基于商用車氣囊減震系統的舒適性研究

王麗鵬，洪愷，肖何，寧方勇，姚景

（安徽華菱汽車有限公司，安徽 馬鞍山 243061）

前言

目前國內外物流行業發展迅速，再加上國家對環保出臺更加嚴格地要求，作為物流運輸的主要工具之一，商用牽引卡車的需求也越來越多，物流車司機的要求也越來越高，那么舒適性的要求就自然越來越受重視。據統計，每年約有100萬輛物流車進入市場，新進入市場的物流很多都是裝配氣囊座椅或者前后懸置氣囊減震，至此，一些比較熟悉的名詞：四點懸浮、空氣懸架等應運而生。為了照顧長途車司機的駕駛體驗，很多物流車配備四點空氣懸浮系統，顧名思義，就是將懸架系統采用四點形式的浮動結構，從原先的機械結構的彈簧換成囊皮結構的空氣彈簧，通過氣閥控制進氣量從而實現充放氣，進而起到減震作用，從而提升整車舒適性。

1 舒適性評價指標

整車舒適性是一個比較泛的概念，每一個部件之間的配合都會影響整車的舒適性，本文主要評價前后懸置對舒適性的影響，完整的氣囊減震包括空氣彈簧、阻尼器、調節閥、及其他附屬機構，只有將以上機構通過參數調整配合，最后實驗驗證之后才能達到最舒適行駛狀態。

2 氣囊減震系統工作原理

2.1 工作原理

氣囊減震器是利用氣體的可壓縮性起彈簧作用，通過全浮或半浮結構配合空氣彈簧，形成一套減震系統，來緩和發動機、路面等產生的震動激勵。

圖1 是某重卡前懸置總成簡圖：

圖1 某重卡前懸置總成簡圖

圖1 中駕駛室前懸置主要由氣囊本體、上下支架、高度調節閥、懸置搖擺臂等組成，其工作原理是：汽車在遇到顛簸路面時，整車會存在上、下、左、右搖擺現象，當行車過程中遇到凸起路面時，車架部分會相應抬高，這時，為了保證駕駛室部分的平順性，就需要氣囊處于快速放氣狀態，使底盤部分跳動，而氣囊以上的駕駛室保持平穩，經過凸起路面之后底盤部分需要回到原來位置，就需要給氣囊快速充氣，這樣可避免駕駛室瞬間急動度過大引起的駕乘人員不舒服，這些動作都是由高度閥輔助完成的，駕駛室和底盤的相對位移會控制高度閥開啟或者關閉氣道；反之，當汽車行駛在凹陷路面時候，汽車底盤部分的氣道先快速充氣，使得底盤部分和駕駛室相對位移遠離，通過凹陷路面之后，迅速排氣，這樣，駕駛室和底盤相對位移就恢復到了原始狀態，來達到之前行駛的平衡狀態，如此循環來達到平衡狀態，實際上在工作過程中還有一些其他輔助機構，這就是空氣彈簧的高明之處，空氣彈簧，也叫氣囊減震器，是氣囊減震的重要組成部件，氣囊減震器內部一般都集成安裝了阻尼器，通過調整阻尼器的阻尼值大小，外囊皮剛度等參數來匹配整車的狀態，剛度大小決定于氣囊外部囊皮的材料性能、厚度等，而內部減震器阻尼大小可以根據整車的參數進行改變，一般阻尼器與駕駛室總成的重心位置，駕駛室的重量，駕駛室重心距離氣囊支撐的X、Y、Z向的距離都有密切的關系，圖2是某重型卡車駕駛室四點空氣懸浮簡圖：

圖2 某重型卡車駕駛室四點空氣懸浮簡圖

圖2 中前懸置通過全浮動式擺臂連接車身縱梁，下通過氣囊與車架相連，既能滿足駕駛室前后左右的穩定性，又不影響駕駛室的浮動，從而實現減震功能。

2.2 設計注意事項[1]

根據相關文獻記錄，四點懸浮結構前、后、左、右氣囊分布需滿足一定要求，否則會影響駕駛室的安全性、舒適性，設計要求如圖3示意：

圖3 設計要求示意圖

布置要求：

（1）前氣囊左右分布距離應該大于駕駛室最寬距離的一半；

（2）前后氣囊之間的距離應取最大值；

以上參數會直接影響側傾角和前傾角。

傾角由以下公式求出：

L—左右前氣囊之間距離；前后氣囊之間垂直距離替換之后結果為前傾角；

a—駕駛室最低點位移；

b—駕駛室最高點位移；

α—傾角；傾角影響駕駛室的使舒適性和安全性。

通過以上公式可算出前傾角、側傾角。

2.3 氣囊參數匹配計算

下圖是前懸置氣囊匹配所需的參數表：

表1 前懸置氣囊匹配所需參數表

上述需求表中駕駛室重量可以用M表示，質心距離翻轉軸X向距離Lx，Z向為Lz，其他非必要值可以根據經驗取值。

2.4 空氣彈簧的優點

氣囊根據使用條件的不同分為鋼板彈簧，膜式空氣彈簧和囊式空氣彈簧三種，可控制振幅，避免共振，防止破壞性沖擊。

圖4 是不同結構減震元件隨載荷變化的性能曲線圖對比：

圖4 彈簧載荷-變形特性曲線

從圖4中可以看到，囊式空氣彈簧的變形隨載荷增加為近似規則曲線，這種特性利于我們對它進行合理的應用。

3 阻尼器原理

阻尼器的工作原理是利用粘稠液體在不同的腔體內流動，通過控制流通閥的流量來實現阻尼力調節的，它的瞬時力和速度成正比，它的應用領域較多，在減震部件上廣泛應用，阻尼器是通過改變流體介質的通道直徑大小來實現阻尼值的大小的；不同重量的駕駛室所匹配的阻尼器參數也不同，一般阻尼器參數定義在特定頻率下，特定的速度下所產生的拉伸力和壓縮力，如下表所示某重卡使用的前懸置氣囊阻尼器參數：

