基于商用車(chē)氣囊減震系統(tǒng)的舒適性研究

王麗鵬，洪愷，肖何，寧方勇，姚景

（安徽華菱汽車(chē)有限公司，安徽 馬鞍山 243061）

前言

目前國(guó)內(nèi)外物流行業(yè)發(fā)展迅速，再加上國(guó)家對(duì)環(huán)保出臺(tái)更加嚴(yán)格地要求，作為物流運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ咧?，商用牽引卡?chē)的需求也越來(lái)越多，物流車(chē)司機(jī)的要求也越來(lái)越高，那么舒適性的要求就自然越來(lái)越受重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年約有100萬(wàn)輛物流車(chē)進(jìn)入市場(chǎng)，新進(jìn)入市場(chǎng)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(diǎn)懸浮、空氣懸架等應(yīng)運(yùn)而生。為了照顧長(zhǎng)途車(chē)司機(jī)的駕駛體驗(yàn)，很多物流車(chē)配備四點(diǎn)空氣懸浮系統(tǒng)，顧名思義，就是將懸架系統(tǒng)采用四點(diǎn)形式的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，從原先的機(jī)械結(jié)構(gòu)的彈簧換成囊皮結(jié)構(gòu)的空氣彈簧，通過(guò)氣閥控制進(jìn)氣量從而實(shí)現(xiàn)充放氣，進(jìn)而起到減震作用，從而提升整車(chē)舒適性。

1 舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)

整車(chē)舒適性是一個(gè)比較泛的概念，每一個(gè)部件之間的配合都會(huì)影響整車(chē)的舒適性，本文主要評(píng)價(jià)前后懸置對(duì)舒適性的影響，完整的氣囊減震包括空氣彈簧、阻尼器、調(diào)節(jié)閥、及其他附屬機(jī)構(gòu)，只有將以上機(jī)構(gòu)通過(guò)參數(shù)調(diào)整配合，最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后才能達(dá)到最舒適行駛狀態(tài)。

2 氣囊減震系統(tǒng)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(guò)全浮或半浮結(jié)構(gòu)配合空氣彈簧，形成一套減震系統(tǒng)，來(lái)緩和發(fā)動(dòng)機(jī)、路面等產(chǎn)生的震動(dòng)激勵(lì)。

圖1 是某重卡前懸置總成簡(jiǎn)圖：

圖1 某重卡前懸置總成簡(jiǎn)圖

圖1 中駕駛室前懸置主要由氣囊本體、上下支架、高度調(diào)節(jié)閥、懸置搖擺臂等組成，其工作原理是：汽車(chē)在遇到顛簸路面時(shí)，整車(chē)會(huì)存在上、下、左、右搖擺現(xiàn)象，當(dāng)行車(chē)過(guò)程中遇到凸起路面時(shí)，車(chē)架部分會(huì)相應(yīng)抬高，這時(shí)，為了保證駕駛室部分的平順性，就需要?dú)饽姨幱诳焖俜艢鉅顟B(tài)，使底盤(pán)部分跳動(dòng)，而氣囊以上的駕駛室保持平穩(wěn)，經(jīng)過(guò)凸起路面之后底盤(pán)部分需要回到原來(lái)位置，就需要給氣囊快速充氣，這樣可避免駕駛室瞬間急動(dòng)度過(guò)大引起的駕乘人員不舒服，這些動(dòng)作都是由高度閥輔助完成的，駕駛室和底盤(pán)的相對(duì)位移會(huì)控制高度閥開(kāi)啟或者關(guān)閉氣道；反之，當(dāng)汽車(chē)行駛在凹陷路面時(shí)候，汽車(chē)底盤(pán)部分的氣道先快速充氣，使得底盤(pán)部分和駕駛室相對(duì)位移遠(yuǎn)離，通過(guò)凹陷路面之后，迅速排氣，這樣，駕駛室和底盤(pán)相對(duì)位移就恢復(fù)到了原始狀態(tài)，來(lái)達(dá)到之前行駛的平衡狀態(tài)，如此循環(huán)來(lái)達(dá)到平衡狀態(tài)，實(shí)際上在工作過(guò)程中還有一些其他輔助機(jī)構(gòu)，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(nèi)部一般都集成安裝了阻尼器，通過(guò)調(diào)整阻尼器的阻尼值大小，外囊皮剛度等參數(shù)來(lái)匹配整車(chē)的狀態(tài)，剛度大小決定于氣囊外部囊皮的材料性能、厚度等，而內(nèi)部減震器阻尼大小可以根據(jù)整車(chē)的參數(shù)進(jìn)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(guān)系，圖2是某重型卡車(chē)駕駛室四點(diǎn)空氣懸浮簡(jiǎn)圖：

