多轴双横臂独立悬架轮式车辆静态轴荷研究*

2014-07-24左振玉赵春霞郭晓燕

机械研究与应用 2014年4期

关键词：横臂轮式车体

左振玉,赵春霞,郭晓燕

(中国北方车辆研究所,北京 100072)

多轴双横臂独立悬架轮式车辆静态轴荷研究*

左振玉,赵春霞,郭晓燕

(中国北方车辆研究所,北京 100072)

多轴双横臂独立悬架轮式车辆属超静定结构，对其轴荷进行了研究，提出了获取轴荷的新方法。对车辆在水平路面上的静态轴荷进行理论推导，建立了相应的ADAMS仿真模型，并结合算例进行验证，结果显示该计算和仿真方法准确可靠。该方法考虑轮胎和悬架刚度的非线性、簧载质心偏移等对轴荷分配的影响，能够提高获取轴荷的精度。分析了轴距和簧载质心前后位置对轴荷的影响，以指导车辆设计。

多轴；双横臂；轮式车辆；轴荷；ADAMS

Abstract: Multi-axle wheeled vehicle with double wishbone independent suspensions is a statically indeterminate structure. The axle load is researched in this paper, and a new method is presented for getting the axle load. The static axle load is deduced when the vehicle is on the horizontal plane, the corresponding ADAMS simulation model is built and is verified them through an example. The results show that the calculation and simulation method is accurate and reliable. Considering the factors that influences axle load distribution, such as the non-linear stiffness of tires and suspensions and the center offset of sprung mass, this method can improve the accuracy of axle load data. It can be used for vehicle design through analyzing the influence of axle base and the center offset of sprung mass to the axle load.

Key words: multi-axle; double wishbone; wheeled vehicle; axle load; ADAMS

0 引言

随着经济发展和科技进步，多轴汽车市场需求不断增加，技术要求不断提高。民用车方面，专用汽车作为重要运输与作业装备，呈现重型化、多轴化发展趋势；军用车方面，重型多轴特种运输车辆常作为高精尖武器的安装平台[1]，多轴轮式装甲车辆集火力、机动和防护于一体，以满足现代化战争要求。

轴荷是汽车总体设计过程中的重要参数，其分配对轮胎寿命，汽车动力性、通过性和操纵稳定性等使用性能均有影响。多轴轮式车辆的轴荷问题属超静定问题。以往研究中，数学、仿真模型构建过程涉及到：是否视车体为刚体，悬架、轮胎等效刚度的处理，是否考虑悬架安装高度影响，是否考虑悬架刚度和轮胎刚度的非线性等。有研究考虑车体变形，采用悬架、轮胎串联等效刚度[2]；有研究应用位移法研究多轴汽车轮胎载荷，但在某些工况下忽略了悬架、轮胎变形对车体质心位置的影响[3]；有研究考虑了悬架安装高度的影响，指出因轮胎刚度和悬架刚度相差较大，将二者串联等效不可取，提出将簧上载荷和簧下载荷分开考虑[4]；有研究引入悬架变形关系，但忽略了轮胎变形及悬架安装高度的影响[5]。

以往研究中，常将车体视为刚体，但推导数学模型过程中违背该假设，即静平衡位置时车体长度大于车体实际长度，如图1所示，lcd>lab。对于双横臂独立悬架车辆，在车体前后倾斜时，悬架刚度和轮胎刚度不可串联等效。笔者严格按照车体为刚体的假设，分开考虑簧上载荷和簧下载荷，考虑悬架安装高度、轮胎和悬架变形对簧载质心偏移的影响，建立多轴轴荷数学模型，并借助ADAMS建立相应的考虑悬架刚度、轮胎刚度非线性实际的参数化仿真模型，结合算例进行验证，最后分析轴距和簧载质心前后位置对轴荷的影响。

1 数学模型推导

未承受载荷的多轴轮式车辆简化模型如图1所示。为简化问题，提出以下假设：

(1) 车体为刚体；

(2) 车辆左右对称；

(3) 各轴悬架的自由状态高度相同。

图1 多轴轮式车辆简化模型

图2 静平衡时，第i轴与第1轴的位置关系

列方程求解平衡状态下，垂向受力平衡，得式(1)；对第1轴接地点取矩，力矩平衡，得式(2)；据Ai、Bi、l0′物理意义，得式(3)～(5)；又根据轮胎与悬架的变形协调条件，列补充方程，得式(6)～(8)。

(1)

(2)

(3)

(4)

l0tanα+h0)sinα

(5)

li=(Bi-Si)/tan (α-βi)

(6)

li′=Ai/tanβi

(7)

