空氣懸架客車的操縱穩(wěn)定性研究

郭君娥， 李殿起

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870）

0 引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，無(wú)論汽車還是客車，在生活中都已經(jīng)成了必不可少的出行工具，使空氣懸架的應(yīng)用成為了必然的趨勢(shì)，空氣懸架對(duì)車輛的操穩(wěn)性和行駛時(shí)的舒適性有著很大影響，因此在客車及高檔轎車中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

空氣懸架的設(shè)計(jì)是為了確保車輛具有良好的操穩(wěn)性、平順性及安全性等?？諝鈶壹茏屲囕v有了更多的靈活性，當(dāng)高速行駛時(shí)懸架系統(tǒng)會(huì)變硬來(lái)達(dá)到車身穩(wěn)定的要求；當(dāng)?shù)退傩旭倳r(shí)懸架系統(tǒng)會(huì)變軟來(lái)達(dá)到車輛舒適的要求。由于變剛度的特性及較固有頻率的較低變化，使空氣懸架能夠依據(jù)路面和車速的變化情況，實(shí)現(xiàn)客車車身高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)變化，這樣不僅有效提高乘坐的舒適性，還讓操縱穩(wěn)定性能更好[2-3]。這就使得空氣彈簧懸架正在逐步取代金屬?gòu)椈蓱壹?。以金龍客車的KLQ6122B 空氣懸架為例，具體分析前、后空氣懸架的設(shè)計(jì)。然后建立車輛的單論模型，通過(guò)微分方程及Matlab仿真，研究車輛的操縱穩(wěn)定性。

1 空氣懸架客車的操縱穩(wěn)定性仿真

1.1 前后空氣懸架的簡(jiǎn)介

前空氣懸架系統(tǒng)ASB140如圖1所示。兩個(gè)氣囊和兩個(gè)減震器安裝在一根整體式車橋上，空氣彈簧安排在車架的下方，布置了橫向穩(wěn)定桿固定在左右懸架上面，防止車輛橫向側(cè)翻和提高行駛平順性。前空氣懸架技術(shù)參數(shù):懸架高度為261.9 mm；額定軸載為6.35 t；車橋動(dòng)行程為146.1 mm，向上為70.6 mm，向下為75.4 mm；懸架質(zhì)量為175 kg；左右兩側(cè)空氣彈簧的中心距離為774 mm；客車空氣彈簧板簧梁的中心距離為889 mm。

圖1 前空氣懸架

后空氣懸架系統(tǒng)R130A如圖2所示。4個(gè)氣囊和2個(gè)減震器布置在整體式的車橋上，每側(cè)2個(gè)氣囊承受垂直載荷，有上下2種推力桿，其中上推力桿為斜推力桿，下推力桿布置成直推力桿。后空氣懸架技術(shù)參數(shù): 懸架高度為230 mm；額定軸載為13 t；車橋動(dòng)行程為199 mm，向上為94 mm，向下為105 mm；懸架質(zhì)量為390 kg；空氣彈簧左右中心距為1520 mm；空氣彈簧前后中心距為1680 mm；空氣彈簧安裝高度為242 mm。

前、后空氣懸架的安裝位置如圖3所示，將壓縮的空氣送到空氣彈簧的氣室中，客車的車身高度位移傳感器安裝在前、后輪附近，依據(jù)傳感器的反應(yīng)，判斷車身的高度變化，使車輛到達(dá)減震的效果[4]。整車的性能與空氣懸架的位置有很大的關(guān)系，一般情況下在車架外側(cè)位置安裝空氣懸架，以此來(lái)增加中心距，獲得較大的懸架側(cè)傾剛度。當(dāng)客車滿載時(shí)，后空氣懸架比前空氣懸架承受的載荷大。一般行業(yè)內(nèi)空氣懸架的固有頻率經(jīng)驗(yàn)值為1.3～1.4 Hz，該車的前、后空氣懸架都在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，所以該空氣懸架能夠讓車輛穩(wěn)定安全地行駛。