圖2 某重型卡車(chē)駕駛室四點(diǎn)空氣懸浮簡(jiǎn)圖

圖2 中前懸置通過(guò)全浮動(dòng)式擺臂連接車(chē)身縱梁，下通過(guò)氣囊與車(chē)架相連，既能滿(mǎn)足駕駛室前后左右的穩(wěn)定性，又不影響駕駛室的浮動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)減震功能。

2.2 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)[1]

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記錄，四點(diǎn)懸浮結(jié)構(gòu)前、后、左、右氣囊分布需滿(mǎn)足一定要求，否則會(huì)影響駕駛室的安全性、舒適性，設(shè)計(jì)要求如圖3示意：

圖3 設(shè)計(jì)要求示意圖

布置要求：

（1）前氣囊左右分布距離應(yīng)該大于駕駛室最寬距離的一半；

（2）前后氣囊之間的距離應(yīng)取最大值；

以上參數(shù)會(huì)直接影響側(cè)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(jié)果為前傾角；

a—駕駛室最低點(diǎn)位移；

b—駕駛室最高點(diǎn)位移；

α—傾角；傾角影響駕駛室的使舒適性和安全性。

通過(guò)以上公式可算出前傾角、側(cè)傾角。

2.3 氣囊參數(shù)匹配計(jì)算

下圖是前懸置氣囊匹配所需的參數(shù)表：

表1 前懸置氣囊匹配所需參數(shù)表

上述需求表中駕駛室重量可以用M表示，質(zhì)心距離翻轉(zhuǎn)軸X向距離Lx，Z向?yàn)長(zhǎng)z，其他非必要值可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。

2.4 空氣彈簧的優(yōu)點(diǎn)

氣囊根據(jù)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(jié)構(gòu)減震元件隨載荷變化的性能曲線圖對(duì)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(guī)則曲線，這種特性利于我們對(duì)它進(jìn)行合理的應(yīng)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(nèi)流動(dòng)，通過(guò)控制流通閥的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)阻尼力調(diào)節(jié)的，它的瞬時(shí)力和速度成正比，它的應(yīng)用領(lǐng)域較多，在減震部件上廣泛應(yīng)用，阻尼器是通過(guò)改變流體介質(zhì)的通道直徑大小來(lái)實(shí)現(xiàn)阻尼值的大小的；不同重量的駕駛室所匹配的阻尼器參數(shù)也不同，一般阻尼器參數(shù)定義在特定頻率下，特定的速度下所產(chǎn)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(shù)：

圖5 阻尼器簡(jiǎn)圖

表2 某重卡使用的前懸置氣囊阻尼器參數(shù)

上表中列舉了五組數(shù)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?yàn)樗恼饎?dòng)速度接近汽車(chē)日常使用工況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們以第四組為主要參照進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)設(shè)定，第四組的參數(shù)代表的是駕駛室在100km/h時(shí)，駕駛室的震動(dòng)速度大約是0.393m/s，每分鐘震動(dòng)300次的條件下設(shè)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(tài)下設(shè)定，因?yàn)椴煌?chē)型配置的調(diào)整會(huì)影響駕駛室原有的固定參數(shù)，通過(guò)計(jì)算確定的阻尼器數(shù)值知識(shí)第一步，之后會(huì)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證參數(shù)合理性[2]；

下面是針對(duì)某重型卡車(chē)氣囊減震進(jìn)行測(cè)試過(guò)程，首先進(jìn)行測(cè)試前的準(zhǔn)備工作，需要一臺(tái)被測(cè)試整車(chē)、加速度采集儀器，電腦記錄，具備定速行駛的路段，司機(jī)，協(xié)調(diào)人員等。

測(cè)試過(guò)程中為避免產(chǎn)生偶發(fā)現(xiàn)象，會(huì)選定不同路況分兩側(cè)測(cè)試，分別在50km/h、60km/h、80km/h 、90km/h等分別進(jìn)行采集一分鐘加速度信息，信號(hào)采集位置選在座椅坐盆，左、右、前、后懸置處等，選其中90km/h時(shí)懸置數(shù)據(jù)采集記錄如下：

表3 90km/h時(shí)懸置數(shù)據(jù)采集記錄

座椅信號(hào)采集之后采用加權(quán)加速度均方根形式記錄：

表4 座椅數(shù)據(jù)采集記錄

上表中，車(chē)輛在90千米/小時(shí)時(shí)，座椅坐墊加權(quán)加速度均方根值取值，乘以參考坐標(biāo)系數(shù)：X/Y軸加權(quán)系數(shù)為1.44,Z軸加權(quán)系數(shù)為1。評(píng)價(jià)結(jié)果參照下表：

表5 評(píng)價(jià)結(jié)果

綜上，加速度均方根值0.5294時(shí)，人體主觀感受處于第三檔，即有些不舒服，所以該車(chē)座椅位置舒適性一般，有提高的空間，后續(xù)通過(guò)優(yōu)化其他部位進(jìn)行優(yōu)化。

4 氣囊參數(shù)鎖定[3]

