適用于環衛水罐車的變剛度鋼板彈簧剛度分配方法

摘要：介紹了懸架偏頻的計算方法，并針對幾種常用的變剛度鋼板彈簧剛度分配方法進行了介紹與設計計算，同時利用ADAMS軟件進行了后懸架以及整車的車輛動力學建模，分析了比例中項法與空滿載等頻法兩種剛度分配方法對整車平順性的影響。研究表明，對于洗掃車和清洗車，利用空滿載等頻法進行剛度分配的綜合平順性優于利用比例中項法進行剛度分配的綜合平順性。

關鍵詞：環衛車；變剛度鋼板彈簧；剛度分配方法；平順性

中圖分類號：U467.1+1 收稿日期：2024-04-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.014

1 前言

環衛車是指具有清掃、洗刷、灑水、垃圾收集、垃圾轉運、吸污等一種或者幾種作業功能的車輛[1]，主要包括清洗車、洗掃車、抑塵車、壓縮式垃圾車、桶裝垃圾壓縮車、吸污車、吸糞車等。環衛水罐車一般是指清洗車、洗掃車和抑塵車這3類車輛。目前大部分環衛車一般在普通的貨車底盤上進行適應性改制，然后加裝上裝得到整車。環衛水罐車與其他貨車相比，主要有幾點不同：超載少，幾乎沒有超載的時候；作業過程中載荷變化線性，大部分環衛車作業過程中，車重從最大總質量線性變化至接近整備質量；作業車速低，大部分環衛車作業時，車速不超過20 km/h；行駛里程少，經過統計分析，洗掃車、清洗車每天行駛里程約為54 km。

對于貨車，空載和滿載時，后軸軸荷差別較大，為了保證車輛在整個運行過程中車輛有比較好的平順性，一般采用2級變剛度鋼板彈簧作為貨車的后懸架。

2級變剛度鋼板彈簧由主簧和副簧構成。對于主簧與副簧的剛度分配，一般用比例中項法或者平均載荷法兩種方式來確定[2]。對于空載、滿載兩種運行工況比較多的車輛，有人提出空滿載等頻法來確定主簧與副簧的剛度分配[3]，筆者認為空滿載等頻法在環衛車后懸架設計時有可取之處。

2 后懸架偏頻分析

在懸架設計時，首先確定滿載偏頻目標，然后根據偏頻目標求出滿載懸架剛度?？蛰d時，僅主簧工作，如果不考慮簧下質量，則此時懸架的偏頻為：

式中，[C1]為主簧剛度，N/mm；[m0]為空載輪荷，kg。

滿載時，主簧、副簧均參與工作，不考慮簧下質量，此時懸架偏頻為：

式中，[C2]為副簧剛度，N/mm；[mm]為滿載輪荷，kg。

副簧與副簧支座接觸前后，懸架的受力幾乎沒有變化，但是由于副簧由非工作狀態變化為工作狀態，此時懸架的偏頻會有一次突變。副簧工作前的偏頻用[f1]表示，副簧工作后的偏頻用[f2]表示，則有：

式中，[mk]為副簧剛參與工作時的輪荷，kg。

在懸架設計中，滿載偏頻作為設計目標，是項目設計之初就定下來的，但是空載彈簧剛度、副簧與副簧支架接觸時的載荷是后期設定的，兩個數值的不同設定，會導致非滿載狀態的偏頻以及舒適性不同。

3 幾種常用的剛度分配方法

3.1 比例中項法

所謂比例中項法，即副簧剛參與工作時的輪荷[mk]為空滿載輪荷之積的均方根值，即：

按照比例中項法進行板簧剛度分配，空載偏頻[f0]與副簧接觸副簧支座后的偏頻[f2]相等，滿載偏頻[fm]與副簧接觸副簧支座前的偏頻[f1]相等。副簧剛度與主簧剛度比為：

式中，[λ]為滿載輪荷與空載輪荷的比值，即[λ=mm/m0]。

空滿載的偏頻比為：

3.2 平均載荷法

所謂平均載荷法，是指副簧剛參與工作時的輪荷[mK]，是空滿載輪荷的平均值，即：

[mk=m0+mm/2]_{6900be9694326aef1b5abce0f44534ca} （8）

按照平均載荷法進行板簧剛度分配，空載輪荷與副簧剛參與工作時輪荷的平均值對應的偏頻[fa]，和滿載輪荷與副簧剛參與工作時輪荷的平均值對應的偏頻[fb]相等。副簧剛度與主簧剛度比為：

空滿載的偏頻比為：

3.3 空滿載等頻法

所謂空滿載等頻法，是指空載偏頻[f0]與滿載偏頻[fm]相等。

副簧剛度與主簧剛度比為：

空滿載的偏頻比為：

4 三種剛度設計方法對比

某洗掃車的質量參數如表1所示。

根據整車平順性要求，設定該車滿載前懸架偏頻為1.47 Hz，滿載后懸架偏頻為2.05 Hz。所以前懸架的剛度為364 kN/mm，后懸架總剛度為974 kN/mm。

現在分別按照平均負荷法、比例中項法和空滿載等頻法對后鋼板彈簧進行剛度分配，結果如表2所示。

由表2可知，對于該后懸架，平均負荷法與比例中項法設計出的主副簧剛度分配比較接近。變剛度鋼板彈簧比較復雜，仿真耗時長，為了節約時間，下面僅對比例中項法與空滿載等頻法兩種主副簧剛度分配方法進行詳細設計以及仿真分析。