圖5 阻尼器簡圖

表2 某重卡使用的前懸置氣囊阻尼器參數

上表中列舉了五組數值，前三組和最后一組都是在特定的條件下作為參照用的，第四組是比較常用的，因為它的震動速度接近汽車日常使用工況，根據經驗，我們以第四組為主要參照進行詳細參數設定，第四組的參數代表的是駕駛室在100km/h時，駕駛室的震動速度大約是0.393m/s，每分鐘震動300次的條件下設定阻尼器壓縮力是1440-1940N之間，拉伸力在380-560N之間，上述壓縮力和拉伸力是在理想狀態下設定，因為不同車型配置的調整會影響駕駛室原有的固定參數，通過計算確定的阻尼器數值知識第一步，之后會進行測試驗證參數合理性[2]；

下面是針對某重型卡車氣囊減震進行測試過程，首先進行測試前的準備工作，需要一臺被測試整車、加速度采集儀器，電腦記錄，具備定速行駛的路段，司機，協調人員等。

測試過程中為避免產生偶發現象，會選定不同路況分兩側測試，分別在50km/h、60km/h、80km/h 、90km/h等分別進行采集一分鐘加速度信息，信號采集位置選在座椅坐盆，左、右、前、后懸置處等，選其中90km/h時懸置數據采集記錄如下：

表3 90km/h時懸置數據采集記錄

座椅信號采集之后采用加權加速度均方根形式記錄：

表4 座椅數據采集記錄

上表中，車輛在90千米/小時時，座椅坐墊加權加速度均方根值取值，乘以參考坐標系數：X/Y軸加權系數為1.44,Z軸加權系數為1。評價結果參照下表：

表5 評價結果

綜上，加速度均方根值0.5294時，人體主觀感受處于第三檔，即有些不舒服，所以該車座椅位置舒適性一般，有提高的空間，后續通過優化其他部位進行優化。

4 氣囊參數鎖定[3]

氣囊參數是由氣囊的剛度和阻尼器參數合成之后確定的最終量產車的氣囊參數，阻尼器的參數通常是先通過理論參數的計算初步選定數值，然后再通過一系列的評價、測試來完善，測試的環節通常是通過舒適性評價試驗來確定阻尼力參數的，目前國內外都可以進行舒適性主觀評價試驗，不同的使用工況其制定的參數也有所不同，氣囊的剛度一般由外囊皮材料性能決定，在加工制作之初確定剛度需求即可，后期也可進行微調，經過兩到三輪的調試評價即可確定最終氣囊參數；一般來說物流車用氣囊懸架比較多，大部分工程車使用機械減震，使用常規彈簧減震，可靠性和使用壽命較長，但其舒適性較一般。

5 評價方式[4]

舒適性評價分為主觀評價和客觀評價，主觀性試驗通常需要準備一臺配備氣囊減震懸置的整車，是由實驗員和不同卡車司機共同完成，在實驗過程中實驗員會根據汽車行駛的路面對不同的司機進行詢問，填寫提前準備好的表格，根據打分項來確定評價指標，最終根據分數決定是否需要調節阻尼值，調整之后如有必要可在此重復做實驗，直到最后得分符合預期。另一種客觀評價更真實一點，因為主觀評價會由人為因素干擾，不同的駕駛員主觀感受不同，影響最終結果，客觀性實驗是實驗員帶著采集設備安裝在車上，通過檢測不同路段駕駛室不同位置的瞬間加速度來判定的，之前對整車加速度信號已經采集過，不再贅述。客觀評價測試需要特殊的設備和場地時間相對來說更加長，所以一般主機廠通常進行主觀評價試驗來獲得較好的減震器匹配參數，部分廠家進行客觀實驗之后修正，來達到最佳狀態。

針對目前市場上出現的一些減震偏硬的現象，運用以上空氣彈簧減震實驗來調整、固化參數，首先需要掌握該車的基本信息，如駕駛室質量M，駕駛室前軸旋轉點到質心的X向距離Lx，駕駛室前軸到質心的Z向距離Lz駕駛室的轉動慣量等信息，用以上參數帶入相應的公式：

f是懸置固有頻率，一般為1.5-2.5之間；

m是駕駛室半載時駕駛室單側質量分配取值；

K是氣囊的剛度值；

可得出氣囊匹配剛度參數，特定速度下的阻尼力參數，如某重卡最終算出氣囊剛度約為20N/mm左右，根據用途和不同車型再做細微調整，來提高舒適性。

6 結論

汽車舒適性是一套整體的系統，前懸減震只是其中一小部分，通過改善氣囊的阻尼值和剛度的匹配關系來提高舒適性，其改善的范圍是有限的。在懸架結構中，半浮結構和全浮結構是比較常見的，全浮結構的舒適性表現要更加優秀，所以市面上用的也是比較多的。如果要從根本上提升整車舒適性，必須結合其他減震系統，如座椅，板簧，輪胎等減震系統，那就需要控制更多的參數，需要更加綜合地來考慮，整車舒適性是一項艱巨而復雜的項目，在解決舒適性的同時，應該綜合考慮噪聲、振動等其他因素，否則其結果將會適得其反、顧此失彼。目前我國對商用車的舒適性要求越來越高，對商用車研發人員的綜合素質要求也是越來越高，在今后的開發工作中應重點考慮駕乘舒適性