客車空氣懸架振動特性仿真研究

程相勛

鄭州宇通客車股份有限公司 河南省鄭州市 450061

1 引言

隨著我國科技的進一步發展和人民生活水平的不斷提升，我國交通網絡系統進一步完善，客車、小汽車、轎車等交通工具數量進一步增多，在為人們日常生活和工作學習提供方便的同時，也對我國客車質量及其它重要性能提出了更高要求。懸架振動控制裝置是客車行車系統的重要組成部分，其性能的良好與否在極大程度上與客車車身和車輪之間的彈性連接、減少行車荷載、緩和沖擊力及保持車身穩定等諸多功能直接相關。因此，加強對懸架振動控制技術的探討和研究有利于不斷提升客車實際運行能力，在此背景下，對客車空氣懸架振動特性的仿真研究與模擬便有著不容忽視的重要理論意義和現實價值。

2 空氣懸架模型的建立

通常情況下，為更方便地研究客車車輛的懸架動力學特性，大多將客車車輛系統進行簡化，利用2自由度1/4車輛模型對客車懸架動力學相關性能和重要參數進行探討研究。因此，本文在對客車空氣懸架振動特性進行仿真研究和模擬試驗時，也進一步采用了2自由度1/4車輛力學模型，以此盡可能真實科學地反映客車車輛在實際運行過程中的垂向動力學特性。同時，為更準確、更科學地描述空氣彈簧的實際剛度特性，本論文進一步采用了空氣彈簧剛性特性曲線對客車實際運行過程中的空氣重要參數進行模擬。在選擇空氣彈簧為主要試驗對象的同時，利用加載部件、空氣壓縮機及其他測試系統，以255mm為空氣彈簧靜態平衡的實際工作高度，利用固定工作高度下分別充氣到0.3帕、0.4帕和0.5帕的方式，盡可能周全地記錄空氣彈簧實際工作高度與荷載的對應關系，獲取不同靜荷載下的空氣彈簧特性曲線圖，進而為計算客車空氣懸架振動特性相關參數奠定一定基礎。在此背景上，本文進一步利用了ADAMS軟件中的交互式圖形環境和諸多數據庫，創建了全參數模型下的客車機械系統幾何結構模型，在建立系統動力學方程的基礎上對客車機械系統模型進行了一定的力學分析，進而輸出相應的位移、速度、加速度甚至反作用曲線示意圖。

3 客車空氣懸架振動特性仿真分析

3.1 仿真實驗方案

以某低入口型客車作為本論文實驗仿真對象，借助空氣彈簧作為重要彈性元件，客車1/4車輛的滿載質量為2700千克，彈簧下的質量為320千克，輪胎整體剛度為1200千牛每米，仿真試驗所用的減振器阻尼系數為13.7。在整個仿真試驗過程中，以0-8赫茲的不同頻率和5-10毫米的不同振幅信號作為激勵參數，以此方式測定整個客車車身的實際位移響應和加速度響應，進而對整個車輛的實際行駛平順性進行科學評價。同時，就客車系統而言，車內乘客的多少會進一步引起實際彈簧載重質量的變化，而在傳統模式下的金屬彈簧懸架中，簧載質量的變化會進一步導致客車車身離地高度發生變化，進而使懸架固有頻率發生相應變化。但針對客車空氣懸架系統而言，該系統可進一步借助高度閥自動調節空氣彈簧內的氣壓，以此方式保證客車車身的高度不變，保證懸架固有頻率不變。在空氣彈簧高度保持不變的前提下，利用每一簧載質量、對應的空氣彈簧初始靜態氣壓計算和繪制出如前文所述的空氣彈簧剛性曲線圖，對圖形進行對比分析，以探究不同簧載質量下客車空氣懸架的實際振動特性。

3.2 位移和加速度響應的時間歷程

在對客車空氣懸架進行振動仿真實驗的基礎上，通過控制彈簧靜態氣壓、簧載質量、激振頻率和振幅等重要參數，本文得出了圖1和圖2所示的客車激勵位移與實際響應位移時間歷程、激勵加速度與實際響應加速度的時間歷程示意圖。由圖可知，客車空氣懸架系統中的激勵信號和實際響應信號的變化趨勢相同，兩者處于相同的頻率變化范圍，但整個空氣懸架系統的相位差值與振幅差異有所不同，且系統整體響應信號略微滯后于激勵響應信號。

3.3 位移幅頻特性

根據上述仿真試驗重要參數、實驗數據記錄和實驗結果分別繪制客車空氣懸架系統在不同振幅數值和不同數值的彈簧初始氣壓下的懸架位移幅頻特性曲線示意圖。由圖可知，在客車空氣懸架系統的整個仿真實驗過程中，共振點將會出現系統整體位移傳遞率的最大值。若仿真試驗系統的初始氣壓和簧載質量均較大，客車空氣懸架在共振點出現的位移傳遞率最大值將會進一步增加；而當激振頻率超過客車空氣懸架系統共振區的數值范圍后，位移傳遞率的最大值與簧載質量呈反比例關系，簧載質量越大，位移傳遞率反而越小。此外，客車空氣懸架系統初始氣壓與共振頻率呈反比例關系，較大的客車空氣懸架共振頻率反而略低于較小氣壓的共振頻率，但兩者間的相位相差并不大，大多集中在1.1-1.2赫茲左右。也就是說，對客車空氣懸架系統而言，簧載質量的變化對整個懸架系統的固有頻率影響不大，也在一定程度上反面印證了客車空氣懸架系統相關性能優于鋼板彈簧懸架系統的重要特性。

3.4 加速度均方根值

根據仿真試驗和重要參數結論，分別繪制客車空氣懸架系統在不同振幅激勵和不同的初始彈簧氣壓下的客車車身加速度均方根值變化曲線示意圖。由圖可知，客車車身在實際運行過程中的加速度隨頻率值的上升緩慢增大，當頻率值相對較低時，不同氣壓值下的客車車身加速度基本無變化。也就是說，在小于1.5赫茲的較低的頻率范圍內，簧載質量的變化對客車車身加速度的影響可以忽略不計。而當頻率值逐步增大時，初始氣壓越大，客車車身加速度值越大，且加速度增加的絕對值隨著頻率值的增高愈加明顯。

圖1 激勵位移與響應位移時間歷程示意圖

圖2 激勵加速度與響應加速度時間歷程示意圖

4 改進懸架控制系統

在改進客車空氣懸架控制系統相關性能的過程中，有關工作人員可進一步利用單片機技術有效控制減振器的實際阻尼效果，進而改善整個空氣懸架系統的非線性振動特性，以最大程度上控制懸架系統的實際振動效果。在對空氣懸架的減振器阻尼進行一定調節時，客車車身的實際振動會因此受到直接調控，也就會影響到客車車身的實際振動加速度振幅響應。因此，設計人員可將減少客車車身的垂直振動加速度作為實際控制目標，而在以客車空氣懸架2自由度振動模型為重要研究對象的基礎上，工作人員還可進一步通過改變減振器節流口的大小或減振油液粘度的方式改善減振器實際處理效果。

5 結論

總之，現階段隨著國內高速公路網絡系統的不斷完善和民眾對客車性能要求的不斷提升，傳統模式下的鋼板彈簧懸架已然不能滿足人們多樣化的需求，因此，空氣懸架控制系統憑借其良好性能獲得了相關設計人員的關注，為進一步改善客車空氣懸架系統模式下的乘坐舒適度做出了重要貢獻，更極大地滿足了民眾出行需求。