圖2 后空氣懸架

圖3 前、后空氣懸架的安裝

空氣懸架對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性有很大的影響，本文將建立空氣懸架相關(guān)的動(dòng)力學(xué)模型，包括輪胎和路面的模型，配合著1/4空氣懸架的車輛模型，分析懸架振動(dòng)原理，得到仿真結(jié)果。

1.2 建立客車模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)

因?yàn)檎嚻咦杂啥葎?dòng)力學(xué)模型的建立是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，所以采用單輪客車模型的建立取代復(fù)雜模型。通過(guò)對(duì)整車模型進(jìn)行合理的假設(shè)，適當(dāng)減少建立后模型的自由度，其中最具有代表性的單輪客車模型就是二自由度1/4客車模型[5]。此模型能夠建立的條件是：乘員和車身都看成整個(gè)系統(tǒng)，其中傳動(dòng)系統(tǒng)忽略不計(jì)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)影響也不考慮，車身簡(jiǎn)化后前、后質(zhì)量看成彼此獨(dú)立存在，車輪與地面接觸方式為點(diǎn)接觸；客車的輪胎阻尼相對(duì)于減震器的阻尼小到可以忽略不計(jì)，故只考慮輪胎的剛度即可[6]。二自由度1/4空氣懸架客車模型如圖4所示。

圖4 二自由度1/4客車模型

求解車輛振動(dòng)微分方程一般用拉格朗日法或者牛頓法[7]。二自由度1/4空氣懸架客車模型依據(jù)牛頓法求解即可，列出振動(dòng)微分方程為：

對(duì)于二自由度1/4空氣懸架客車模型的穩(wěn)定性分析，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：

1）衡量垂向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)為車身垂向加速度均方根，也被稱為不舒適度參數(shù)(ACC)，它描述了垂向加速度的變化程度[8]。車輛在不平路面行駛時(shí)，乘客對(duì)4～8 Hz的垂直振動(dòng)頻率感知最強(qiáng)烈，而乘客對(duì)縱向加速度感知不敏感，可忽略不計(jì)。車身垂向加速度均方根表達(dá)式如下：

1.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)客車在路面上的實(shí)際行駛情況，通過(guò)應(yīng)用Matlab/Simulink對(duì)該模型進(jìn)行仿真，選擇客車經(jīng)常駕駛的B路面以及白噪聲作為輸入，Gq（n0）=6.4×10-5，取V=80 km/h。得到仿真結(jié)果如圖5～圖7所示，可以看出客車在濾波白噪聲激勵(lì)下，勻速直線行駛時(shí)，空氣彈簧懸架系統(tǒng)對(duì)路面吸振性能很好，在垂直振動(dòng)的衰減方面成效顯著，與性能需求和懸架設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)成效很符合。由Matlab/Simulink仿真數(shù)據(jù)整理得到影響操縱穩(wěn)定性的懸架指標(biāo)的均方根值，B級(jí)路面下，車身垂向加速度均方根值為0.7757 m/s2，懸架動(dòng)行程的均方根值為0.0604 m，輪胎動(dòng)載荷均方根值為151 N。由此可以看出車輛的自身調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，吸振能力好，有更好的乘坐舒適性和穩(wěn)定性，這也就導(dǎo)致了空氣彈簧懸架越來(lái)越多的應(yīng)用。

圖5 B級(jí)路面車身垂向加速度

圖6 B級(jí)路面懸架動(dòng)行程

圖7 B級(jí)路面輪胎動(dòng)載荷

2 結(jié) 論

本文主要介紹了空氣彈簧懸架的設(shè)計(jì)，前后懸架的技術(shù)參數(shù)及前后懸架的關(guān)聯(lián)性，建立二自由度1/4空氣懸架客車模型。輸入客車經(jīng)常行駛的路面激勵(lì)信號(hào)，對(duì)客車的垂向加速度、懸架動(dòng)行程和車輪動(dòng)載荷這3個(gè)影響車輛舒適和穩(wěn)定性的因素進(jìn)行仿真分析，結(jié)合懸架系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)空氣彈簧懸架在操縱穩(wěn)定性和舒適性方面很好。