(8)

变形协调方程符合第i轴高于、低于第1轴的情况，当第i轴与第1轴同高时，需要作适当转换，即令βi=0，且忽略式(7)，则有：

li=(Bi-Si)/tanα

(9)

li′=li/cosα

(10)

联立式(1)～(8)并整理得：

(11)

联立式(1)～(5)、式(9)～(10)并整理得：

(12)

式(11)、(12)均满足未知量数等于独立方程数，则方程可解。但求解的总轴荷往往与实际整车载荷间存在偏差，需要作适当修正：

(13)

当轮胎刚度和悬架刚度为非线性时，应有：

Ki=f1(Zi/Ki)

(14)

ki=f2((Zi-Wi)/cosα/ki)

(15)

将两式代入即可求解，因方程高度耦合，较难得到解析解，可以应用数值方法求解，利用MATLAB提供的fsolve()函数求解非线性方程组。

2 仿真模型构建

按照以上假设，并基于推导的数学模型，利用ADAMS软件建立相应的参数化仿真模型。模型中的part分为四种：簧载质量part-a、相对非簧载质量转动的part-b、非簧载质量part-B、相对ground平移的part-c。引入part-b以满足簧载质量相对非簧载质量的转动，引入part-c以满足非簧载质量相对ground的平移。添加的约束有：对簧载质量part-a添加Inplane副；part-a与part-b之间添加平移副；part-b与part-B之间添加球铰副；part-B与part-c之间添加平移副；part-c(前、后轴)与ground之间添加平移副；为消除过约束，在part-c(中间各轴)与ground之间添加圆柱副，而不采用平移副。为满足悬架刚度与轮胎刚度的非线性，可以基于悬架和轮胎试验数据的拟合曲线对其进行设定，ADAMS中提供了Spline()函数，另外可以对初始载荷进行设定，以达到悬架安装高度引起的初始状态时部分轴悬架受载的要求。构建的某4轴轮式车辆轴荷仿真模型如图3所示，经检验，该模型不存在过约束，如图4所示。

图3 轴荷仿真模型

图4 模型检验结果

3 验证与分析

3.1 模型验证

下面结合算例进行验证。所研究车辆的参数见表1，其中车辆的悬架安装高度相同，以ks(i)表示各轴所用螺旋弹簧刚度。

结合轮胎试验数据，利用Matlab二次拟合，辨识出轮胎半径与径向载荷之间的关系，如图5所示。各轴轮胎刚度采用左右两侧轮胎并联等效。

利用ADAMS建立某轴一侧的双横臂悬架模型，见图6,通过对Box-Part施加位移激励使悬架从自由状态开始运动，仿真得出悬架刚度特性。1、2轴单侧悬架特性如图7，同理可得3、4轴单侧悬架特性。可知，所用的使用固定刚度螺旋弹簧的双横臂悬架，其刚度具有非线性，且刚度随着位移激励的增大而减小。按照两侧悬架并联，得到所在轴的悬架刚度特性。

表1 多轴轮式车辆参数

图5 轮胎径向特性图6 双横臂悬架仿真模型

图7 悬架刚度特性

各轴悬架与轮胎刚度以Spline:F=f(defo)方式施加。因各轴悬架、轮胎阻尼仅影响由初始状态至平衡状态的快慢，对其进行合理假定。仿真结果显示，各轴轴距产生细微变化。将轴荷仿真结果与试验数据比较，见表2。

表2 结果比较

误差在可接受的范围内，由此可断定，该轴荷计算和仿真方法是可靠的，而且在计算双横臂独立悬架车辆的轴荷时，将悬架等效刚度与轮胎等效的刚度串联等效的确是不可取的。

仿真与试验存在误差的原因有：试验方面，轮荷测量装置存在系统误差，车辆在测量装置上的位置影响试验数据；仿真方面，所用参数与车辆实际参数存在偏差，未考虑车体的柔性，在获取悬架刚度特性时未考虑横臂的柔性等。

3.2 轴距与簧载质心前后位置对轴荷的影响

因建立的是参数化仿真模型，将车辆参数设定为设计变量，通过调整设计变量数值即可改变车辆模型，从而高效地研究车辆参数对轴荷的影响。因悬架刚度和轮胎刚度的非线性，难以通过调整设计变量数值得到与其对应的轴荷。车辆设计过程中，常使1～2轴轴距(L12)、3～4轴轴距(L34)相等，通过同时调整两轴距，得到与之对应的轴荷，二者关系如图8所示。可知，随着轴距增大，前两轴的轴荷减小，后两轴的轴荷增大，而且前两轴、后两轴的轴荷差均增大。