半掛車空氣懸架試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及特性試驗(yàn)

鄭華康 陳韜 伍麗娜 楊平龍

中汽研汽車檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司 湖北武漢 430056

1 前言

半掛車空氣懸架是一種專門應(yīng)用于半掛車的復(fù)合式空氣懸架。隨著近年來我國(guó)政府對(duì)道路安全的不斷關(guān)注和半掛車行業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 7258-2017 《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》要求危險(xiǎn)物品運(yùn)輸半掛車和三軸欄板式、倉(cāng)柵式半掛車應(yīng)裝備空氣懸架，這使得空氣懸架在半掛車上的應(yīng)用得到進(jìn)一步推廣。目前國(guó)內(nèi)半掛車懸架市場(chǎng)上，鋼板彈簧懸架占據(jù)絕對(duì)主流，雖然空氣懸架在國(guó)內(nèi)已然得到一定運(yùn)用，但缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)確的測(cè)試方法，市場(chǎng)上產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，因半掛車空氣懸架質(zhì)量問題導(dǎo)致的道路安全事故時(shí)有發(fā)生。針對(duì)上述問題，本文研究半掛車空氣懸架的功能原理及其測(cè)試方法，結(jié)合產(chǎn)品市場(chǎng)的測(cè)試需求，分析測(cè)試設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)組成和控制方式，設(shè)計(jì)了一種可根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)整加載載荷的半掛車空氣懸架試驗(yàn)臺(tái)，包含工控機(jī)、傳感器、伺服液壓系統(tǒng)以及供氣系統(tǒng)，為半掛車空氣懸架產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)判提供了試驗(yàn)平臺(tái)。

2 半掛車空氣懸架性能指標(biāo)

2.1 半掛車空氣懸架結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)使用的半掛車空氣懸架基本上是歐式空氣懸架，主要由前支承架、后支承架、彈簧梁、彈簧梁軸、空氣彈簧、減振器、U形螺栓組成。半掛車空氣懸架如圖1所示。

圖1 半掛車空氣懸架

空氣彈簧是半掛車空氣懸架的核心部件，空氣彈簧的性能直接決定了懸架的性能?？諝鈴椈缮隙伺c半掛車車架連接，下端與彈簧梁連接。彈簧梁的兩端分別與空氣彈簧和前支承架鉸點(diǎn)連接，中間通過U型螺栓組與車軸固連。減振器通過鉸點(diǎn)，與彈簧梁和前支承架連接[1]。

工作時(shí)，半掛車空氣懸架與半掛車供氣系統(tǒng)連接。供氣系統(tǒng)內(nèi)包括高度調(diào)節(jié)閥。當(dāng)汽車載荷增加、懸架高度減小時(shí)，高度調(diào)節(jié)閥控制供氣系統(tǒng)向空氣彈簧內(nèi)送氣，氣囊內(nèi)壓力上升；當(dāng)汽車載荷減小時(shí)，高度調(diào)節(jié)閥控制氣囊泄氣，以使懸架高度能維持在設(shè)計(jì)位置。

2.2 空氣懸架關(guān)鍵性能指標(biāo)

半掛車空氣懸架把車架與車橋彈性的連接起來，主要作用是傳遞作用在車身與車輪間的力和力矩，以及緩和由于路面不平帶來的沖擊，吸收由此引起的振動(dòng)[2]。評(píng)價(jià)半掛車空氣懸架的品質(zhì)，需要對(duì)剛度、耐久性、減振性進(jìn)行測(cè)試。

2.2.1 剛度

懸架剛度是衡量懸架抵抗變形的能力的一種量度，是指車輪中心相對(duì)于車架和車身向上移動(dòng)的單位距離（即使懸架產(chǎn)生單位垂直壓縮變形）所需要加于懸架上的垂直載荷[2]。

半掛車實(shí)際工作過程中，對(duì)剛度的主要約束來自側(cè)傾角限制。商用載貨車輛的設(shè)計(jì)重，一般取最大側(cè)傾角[φ]為6°[3]，可通過式(1)得到對(duì)懸架剛度大小的約束：

式中，CA為 空氣彈簧在設(shè)計(jì)高度的垂直剛度；Gs為整車簧載質(zhì)量；a為側(cè)向加速度；hs為簧載質(zhì)量質(zhì)心離地高度；h1為懸架力矩中心離地高度；DA為左右空氣彈簧的中心距。

參照半掛車結(jié)構(gòu)與質(zhì)量，可計(jì)算出半掛車空氣懸架在設(shè)計(jì)位置的剛度應(yīng)大于400 N/mm。

2.2.2 耐久性

空氣懸架耐久性指的是空氣懸架在一定負(fù)荷下保持質(zhì)量和功能的使用壽命，一般用振動(dòng)次數(shù)表示。

從結(jié)構(gòu)上分析，半掛車空氣懸架在車軸（車橋）與車架間傳遞力與力矩，空氣懸架與車軸的工作負(fù)載情況高度一致。因此可參考現(xiàn)行的掛車車軸測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)JT/T 475-2002《掛車車軸》，對(duì)半掛車空氣懸架提出加載負(fù)荷與耐久性指標(biāo)[4]：

