客車空氣懸架行駛動(dòng)力學(xué)分析與優(yōu)化

李恩科，宋禮，樊成程，張東方，吳張兵（.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶40；.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶40003）

客車空氣懸架行駛動(dòng)力學(xué)分析與優(yōu)化

李恩科1，宋禮2，樊成程2，張東方2，吳張兵2
（1.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶401122；2.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶400023）

根據(jù)某空氣懸架大客車的設(shè)計(jì)要求，建立整車底盤系統(tǒng)的ADAMS多體動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析；通過和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性。對(duì)整車懸架布置進(jìn)行優(yōu)化，以減小制動(dòng)點(diǎn)頭量。

客車；空氣懸架；行駛動(dòng)力學(xué)

空氣懸架客車有平順性好、整車整備質(zhì)量小、車輛對(duì)路面的損壞少等優(yōu)點(diǎn)。但在行駛過程中穩(wěn)定性略有不足，加速有明顯的“仰頭”和制動(dòng)有過大的“點(diǎn)頭”。本文基于某公司在研發(fā)的客車懸架參數(shù)，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS建立某空氣懸架客車底盤系統(tǒng)模型，分析空氣懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與車架連接點(diǎn)（也稱為“硬點(diǎn)”），對(duì)整車制動(dòng)時(shí)動(dòng)力學(xué)性能的影響，并進(jìn)行優(yōu)化。

1　導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)行駛動(dòng)力學(xué)的影響分析

大客車在制動(dòng)或加速工況下，前后懸架因負(fù)荷轉(zhuǎn)移使地面給輪胎的法向反力發(fā)生變化，導(dǎo)致懸架變形而使車身縱傾，即產(chǎn)生“點(diǎn)頭”或“仰頭”現(xiàn)象。如果這種現(xiàn)象被地面制動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力引起的懸架變形所抵消，這樣的懸架就具有抗“點(diǎn)頭”或抗“仰頭”的能力。

任何雙臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)都可以等效簡(jiǎn)化為單縱臂形式的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)［1］。只是雙臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)中心可在車體內(nèi)外，并隨路面行駛工況的變化而改變，而單縱臂的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)中心是車體內(nèi)某一固定點(diǎn)，如圖1中的點(diǎn)OFP、ORP。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)后文統(tǒng)稱導(dǎo)向桿。

汽車制動(dòng)輪胎抱死時(shí)，前輪的受力如圖1所示，對(duì)OFP點(diǎn)取矩得：

式中：Gf為前軸靜載荷；Zf為地面對(duì)輪胎的法向反力；Wd為制動(dòng)時(shí)載荷的變化；FBf前輪所受的地面制動(dòng)力；A為OFP點(diǎn)到輪胎接地點(diǎn)的水平距離。

式中：W為整車重量；ax為前進(jìn)方向的加速度。

Wd越大時(shí)，前懸彈簧被壓縮的越厲害，制動(dòng)點(diǎn)頭量就越大，穩(wěn)定性越差。由式（3）可知，改變前懸架導(dǎo)向桿交接點(diǎn)的位置，就可以改變Hr與A的比值，從而改變Wd的大小，以改變制動(dòng)點(diǎn)頭量。

在車輛制動(dòng)過程中，俯仰角度θp為前后懸架繞度的總和除以軸距［2］。

式中：δf、δr為前后懸架的擾度；Kf、Kr為前后懸架的剛度。

當(dāng)俯仰角度為零時(shí)，即制動(dòng)時(shí)空氣彈簧不變形，即100%抗“點(diǎn)頭”，滿足條件：θp=0，即

這樣的現(xiàn)象可以通過導(dǎo)向桿的布置實(shí)現(xiàn)。所以導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的布置對(duì)整車行駛動(dòng)力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。

2　對(duì)抗點(diǎn)頭進(jìn)行優(yōu)化

本文通過優(yōu)化上下導(dǎo)向桿與車架和車橋的連接點(diǎn)來適當(dāng)減小制動(dòng)點(diǎn)頭量，以提高客車的行駛平順性。本文研究的空氣彈簧大客車前懸架采用四連桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

