有效的動力學模型，為進一步研究汽車底盤特性提供理論指導，也為同類車型的開發提供了理論依據和參考。

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