采用脈動(dòng)循環(huán)負(fù)荷對(duì)半掛車空氣懸架進(jìn)行加載，脈動(dòng)循環(huán)的最小試驗(yàn)負(fù)荷取值0，最大試驗(yàn)負(fù)荷取2.5倍半掛車滿載時(shí)懸架載荷。如果空氣懸架經(jīng)過8×105次工作振動(dòng)而仍能保持正常工作的性能，則其耐久性符合要求。

2.2.3 減振性

平順性是汽車在行駛過程中，保持振動(dòng)和沖擊對(duì)乘員舒適性和貨物完好性的影響在一定范圍內(nèi)的能力。半掛車平順性與懸架性能緊密相關(guān)。

平順性試驗(yàn)需要在整車條件下進(jìn)行。整車試驗(yàn)?zāi)茌^好體現(xiàn)懸架性能，但消耗大，試驗(yàn)時(shí)間周期長(zhǎng)。本文旨在設(shè)計(jì)一種進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)，以盡量大的性價(jià)比完成懸架質(zhì)量檢驗(yàn)，在臺(tái)架試驗(yàn)的前提下，由于加載方式和場(chǎng)地的限制，無法對(duì)懸架性能-車輛平順性這一組參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，對(duì)平順性指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)化，以減振性指標(biāo)來衡量半掛車空氣懸架對(duì)平順性的影響。

減振性是對(duì)照試驗(yàn)。首先針對(duì)一個(gè)能通過整車平順性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)半掛車空氣懸架，在臺(tái)架上進(jìn)行加載，得到其振動(dòng)相應(yīng)曲線，根據(jù)測(cè)得圖像（如圖2所示），得到振幅A0；并按式（2）計(jì)算振動(dòng)頻率f0。

圖2 減振性響應(yīng)曲線

以標(biāo)準(zhǔn)空氣懸架的振幅A0與頻率f0作為基準(zhǔn)，按式（3）計(jì)算被測(cè)空氣懸架振幅與頻率的偏差百分比ΔA與Δf；偏差越小，則懸架質(zhì)量越好。

式中，T為響應(yīng)曲線振動(dòng)周期。

3 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)臺(tái)的主要組成部分包括伺服液壓缸、模擬車橋、安裝支座以及空氣懸架限位工裝，此外還包括位移傳感器、壓力傳感器、電磁閥、工控機(jī)等電控設(shè)備。試驗(yàn)臺(tái)三維模型如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)三維模型

3.1 試驗(yàn)臺(tái)功能介紹

試驗(yàn)臺(tái)功能應(yīng)滿足對(duì)上文所述性能參數(shù)的測(cè)試要求，根據(jù)這一需求，該臺(tái)架應(yīng)滿足以下功能：

a.模擬車軸靜載。此設(shè)備可通過液壓缸向懸架施加載荷。通過液壓系統(tǒng)控制載荷大小，能模擬半掛車靜載狀態(tài)，從空載到滿載狀態(tài)下，各類載荷工況對(duì)車軸的作用力。

b.脈動(dòng)循環(huán)負(fù)荷加載。可通過工控機(jī)控制伺服液壓缸的周期性升降，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)懸架的脈動(dòng)循環(huán)加載。

c.空氣懸架位移與受力測(cè)量。剛度試驗(yàn)與減振性試驗(yàn)中，都需要對(duì)半掛車空氣懸架的懸架高度與所受負(fù)荷進(jìn)行測(cè)量。半掛車空氣懸架反向安裝在臺(tái)架上，模擬車橋與地面間設(shè)置有位移傳感器，以測(cè)量懸架高度（即實(shí)車中車輪中心位置與車架的距離）；連接懸架與地面的限位工裝處設(shè)置有壓力傳感器，以測(cè)量懸架所受負(fù)荷。

d.懸架氣囊壓力控制。試驗(yàn)過程中需要調(diào)節(jié)與測(cè)定氣囊中的壓力。試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)置有氣壓系統(tǒng)，包括電磁閥與壓力傳感器，可根據(jù)試驗(yàn)需求自0到最大許可工作壓力范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氣囊壓力。

3.2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安裝地板為T形槽鑄鐵地板，在確保能牢固固定立柱系統(tǒng)底板部分的同時(shí)，使設(shè)備具有模塊化使用的能力。

立柱系統(tǒng)200由方管焊接而成，承受來自液壓缸的的壓力。方管尺寸為350 mm×250 mm，厚為10mm。

液壓缸安裝支座通過U型螺栓組與臺(tái)架立柱的橫梁連接，該安裝座位可調(diào)式，可以根據(jù)待測(cè)懸架的具體尺寸在橫梁上調(diào)節(jié)位置。