2.1三心定理的應(yīng)用

由三心定理可知，車軸為連桿BC，上下導(dǎo)向桿分別為搖桿AB、DC，車架為機(jī)架，這樣可以確定一個(gè)運(yùn)動(dòng)瞬心P，如圖3所示。瞬心P在圖1中可以看作是鉸接點(diǎn)［3］。圖3中，改變A、B、C、D的位置到a、b、c、d時(shí)，運(yùn)動(dòng)瞬心位置變?yōu)閜，結(jié)合前面的理論分析，改變上、下導(dǎo)向桿與車架和車橋的連接點(diǎn)，就可以改變合力對(duì)導(dǎo)向的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)中心OFP的力矩，從而優(yōu)化制動(dòng)點(diǎn)頭量［4-5］，以提高該懸架的抗點(diǎn)頭能力。

2.2動(dòng)力學(xué)模型的建立

建模時(shí)，首先利用CATIA軟件建立大客車底盤的三維實(shí)體模型，然后通過CATIA和ADAMS之間的接口，依據(jù)部分整車參數(shù)，應(yīng)用ADAMS建立整車底盤系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型［6-7］，如圖4所示。圖4中，將三維模型轉(zhuǎn)換為動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，根據(jù)實(shí)車結(jié)構(gòu)，用運(yùn)動(dòng)副10個(gè)和彈性元件28個(gè)連接各個(gè)構(gòu)件，將三維模型轉(zhuǎn)化為可運(yùn)動(dòng)的虛擬樣機(jī)。轉(zhuǎn)向節(jié)與車橋的連接由轉(zhuǎn)動(dòng)副模擬，導(dǎo)向桿與車架之間由襯套連接。模型的部分參數(shù)和幾何參數(shù)如表1所示；該參數(shù)由廠方提供。

表1　整車部分參數(shù)表

2.3穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)及驗(yàn)證

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T6323.6-94汽車起步逐漸加速轉(zhuǎn)向［8］，整車轉(zhuǎn)彎半徑為15～20 m范圍內(nèi)，然后固定方向盤不動(dòng)，緩緩均勻的加速，直到汽車加速到側(cè)向加速度在3～6m/s2范圍內(nèi)。然后測(cè)量其側(cè)向加速度和側(cè)傾角。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

圖6為車廂側(cè)傾角特性曲線，橫坐標(biāo)為側(cè)向加速度，縱坐標(biāo)為車廂側(cè)傾角。標(biāo)準(zhǔn)QC/T 480-1999規(guī)定［9］，車廂側(cè)傾剛度按車廂側(cè)傾角與側(cè)向加速度關(guān)系曲線上側(cè)向加速度值為2m/s2處的平均斜率?；剞D(zhuǎn)中，圖6所示仿真時(shí)側(cè)向加速度為2m/s2，側(cè)傾角為1.5°，則側(cè)傾剛度為0.75°/（m/s2）；實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在側(cè)向加速度為2m/s2時(shí)，側(cè)傾剛度為0.53°/（m/s2），數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。由于橡膠村套的理論剛度和實(shí)際剛度有差異，實(shí)車輪胎與理論輪胎模型也存在這差異。所以實(shí)際的數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)上有差別。仿真數(shù)據(jù)和實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都在合理范圍內(nèi)，如表2所示，驗(yàn)證了模型的正確性，同時(shí)也驗(yàn)證了空氣懸架變剛度的特點(diǎn)，空彈簧被壓縮時(shí)彈簧剛度有所增大，側(cè)傾剛度也有所增大。

表2　仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.4導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

試驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE（Design of Experiments）考慮在多個(gè)設(shè)計(jì)變量同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，多個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)樣機(jī)性能的影響。對(duì)設(shè)計(jì)試驗(yàn)過程的設(shè)置稱為建立設(shè)計(jì)矩陣。設(shè)計(jì)矩陣的列表因素、行表運(yùn)行次數(shù)、矩陣中每個(gè)元素表示對(duì)應(yīng)因素的水平級(jí)，是離散的值。設(shè)計(jì)矩陣給每個(gè)因素指定每次運(yùn)行的水平級(jí)數(shù)。只有根據(jù)水平級(jí)，才能確定因素在運(yùn)算時(shí)的具體值。