比例中項法詳細設計：主簧片長1 600mm×寬度90 mm×厚度17 mm×10片，副簧片長1 250 mm×寬度90 mm×厚度9 mm×8片，副簧支架間距1 100 mm；空滿載等頻法詳細設計：主簧片長1 600 mm×寬度90 mm×厚度14 mm×10片，副簧片長1 250 mm×寬度90 mm×厚度12 mm×8，副簧支架間距1 100 mm。

為了驗證不同的主副簧剛度分配方法對車輛平順性的影響，利用adams建立整車多體動力學模型，并進行平順性仿真分析。

5 后懸架模型建立

主副簧鋼板彈簧模型的建立是后懸架模型建立的難點，本文利用adams/car的Leaf Spring Toolkit 進行主副簧鋼板彈簧的建模。建立的主副鋼板彈簧模型如圖1所示。

在adams/car中，利用剛建立的主副簧鋼板彈簧模型，生成鋼板彈簧模板，與車橋進行裝配，建立后懸架模型，如圖2所示。

利用該后懸架裝配體，進行平行輪跳仿真分析，后懸架剛度數據如圖3所示。

6 整車模型建立

在adams/car中，分別建立前懸架模型、轉向系統模型、駕駛室模型、車架模型、上裝模型、輪胎模型，與之前建立的后懸架模型，裝配生成整車模型，如圖4所示。

7 平順性仿真分析

環衛車行駛有高速轉場、低速作業的特點，某型號洗掃車行駛車速統計結果如圖5所示。

從圖5可知，洗掃車大部分行駛速度不超過20 km/h，與洗掃車作業車速范圍一般在5～20 km/h相符合。洗掃車車重分為空載、滿載、空滿載之間3種不同狀態，其中空載、滿載出現在轉場時，空滿載之間出現在作業時。根據統計結果，并做合理簡化，不同車速與車重組合下的時間占比如表3所示。

在各種車速以及車重組合下，對車輛進行直線行駛平順性仿真，路面類型選擇adams自帶的C級路面，其中車速≤20 km/h的工況，選擇15 km/h的車速進行仿真，車速＞20 km/h的工況，選擇40 km/h的車速進行仿真。選取駕駛室質心處Z向加速度作為平順性的評價指標。圖6所示為某個工況下的駕駛室質心處Z向加速度。

不同的車速與車重組合下，駕駛室質心處Z向加速度的均方根值如表4所示。

根據不同的車速與車重組合的時間占比，分別求出比例中項法與空滿載等頻法兩種剛度分配方法駕駛室質心處Z向加速度均方根值的加權值，分別為0.085 29 m/s2和0.081 38 m/s2。

圖7表明，車重16 t以上，兩種剛度分配方法的Z向加速度基本一致。車重低于16 t時，先是等頻法的Z向加速度大于比例法，但是車重13 t以下時，等頻法的Z向加速度大幅下降，在12 t時逐漸低于比例法。

用于洗掃車的底盤，一般也同時用于清洗車，而清洗車的車重范圍一般在8～18 t之間，現在對兩種不同的剛度分配方法的清洗車在車速15 km/h和40 km/h時進行平順性仿真，車速15 km/h時，不同車重下的Z向加速度如圖8所示。根據不同的車速與車重組合的時間占比，分別求出比例中項法與空滿載zK6Rtcs7BDNET0QM4l6zpp2znBlnfl1cZ/wPrqLtB5A=等頻法兩種剛度分配方法駕駛室質心處Z向加速度均方根值的加權值，分別為0.102 77 m/s2和0.093 93 m/s2。

結合圖7～圖8可以得知，在車重較低時，等頻法的平順性會明顯優于比例法，當然等頻法需要更大的懸架行程。

8 結語

本文首先介紹了3種2級變剛度鋼板彈簧剛度分配方法，然后針對某車型利用這3種剛度分配方法進行后懸架設計，最后基于ADAMS建立整車車輛動力學模型，進行平順性仿真分析。

車重較低時，利用空滿載等頻法進行剛度分配車輛的平順性會明顯優于利用比例中項法進行剛度分配的車輛。

對于洗掃車，利用空滿載等頻法剛度分配的鋼板彈簧，綜合平順性要略微優于比例中項法剛度分配的鋼板彈簧。

對于使用相同底盤的清洗車，利用空滿載等頻法剛度分配的鋼板彈簧，綜合平順性要明顯優于利于比例中項法剛度分配的鋼板彈簧。

對于環衛車，空滿載等頻法是一種可以運用的后懸架變剛度鋼板彈簧剛度分配方法。

不同類型的環衛車，通過對其工況的統計分析，分別采用不同的后懸架變剛度鋼板彈簧剛度分配方法，可以提高車輛的平順性。

參考文獻：

[1]全國汽車標準化技術委員會.QC/T 1087—2017純電動城市環衛車技術條件：[S].北京：科學技術文獻出版社，2017.

[2]陳耀明.兩級剛度復式鋼彈彈簧的設計計算[J].汽車技術，1985（8）：24-32.

[3] 洪光輝，李玲，李航，等.一種剛度分配方法在懸架系統設計中的研究與應用[J].專用汽車，2022（6）：15-17.