伺服液壓閥在直線方向上施加載荷，為避免試驗(yàn)時(shí)連接處微小變形造成破壞，伺服液壓缸的端頭連接應(yīng)選擇魚眼接頭。

待測(cè)懸架安裝在模擬車橋上，模擬車橋的安裝尺寸與質(zhì)量與真實(shí)車橋一致，在應(yīng)安裝輪轂的部位，設(shè)置有液壓缸的連接支座，模擬實(shí)際工況中通過輪胎傳遞給懸架系統(tǒng)的力。模擬車橋如圖4所示。

圖4 模擬車橋

3.3 試驗(yàn)臺(tái)控制設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺(tái)采用工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的平臺(tái)，工控機(jī)發(fā)出指令，通過數(shù)據(jù)采集卡將工控機(jī)軟件產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量，再經(jīng)由伺服閥驅(qū)動(dòng)板控制電液伺服閥。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡接收傳感器傳來的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳入工控機(jī)。控制原理如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)原理圖

本試驗(yàn)臺(tái)選用研華IPC-610L型工控機(jī)，配合研華PCI-1716L-AE16數(shù)據(jù)采集卡使用。PCI-1716可以提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，帶有2個(gè)16位D/A輸出通道，16位數(shù)字量輸入/輸出通道，滿足與傳感器和伺服閥驅(qū)動(dòng)板的通信。

4 半掛車空氣懸架特性試驗(yàn)

在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)空氣懸架質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，可以避免實(shí)車試驗(yàn)中的安全隱患，有效節(jié)省人力物資。本節(jié)基于試驗(yàn)臺(tái)，闡述試驗(yàn)方法。

4.1 剛度試驗(yàn)

剛度試驗(yàn)為準(zhǔn)靜態(tài)加載試驗(yàn)，方法如下。

a.試驗(yàn)準(zhǔn)備。將空氣懸架反向安裝在臺(tái)架上，調(diào)零壓力傳感器與位移傳感器。

b.極限工況壓力標(biāo)定。液壓缸施加滿載工況和空載工況下的懸架負(fù)荷，分別標(biāo)定兩狀態(tài)下懸架氣囊工作壓力，確認(rèn)兩極限工況下氣囊壓力都在允許范圍內(nèi)。

c.剛度測(cè)定在滿載工況下，調(diào)定氣囊內(nèi)壓力至懸架高度達(dá)到設(shè)計(jì)值，液壓缸緩慢增加加載，懸架以準(zhǔn)靜態(tài)從理論行程最高點(diǎn)移動(dòng)至最低點(diǎn)；得到懸架高度的力-位移曲線后，在設(shè)計(jì)高度計(jì)算懸架剛度，若大于400 N/mm，則懸架剛度符合要求 。

4.2 耐久性試驗(yàn)

耐久性試驗(yàn)為脈沖循環(huán)負(fù)荷加載試驗(yàn)，方法如下。

a.載荷選取。對(duì)懸架-車軸系統(tǒng)整體進(jìn)行試驗(yàn)，選用半掛車滿載時(shí)單軸載荷的2.5倍作最大試驗(yàn)載荷，選用0作最小試驗(yàn)載荷，選用1.5 Hz作為振動(dòng)頻率，生成脈動(dòng)循環(huán)加載信號(hào)。

b.試驗(yàn)前剛度測(cè)試。加載前，測(cè)試空氣懸架剛度，確定懸架性能正常；

c.載荷加載。將懸架反向安裝在臺(tái)架上，通過液壓缸，按a中產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行加載，至振動(dòng)次數(shù)達(dá)8×105次結(jié)束；振動(dòng)次數(shù)由工控機(jī)通過傳感器信號(hào)曲線計(jì)算與記錄。

d.試驗(yàn)后剛度測(cè)試。加載后，測(cè)試空氣懸架剛度，判斷懸架性能是否正常；若正常，則懸架耐久性合格。

4.3 減振性試驗(yàn)

減振試驗(yàn)為對(duì)照性試驗(yàn)，比較待測(cè)懸架與標(biāo)準(zhǔn)懸架的振動(dòng)曲線，判斷減振能力。

a.試驗(yàn)準(zhǔn)備。將空氣懸架反向安裝在臺(tái)架上，調(diào)零壓力傳感器與位移傳感器。

b.施加載荷。液壓缸施加2.5倍滿載工況載荷，然后液壓回路完全卸載，令懸架系統(tǒng)自由振動(dòng)，采集振動(dòng)過程中壓力傳感器信號(hào)。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過對(duì)半掛車空氣懸架試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法闡述，可以得到以下結(jié)論：

a.驗(yàn)證了半掛車空氣懸架試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)上的可行性，其在剛度、耐久、減振性方面的測(cè)試需求都有解決方案；

b.基于半掛車空氣懸架的設(shè)計(jì)，提出了針對(duì)剛度、耐久、減振性的試驗(yàn)方法，為半掛車空氣懸架的測(cè)試提供了參考。