1）優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。仿真時(shí)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12676-1999對(duì)汽車制動(dòng)性能試驗(yàn)時(shí)的要求［10］，制動(dòng)初始速度為80 km/h；未制動(dòng)時(shí)，以80 km/h的車速勻速行駛，如圖7所示。10 s時(shí)開始制動(dòng)，制動(dòng)強(qiáng)度為0.5 g［11］。設(shè)計(jì)要求的制動(dòng)點(diǎn)頭量要小于1°。制動(dòng)時(shí)的車速隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示；縱向加速度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖8所示。優(yōu)化前點(diǎn)頭量如圖9中實(shí)線所示，最大值為0.993°。雖然小于1°，但是在穩(wěn)定性方面效果不是很理想。

自變量y1，……，y8是各個(gè)硬點(diǎn)在與車軸垂直的平面內(nèi)的縱坐標(biāo)值，在優(yōu)化過程稱作設(shè)計(jì)變量DV1，……，DV8。

2）優(yōu)化變量的選取及優(yōu)化。由前面的理論分析得知，主要選取上、下導(dǎo)向桿與車架連接點(diǎn)的y坐標(biāo)作為優(yōu)化變量，原始值如表3原始值一欄所示，硬點(diǎn)1、2為兩上導(dǎo)向桿與車架的連接硬點(diǎn)；硬點(diǎn)3、4為下導(dǎo)向桿與車架連接的硬點(diǎn)；硬點(diǎn)5、6為上導(dǎo)向桿與車橋的連接硬點(diǎn)；硬點(diǎn)7、8為下導(dǎo)向桿與車橋的連接硬點(diǎn)。變化范圍相對(duì)于原始坐標(biāo)變化±50mm。優(yōu)化時(shí)目標(biāo)函數(shù)取值過程如圖10所示，優(yōu)化后的點(diǎn)頭量為0.332°。

根據(jù)優(yōu)化分析報(bào)告，優(yōu)化后各設(shè)計(jì)變量的值如表3優(yōu)化后的值一欄所示，也就是優(yōu)化以后各硬點(diǎn)相應(yīng)的y坐標(biāo)值。在相同工況下，優(yōu)化前與優(yōu)化后的制動(dòng)點(diǎn)頭情況如圖9所示，優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比比較明顯，減小了制動(dòng)點(diǎn)頭量。

表3　設(shè)計(jì)變量原始值與優(yōu)化值

3　結(jié)束語

應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS/View建立某空氣懸架客車底盤系統(tǒng)模型，分析了空氣懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)硬點(diǎn)布置對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響。通過優(yōu)化結(jié)果可以看出，優(yōu)化硬點(diǎn)可以適當(dāng)減小點(diǎn)頭量。分析結(jié)果表明，空氣懸架的導(dǎo)向桿對(duì)汽車的行駛性能有一定的影響，應(yīng)當(dāng)合理的布置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以滿足整車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的要求，為改善汽車操縱穩(wěn)定性提供可靠的參考意見。

應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論可以有效減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。下一步研究，結(jié)合以上研究結(jié)論和方式，可以依據(jù)該模型對(duì)汽車的側(cè)傾穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向特性（轉(zhuǎn)向過度或轉(zhuǎn)向不足）進(jìn)行研究。

［1］唐憬憬，鄧楚楠.空氣懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響［J］.輕型汽車技術(shù)，2008，（1）：8-11.

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［10］GB 12676-1999，汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

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修改稿日期：2015-05-21

Analysisand Optim ization on Coach Air Suspension'sRunning Dynam ics

LiEnke1，Song Li2，F(xiàn)an Chengcheng2，ZhangDongfang2，Wu Zhangbing2
（1.China Automotive Engineering Research InstituteCo.，Ltd，Chongqing 401122，China；2.Chongqing Changan Automobile Co.，Ltd，Chongqing400023，China）

According to the design requirements of an air suspension coach，the authors establish ADAMSmulti-body dynamicsmodelof the coach chassis system，and carry out the dynamics simulation analysis.Through comparison with test data，they verify themodel correctness.Then they optimize the arrangementofsuspension in order to reducetheamountofbrakenod.

coach；air suspension；runningdynamics

U461.1；U 463.33

B

1006-3331（2015）04-0027-04

重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（cstc2012gg-yyjs0867）

李恩科（1987-），男，助理工程師；主要從事汽車整車試驗(yàn)研究工作。