基于力矩分配法的多軸汽車軸荷分配的研究

吳迪，朱大華，裴澤健

（東風華神汽車有限公司，湖北 十堰 442000）

隨著車輛載重的增加，汽車的軸數也在增加。多軸汽車在緊急剎車和轉彎過程中，軸荷的瞬間變化也較大，對于車輛的安全性也無法保障。對于汽車軸荷簡單的等效估算（靜力平衡法），已經無法保證軸荷的設計準確性。尤其是多軸汽車，計算誤差更大，結果無法滿足設計需求。車輛整體簡化為所需要的彈性系統來研究，該方法能較準確的計算出多軸汽車的軸荷分配關系。

1 建立多軸汽車計算模型

1.1 傳統計算方法

根據軸荷的傳統計算經驗：對于雙前軸汽車（見圖1）建立力學等效關系方程：

前雙橋車輛的軸荷平均分配：

其中：F1、F2、F3為一、二、后雙軸軸荷；L1、L2為二軸、后雙軸中心距一軸的距離。M為整車質量；g為重力加速度。

由于整個車輛為非剛性系統，屬于超靜定問題，無法采用靜力平衡法計算。多軸車輛使用獨立懸架和平衡懸架，要得到較準確的計算結果，需建立位移的平衡方程。

圖1 軸荷關系圖

1.2 力矩重新分配的計算方法

因整個車輛懸架的高度及車架水平情況都比較復雜，需將系統進行簡化。簡化關系忽略以下兩點：（1）忽略車架彎曲變形。（2）忽略輪胎變形。即整個系統只考慮各橋中心距離車架上翼面的高度差，簡化后的系統如圖2。

圖2 車架及懸架簡化受力分析

假設車輛為多個彈性原件組成的系統，每個原件都是并聯關系；車架假定為剛性原件（不發生形變），這樣整個車輛的重量就集中于質心。整個汽車的重量作用于車架上，要考慮板簧在Z方向（XZ平面）上的形變位移，質心在Z方向（XZ平面）上的位移，各懸架系統的剛度。

相對質心的力矩平衡關系：

根據Z方向力矩平衡關系：

幾何關系可得：

n

考慮真實路況后的位移變化，則需要增加相應的變量，關系式可表達為：

重新構建矩陣的關系為：

由公式（8）可以得出，車輛的軸荷分配關系同時和軸距、懸架及輪胎剛度、通過路面的輪胎的位移量以及質心的位置有著重要的關系。

2 模型的仿真與驗證

2.1 連續梁模型

在有限元分析中，建立多軸汽車軸荷的連續梁模型。隨著軸距和載質量的增大，車架的形變量不斷增大，從而需要建立連續梁模型。為驗證該方法的正確性，以連續梁模型建模，產生25個節點。材料的楊氏模量E根據車架、車輛輪胎材料來確定，同時通過虎克定律可以看出剛度K與橫截面積成正比。添加重力g=9．8m/s2。將整車參數（見表1）帶入公式（8）和利用連續梁模型有限元分析得到結果，計算結果見表2。

表1 多軸車輛參數

表2 計算結果

由表2可以看出，仿真計算結果與公式（8）擬合誤差很小，因此該方法可以滿足多軸汽車的設計階段需求。可以據此來判斷汽車在極限工況下，是否滿足各橋的極限承載能力。也可以通過修改剛度和軸距來降低軸荷的要求。

3 影響軸荷的因素分析

3.1 軸距對軸荷的影響

改變二軸和三軸的位置，可以得到圖3所示的軸距與軸荷關系圖。

圖3 二、三橋軸距對軸荷影響

從圖3可見，隨著軸距L1的增加，1、2軸軸荷會相應的變大和減小；軸距L3的增加，1、2軸軸荷會同時增加。通常情況下，后雙軸為平衡懸架結構可以一起計算軸荷。為保證軸荷的平均分配，在理論設計中前雙軸與后雙軸軸荷應與總質量的比重為17%、17%和66%。實際考慮到車輪的半徑及車架彎矩增大的情況，此車前軸距選擇1850mm、后軸距選擇5600mm較為合適。

4 結語

軸荷的分配需將軸距與懸架的剛度同時考慮，建立力學平衡關系方程后，可以快捷、準確的得到各軸軸荷的分布情況。該方法同時具有很強的操作性，為多軸車的軸荷分布設計提供了參考依據。對于此方法將懸架剛度簡化為線性特性，同時忽略了減震器阻尼、輪胎的剛度等影響，對于軸數多于5軸的情況下，計算結果會有較大的誤差。同時因對車架的彎曲量也不做考慮，所以對于軸距更長、軸數更多的車輛是否可行，也需要重新考慮。