客车空气悬架的建模与K＆C特性分析

2015-12-14廖林清程美娥

重庆理工大学学报(自然科学) 2015年1期

廖林清，宋礼，陈兵，黎泽，程美娥

(1.重庆理工大学 a.汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室;b.车辆工程学院，重庆 400054;2.红岩方大悬架公司，重庆 400054)

近年来，空气悬架在客车中的应用比较广泛。相比传统的金属弹簧，空气弹簧因其优越的非线性刚度特性、高度可调等优点，在车辆减震领域得到越来越多的应用。空气弹簧的静扰度比钢板弹簧的静扰度大很多，因而可获得较低的振动频率，提高汽车的行驶平顺性。只要合理地选取设计参数，就可以做到:在满载载荷附近使用时，空气弹簧的弹性特性曲线平缓、变化小、刚度比较低;在冲击载荷作用下，弹性特性曲线又呈陡直状态变化。当刚度增大时，能减少悬架的变形量，既减小了悬架动扰度以及碰撞车架的概率，又改善了乘坐舒适性。

由于空气弹簧的单位质量储能比较大，所以空气弹簧本身的质量比较轻，簧下质量小。又因为气囊内空气介质的内摩擦小，工作时几乎没有噪声，对高频振动的吸收和隔声性能均良好，故使用空气弹簧可改善大客车的行驶平顺性，吸收路面冲击载荷，从而减少车身的振动和冲击，延长大客车车身的使用寿命。

悬架的K＆C特性是研究悬架的空间几何运动特性，研究在运动过程中力的作用下引起的构件变形和系统的参数变化，是整车运动特性研究的基础。为了满足客车对安全性和操纵稳定性的严格要求，悬架的K＆C特性分析和研究在汽车研发过程中非常重要。

该悬架系统的结构如图1所示。

图1 悬架系统结构

1 模型的建立

1.1 空气弹簧的刚度特性

空气弹簧是在一个封闭的容器中充入空气(气压为0.3～1 MPa)。这种弹簧的刚度可变，当作用在弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体被压缩，气压升高，弹簧的刚度增大;反之，当载荷减小时弹簧内的气压下降，刚度减小，有较理想的非线性弹性特性［1］。在相同的载荷作用下，空气弹簧的静扰度比板簧的静扰度大很多，因此可获得较低的振动频率，以提高汽车的行驶平顺性［2］。

在本悬架系统中，选用的是N系列某型空气弹簧，空气弹簧的性能设计指标参数见表1［3］。

表1 空气弹簧设计性能指标

根据空气弹簧使用手册，空气弹簧的高度与载荷对应关系如表2［3］所示。

表2 空气弹簧的高度与载荷对应关系

该车前轴载荷为6.5×103kg，选择0.8 MPa的气压，根据以上数据在Adams中进行弹簧非线性刚度的拟合，拟合的曲线如图2所示，其中横坐标表示空气弹簧的高度，纵坐标表示空气弹簧的载荷。2个弹簧同时作用时，单个弹簧的载荷为3.25×103kg，弹簧的刚度曲线符合要求。

图2 弹簧非线性刚度拟合曲线

1.2 导向杆的网格划分与柔性处理

由于空气弹簧只能承受轴向载荷，所以空气悬架不能像板簧悬架一样，既有导向作用，又能承受载荷作用。因此，空气悬架必须有导向杆。本悬架导向杆结构如图3所示。导向杆是空气悬架的关键零部件之一，它在承受纵向载荷的同时也承受横向载荷。因该零件在汽车行驶过程中受力情况比较复杂，故在仿真过程中应对该零件进行柔性处理，在整车中呈V字型布置，如图4所示。

图3 悬架导向杆结构

图4 V型推力杆

首先，利用有限元软件Patran＆Nastran进行网格划分，如图5所示，并生成模态MNF文件［4］。生成MNF时选用的材料参数如下:钢的弹性模量为2.06×105N/mm2，泊松比为0.3，密度为7.85×10-6kg/mm3。然后在 Adams中进行刚柔替换［5］。刚柔替换以后，模型更精确，再进行仿真，V型布置推力杆受力云图如图1所示。

图5 导向杆网格的划分

2 悬架的K＆C相关数据分析

悬架的K＆C特性分析基本方法是:让车轮平行跳动和反向跳动，车轮跳动引起悬架运动。

车轮平行跳动引起的悬架运动实际上是汽车行驶时遇到障碍物、路面不平、汽车加减速时车身纵倾等引起的悬架运动形式。车轮平行跳动引起的悬架性能参数的变化是分析悬架运动合理性的重要依据，这种分析较为全面地反映了悬架的运动特性。

