空气弹簧对重卡平顺性影响研究

郝立峰

（安徽华菱汽车有限公司，马鞍山243061）

交通运输是发展国民经济的先行行业，而公路运输是交通运输业的主要形式和重要组成部分，承担着全国四分之三的货运量和13%左右的货运周转量。重型载货车—尤其是大吨位重型车，以其能耗低、省人工、运输成本低、经济效益好等优势，已经成为货物运输的主力军。随着我国国民经济的发展和生活水平的提高，人们对重型卡车的“档次”提出愈来愈高的要求，而不仅仅将其视为生产工具。我国重型载货汽车产品技术总的发展趋势是高档化、电子化、大吨位、环保化，重点在经济性、动力性、安全性、舒适性和可靠性等方面的技术水平将得到提高。高价、高档重型高端重卡汽车在国内销量的逐年增多即是最好的例证。国内多数重型汽车整车生产厂家日益注重重卡平顺性、操纵稳定性等整车性能的改进设计。为保证重卡具有良好的行驶平顺性，产品预测尤其重要。以往是先设计和试制出样车，对样车进行试验以评价其行驶平顺性，找出行驶平顺性存在的问题，探索产生问题的原因，对样车进行改进，然后再试制再试验，直至满意为止。这种做法设计周期长，浪费大量的人力、财力和物力，明显不能满足现代重卡产品更新换代的要求。重卡仿真技术恰好适应了这一要求，重卡行驶平顺性仿真研究不仅能够预测新产品的行驶平顺性状况，还可以优化各参数间的匹配关系，改善重卡行驶平顺性，缩短设计周期，降低设计成本［1］［2］。 重卡行驶平顺性仿真研究同样可以对已有重卡汽车产品的行驶平顺性进行评价，提出改进措施。由于重卡行驶平顺性仿真研究具有周期短，节省成本等特点，因而研究重卡汽车各部件对行驶平顺性的影响具有很大的指导意义。

1 重卡（满载）平顺性试验

1.1 试验数据分析

本次平顺性试验样车场地及仪器安装位置见图1、图 2。

本次平顺性试验样车车型采用华菱H08空气弹簧 （满载）悬架牵引车底盘。试验根据国标GB5902-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》建立典型路面。典型路面平顺性以三角形凸块作为脉冲输入，三角形凸块的大小按GB5902-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》定义，其底边长400 mm，高120mm。高端重卡汽车载荷均匀分布，在满载条件下以10～60 km/h的速度通过三角形凸块。在车厢底板中心处布置1个加速度传感器，得到相应位置的最大垂直加速度。高端重卡汽车驶过单凸块的平顺性，用最大（绝对值）加速度响应与车速的关系曲线即车速特征评价。

试验设备采用MDR记录仪、陀螺、座垫传感器、五轮仪。样车装载状态为满载（加载8块1.5 t混凝土块），整车总质量24 760 kg。试验场地在试验场内性能路面，为干燥、平坦而清洁的水泥混凝土路面，风速平均4.6m/s，大气温度平均10.6摄氏度。三角形凸块如图3所示:

测试车型总质量大于20 t；B按需要而定，但必须大于轮宽。

试验过程中，首先将加速度传感器安装在车厢底板中心，将凸块放置在试验道路中间，并按高端重卡汽车轮距调整好两个凸块间的距离。为保证高端重卡汽车左右车轮同时驶过两个凸块，应将两凸块放在与高端重卡汽车行驶方向垂直的一条线上。试验时，高端重卡汽车以规定的车速匀速驶过凸块。在高端重卡汽车通过凸块前50m应稳住车速，并用测速装置测量车速。当高端重卡汽车前轮接近凸块时开始记录，待高端重卡汽车驶过凸块并冲击响应消失后，停止记录。用三角形凸块作为脉冲输入，根据需要可作长坡形凸块试验，每种车速的试验次数不得少于8次［3］。得到试验数据结果见图4、图5。

当采用信号处理机进行数据处理时，要求采样时间间隔△t<0.005 s，本次试验的采样间隔为△t<0.002 s。最大的（绝对值）加速度响应Z¨max按下式计算

根据试验与仿真结果经过分析，统计列表如下：高端重卡汽车驶过单凸块的平顺性，用最大的（绝对值）加速度响应Z¨max与车速v的关系曲线即车速特性Z¨max-v评价。分析图5（质心Z向加速度值与车速关系曲线），试验车在质心处Z¨max的整体趋势是车速越高，值越小。根据驾驶员的主观评价，车速越高，振动越小。

脉冲路面下高端重卡汽车行驶平顺性评价指标采用的是最大振动加速度和车速特性曲线，即avmax特性曲线。从图2.5反映了同一个规律：并不是高端重卡汽车行驶速度越高其振动加速度就越大，而是到达某一值后反而随速度的增加而减小，这一点与试验得到的曲线规律吻合。由图中的数据可见，几种车速下高端重卡汽车驶过三角形凸块时，各测量点的最大加速度响应振幅值都不大。因此，该车在此脉冲输入下对驾驶员的健康没有任何危害。出现的垂直加速度峰值可能是由于路面振动频率与货厢固有频率相同达成共振造成的。根据驾驶员的主观评价，车速越高，振动越不明显。总的来讲空气弹簧配置的试验车在实际应用中其平顺性还是很优良的。