氣囊參數(shù)是由氣囊的剛度和阻尼器參數(shù)合成之后確定的最終量產(chǎn)車(chē)的氣囊參數(shù)，阻尼器的參數(shù)通常是先通過(guò)理論參數(shù)的計(jì)算初步選定數(shù)值，然后再通過(guò)一系列的評(píng)價(jià)、測(cè)試來(lái)完善，測(cè)試的環(huán)節(jié)通常是通過(guò)舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)來(lái)確定阻尼力參數(shù)的，目前國(guó)內(nèi)外都可以進(jìn)行舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，不同的使用工況其制定的參數(shù)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(jìn)行微調(diào)，經(jīng)過(guò)兩到三輪的調(diào)試評(píng)價(jià)即可確定最終氣囊參數(shù)；一般來(lái)說(shuō)物流車(chē)用氣囊懸架比較多，大部分工程車(chē)使用機(jī)械減震，使用常規(guī)彈簧減震，可靠性和使用壽命較長(zhǎng)，但其舒適性較一般。

5 評(píng)價(jià)方式[4]

舒適性評(píng)價(jià)分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)，主觀性試驗(yàn)通常需要準(zhǔn)備一臺(tái)配備氣囊減震懸置的整車(chē)，是由實(shí)驗(yàn)員和不同卡車(chē)司機(jī)共同完成，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)員會(huì)根據(jù)汽車(chē)行駛的路面對(duì)不同的司機(jī)進(jìn)行詢(xún)問(wèn)，填寫(xiě)提前準(zhǔn)備好的表格，根據(jù)打分項(xiàng)來(lái)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終根據(jù)分?jǐn)?shù)決定是否需要調(diào)節(jié)阻尼值，調(diào)整之后如有必要可在此重復(fù)做實(shí)驗(yàn)，直到最后得分符合預(yù)期。另一種客觀評(píng)價(jià)更真實(shí)一點(diǎn)，因?yàn)橹饔^評(píng)價(jià)會(huì)由人為因素干擾，不同的駕駛員主觀感受不同，影響最終結(jié)果，客觀性實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)員帶著采集設(shè)備安裝在車(chē)上，通過(guò)檢測(cè)不同路段駕駛室不同位置的瞬間加速度來(lái)判定的，之前對(duì)整車(chē)加速度信號(hào)已經(jīng)采集過(guò)，不再贅述?？陀^評(píng)價(jià)測(cè)試需要特殊的設(shè)備和場(chǎng)地時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)更加長(zhǎng)，所以一般主機(jī)廠通常進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)來(lái)獲得較好的減震器匹配參數(shù)，部分廠家進(jìn)行客觀實(shí)驗(yàn)之后修正，來(lái)達(dá)到最佳狀態(tài)。

針對(duì)目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的一些減震偏硬的現(xiàn)象，運(yùn)用以上空氣彈簧減震實(shí)驗(yàn)來(lái)調(diào)整、固化參數(shù)，首先需要掌握該車(chē)的基本信息，如駕駛室質(zhì)量M，駕駛室前軸旋轉(zhuǎn)點(diǎn)到質(zhì)心的X向距離Lx，駕駛室前軸到質(zhì)心的Z向距離Lz駕駛室的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息，用以上參數(shù)帶入相應(yīng)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(shí)駕駛室單側(cè)質(zhì)量分配取值；

K是氣囊的剛度值；

可得出氣囊匹配剛度參數(shù)，特定速度下的阻尼力參數(shù)，如某重卡最終算出氣囊剛度約為20N/mm左右，根據(jù)用途和不同車(chē)型再做細(xì)微調(diào)整，來(lái)提高舒適性。

6 結(jié)論

汽車(chē)舒適性是一套整體的系統(tǒng)，前懸減震只是其中一小部分，通過(guò)改善氣囊的阻尼值和剛度的匹配關(guān)系來(lái)提高舒適性，其改善的范圍是有限的。在懸架結(jié)構(gòu)中，半浮結(jié)構(gòu)和全浮結(jié)構(gòu)是比較常見(jiàn)的，全浮結(jié)構(gòu)的舒適性表現(xiàn)要更加優(yōu)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(chē)舒適性，必須結(jié)合其他減震系統(tǒng)，如座椅，板簧，輪胎等減震系統(tǒng)，那就需要控制更多的參數(shù)，需要更加綜合地來(lái)考慮，整車(chē)舒適性是一項(xiàng)艱巨而復(fù)雜的項(xiàng)目，在解決舒適性的同時(shí)，應(yīng)該綜合考慮噪聲、振動(dòng)等其他因素，否則其結(jié)果將會(huì)適得其反、顧此失彼。目前我國(guó)對(duì)商用車(chē)的舒適性要求越來(lái)越高，對(duì)商用車(chē)研發(fā)人員的綜合素質(zhì)要求也是越來(lái)越高，在今后的開(kāi)發(fā)工作中應(yīng)重點(diǎn)考慮駕乘舒適性