车轮的反向轮跳主要是考察导向杆对车轮定位参数的影响，对转向轻便性的影响，考察悬架的侧倾刚度。在悬架仿真分析中，需要在车轮处对悬架模型施加能够反映悬架跳动的激励，根据车型的不同一般在50～200 mm范围内。本悬架跳动量为200 mm。

2.1 两侧车轮同向跳动

车轮同向跳动情况如图6所示，左右激励台同时、同向、同速运动。

图6 车轮同向跳动

2.1.1 轴距变化及模型验证

车轮跳动时轮心在车身纵向的位移会引起前后轴距的变化。同时在变化过程中，轮胎纵向位移导致轮胎磨损，会降低轮胎的使用寿命。

图7 悬架平面机构模型

由图7可见，上导向杆AD和下控制臂BC、车架AB和车桥DC在纵向平面内形成一个四连杆机构。车轮跳动时车桥C点相对于D点有一个相对的转动，因为该四连杆机构不是规则的平行四边机构(如图7所示)，所以CD不保持原有姿态平行上下移动［6］;CD绕起瞬时运动中心转动，这样轮心就会在车身纵向(垂直于车轴)存在位移。车轮纵向位移随车轮跳动的变化曲线如图8所示。

图8 车轮纵向位移-车轮跳动的变化曲线

台架实验和仿真曲线对比如图9所示。仿真和实际台架实验数据基本吻合，从而验证了模型的准确性。

图9 仿真与实际数据对比

2.1.2 轮胎受力情况

图10是对空气弹簧刚度的验证。在同向跳动过程中，非线性弹簧的载荷与位移的变化关系由轮胎的受力情况直接反映。横坐标表示轮胎跳动量，纵坐标表示轮胎的受力大小。

2.1.3 悬架侧倾中心

车身相对地面转动时的瞬时轴线称为车身侧倾轴线。该轴线通过车身在前后轴断面上的瞬时转动中心，这2个瞬时中心称为侧倾中心。侧倾中心是悬架导向杆系作用的横向约束力矩和纵向约束力矩点。

图10 左右轮胎受力-车轮跳动的变化曲线

本悬架系统是一个具有平行下控制臂的四连杆前悬架。这种几何布置的悬架是一种四连杆悬架的特例。在俯视图中，上连杆的虚拟作用点按通常的方法来确定，即V型杆的交点。由于下控制臂是平行的，虚拟作用点在无穷远处，故在图11的俯视图中，可以得到点B必然位于下控制臂延长线上中心线的无穷远处。这种悬架的侧倾轴线在侧视图中通过连接点A和B两点得到，必然是一条平行于下控制臂的直线。侧倾轴线与通过车轮接地点中心平面的交点为该悬架的侧倾中心，侧倾中心位置如图11的主视图所示。因而在这种悬架中，下控制臂的倾斜度影响着侧倾中心高度位置的变化。侧倾中心高度随轮胎跳动的变化关系如图12 所示［7］。

图11 悬架机构简图

2.1.4 主销后倾角

主销后倾角是主销在纵向平面(XOZ平面，垂直于前后车轴)内向后的一个倾角。转向轴向后倾斜，即上端的球形接头或安装点在下端球形接头后面时后倾角为正。主要影响转向稳定性及转向后方向盘的自动回正力(形成回正的力矩)。

主销后倾角太小，转向后方向盘自动回正力小;后倾角太大，易造成轮胎偏磨，同时过大的力反馈会引起转向沉重，使驾驶员过度疲劳，对行车安全不利。该悬架的主销后倾角随车轮跳动的变化关系如图13所示，变化范围在2°左右。

图12 侧倾中心高度-轮胎跳动的变化曲线

图13 主销后倾角-车轮跳动的变化曲线

2.1.5 前束角

前束角是在车辆俯视图(XOY平面)上车辆纵轴与车轮平面之间的夹角，当车轮前端向内倾时为正。其主要功能为降低轮胎磨损与滚动摩擦，保证车辆的直线行驶稳定性。前束角会影响汽车的操纵稳定性，转向会影响转向不足的趋势［8］。该悬架的前束角随车轮跳动的变化曲线如图14所示，变化范围在0.6°左右。

2.2 两侧车轮反向跳动

车轮反向跳动情况如图15所示。

2.2.1 悬架侧倾

图14 前束角-车轮跳动的变化曲线

图15 车轮反向跳动

在汽车的行驶过程中，当汽车的车身发生侧倾时，汽车行驶的平顺性、乘坐舒适性、操纵稳定性都受到一定程度的影响。汽车的操纵性能决定汽车高速行驶的安全性能，同时也给驾驶员的操纵带来不利的影响。侧倾时轮胎的受力情况会发生改变，两边轮胎的附着力会发生变化，会影响汽车的行驶稳定性。轮胎受力随侧倾角的变化曲线如图16 所示［9］。