1.2 高端重卡动力学模型

按照车辆各部分作用不同和建模的方便将高端重卡分成以下几个模块，先建立模板，再由模板生成子系统，最后总装。具体见图6。

根据以上步骤，本文利用ADAMS建立了车辆系统的各子系统模型，并定义其相互间的约束关系，最后将各子系统按实际的空间位置及关系组装起来形成某商用车整车系统的虚拟动力学模型，在adams/car中制定材料和密度，就可以计算出质心位置和转动惯量，然后就可定义各部件之间的拓扑关系，以及建立输入输出信号器，为商用车行驶平顺性仿真研究工作打下了基础。有了各子系统就可以建立总成，本文根据需要建立重卡模型（如图 7）［4］［5］，为重卡行驶平顺性仿真研究工作打下了基础。

仿真根据国标GB5902-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》建立典型路面。典型路面平顺性以三角形凸块作为脉冲输入，三角形凸块的大小按GB5902-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》定义，其底边长400mm，高120mm。高端重卡汽车载荷均匀分布，在满载条件下以10~60 km/h的速度通过三角形凸块。在车厢底板中心仿真分析得到相应位置的最大垂直加速度。高端重卡汽车驶过单凸块的平顺性，用最大（绝对值）加速度响应与车速的关系曲线即车速特征来评价［6］［7］。整车装配模型建立以后，对整车进行脉冲平顺性仿真。仿真通过Adams/Car中的 File Driven Events（图 8）进行，需要定义DCF文件以及RDF路面文件。［6］DCF文件用于控制整车以某一恒定速度直线行驶，RDF路面文件定义路面中有长400mm、高120mm的三角形凸块。

重卡汽车驶过单凸块的平顺性，用最大的（绝对值）加速度响应Z¨max与车速v的关系曲线即车速特性Z¨max-v评价。图9为质心Z向加速度值与车速关系曲线。试验车在质心处Z¨max的整体趋势是车速越高，值越小。根据驾驶员的主观评价，车速越高，振动越小。

脉冲路面下高端重卡汽车行驶平顺性评价指标采用的是最大振动加速度和车速特性曲线，即a vmax特性曲线。从图10反映了同一个规律：并不是高端重卡汽车行驶速度越高其振动加速度就越大，而是到达某一值后反而随速度的增加而减小，由图中的数据可见，几种车速下高端重卡汽车驶过三角形凸块时，各测量点的最大加速度响应振幅都不大。因此，该车在此脉冲输入下对驾驶员的健康没有任何危害。

1.3 空气弹簧对高端重卡平顺性仿真与实验对比

将脉冲路面行驶平顺性仿真结果与实验数据进行了比较，其存在的误差原因有以下几点：最重要的一点就是模型的振源，在本模型中没有考虑发动机间歇做功的振动，也没有考虑动力系统扭振振动等；另外，实际实验中空气弹簧高度阀在车辆行驶过程中对空气弹簧的压力产生影响，本文中的空气弹簧模型并未对这一点进行考虑。未能得到橡胶衬套、橡胶块的性能曲线，建模中采用估算值。实车装配位置与模型硬点位置存在误差。试验中温度、风速等条件的影响都对仿真结果产生一定的影响。试验曲线较仿真曲线有些滞后，其原因为试验过程中地面信号传至传感器的时间差造成，但曲线整体上还是比较吻合的，可以看出仿真的可信度是可以的。此仿真手段可以有效的运用于其他高端重卡平顺性试验中，有效的指导实际试验，降低试验成本和避免试验数据因试验条件或人为原因造成大的偏差。

2 小结

本文采用华菱H08空气弹簧（满载）悬架牵引车底盘，根据国标GB5902-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》和GB5902-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》定义，在定远试验场进行了整车平顺性试验并对试验数据进行分析，在平顺性试验的基础上，结合多体动力学理论利用ADAMS软件建立整车动力学模型，对20~60km/h时速下对整车平顺性进行仿真，针对仿真结果与试验结果进行对比，分析两结果存在一定误差的原因，确定曲线整体上还是比较吻合的，仿真结果具有很好的可信度。因此，如果进行其他车型的平顺性试验前可以有效的采用仿真手段进行预测和指导实际试验过程，避免由于试验条件的限制造成整车平顺性试验数据的不充分或大的偏差。

［1］孙建成.车辆行驶平顺性的预测及研究［J］.汽车研究与开发，1998（1）.

［2］王秉刚.我国汽车平顺性试验研究工作概况及展望［J］.汽车工程，1989（6）.

［3］雅·姆·别符兹聂尔.于长林译.汽车振动的试验与研究［M］.机械工业出版社，1982.

［4］刘延柱，洪嘉振，杨海兴著.多刚体系统动力学［M］.北京:高等教育出版社，1989.

［5］孙万军，毛范海，万祖基.应用虚拟产品开发技术进行产品开发［J］.计算机辅助设计与制造，1999，（12）:15-17.

［6］魏孝斌，冷晟，王宁生.基于虚拟环境下的产品开发技术研究［J］.机械设计与制造，2002，3（6）:114-116.