基于轴荷分配的6×2牵引车前桥悬架刚度匹配分析*

陈立炜　张瑞亮　范政武（.太原理工大学，太原03004；.江铃重型汽车有限公司，太原03003）



基于轴荷分配的6×2牵引车前桥悬架刚度匹配分析*

陈立炜1张瑞亮1范政武2
（1.太原理工大学，太原030024；2.江铃重型汽车有限公司，太原030032）

【摘要】针对双转向车辆一、二桥轴荷分配不均的问题，根据多轴车型的特点，运用Hypermesh建立钢板弹簧有限元模型并生成模态中性文件，利用ADAMS/View建立了某6×2双转向前桥牵引车刚柔耦合多体动力学模型，并通过轴荷计算值与实测值的比较验证了模型的可信性。分别在空载、中高载以及满载工况下对该车辆进行行驶仿真，通过轮胎受力分析轴荷变化，对一、二桥板簧悬架刚度进行匹配，兼顾乘坐舒适性得出最佳的参数匹配值，达到了优化轴荷分配的目的。

1　前言

近年来，我国公路运输业迅猛发展，多轴商用车得到了大规模普及，其中双转向前桥车型增长迅速，但目前国内外针对双转向前桥车型的相关研究比较欠缺。因其结构的特殊性，此类车型在使用过程中较易产生诸如轮胎异常磨损、转向盘抖动、轮胎摆振等问题［1］。其中轮胎异常磨损有多种原因，轴荷分配不合理是重要因素之一。

悬架系统对轴荷的分配起到关键作用。双前桥车型的悬架型式多为非平衡式，对于平衡式悬架车型可用传统的方法计算其轴荷，但对于非平衡式悬架车型由于影响因素多且复杂，使用传统的轴荷计算方法无法达到理想的精度［2］。如果轴荷分配不当，一、二桥轮胎则可能产生因所受载荷不均导致的异常磨损，使得车辆的维护成本升高并且影响用户的使用感受。针对这一问题，传统的解决方法需要对板簧参数进行多次调整及反复试制及试验，耗费大量时间及资金。本文运用多体动力学分析方法，通过ADAMS/View建立某6×2双转向前桥牵引车多体动力学模型，对不同工况下的车辆行驶状况进行仿真分析，并对转向桥悬架系统的刚度参数进行匹配，以实现一、二桥轮胎的载荷平衡，改善轮胎的磨损情况。通过综合对比得出了参数的最佳匹配值，基本解决了转向桥轴荷分配不均的问题。

2　车型结构分析及轴荷影响因素

针对目前市场上占有率较大的采用传统板簧悬架的车型进行分析。传统的单转向桥车辆后桥一般为平衡悬架结构，可视为2点支撑，轴荷计算较为简单。双转向前桥车辆的轴荷计算则较为复杂，为3点支撑。根据经验，双前桥车辆（如图1）的轴荷计算方法如下：

式中，m为车辆总质量；g为重力加速度；Fa=mag、Fb=mbg、Fc=mcg分别为各轴的地面法向反作用力；ma、mb、mc为各桥轴荷；La、Lb、Lc分别为一桥到二桥、一桥到质心及一桥到三桥的距离。

假设一、二轴轴荷平均分配，则Fa=Fb，联立两式即可求得Fa、Fb、Fc，从而可得各轴轴荷ma、mb、mc。

但是对于转向桥采用非平衡悬架的双转向前桥车辆，一、二桥轴荷无法平均分配，因而使用这种方法无法求解。

图1为双前桥牵引车结构简图，影响双转向前桥车辆3个支撑点所受载荷的主要因素有整车质心位置G，轴距L（包括转向桥间轴距L1及二、三桥间轴距L2），板簧夹紧刚度KA、KB、KC，各桥中心高度H1、H2、H3，轮胎刚度以及轮距等，任何一个参数的改变都会对各轮胎所受载荷产生影响［3］。空载状态下，车辆质心靠近车身前部；装载货物后，载荷集中于车架鞍座上，主要由后桥承载，此时二桥比一桥承受更多载荷；满载状态下，车辆后桥承受大部分载荷并且一、二桥的轴荷差值进一步增大。

图1　6×2双前桥牵引车结构

3　ADAMS模型的建立

3.1钢板弹簧模型的建立

传统的钢板弹簧由多片不等长、不等曲率的钢板叠合而成，既是悬架的弹性元件又是其导向装置。为了较真实地模拟钢板弹簧悬架的特性，采用模态中性法对其进行柔性化建模，即采用有限元分析方法计算钢板弹簧模态，然后将计算数据经过数据转换后生成ADAMS可读的模态中性文件（MNF）。

首先建立钢板弹簧的三维模型，由于多片簧间的接触力及摩擦力过于复杂，需要对模型进行简化，采用单片簧片代替整个板簧总成进行分析［4］。根据样车板簧悬架总成数据建立的单片簧片三维模型长度为1 430 mm，宽度为70 mm，弧高为120 mm，片厚为14 mm。完成建模后将其导入有限元分析软件Hypermesh中。首先进行几何处理，包括去倒角、修复、简化等。再进行网格化处理，为提高模型准确性，采用8节点6面体网格，在簧片厚度方向上进行4层划分，宽度方向上进行20层划分，划分结束后模型共包含53 025个节点、40 320个单元。最后在板簧与车架及车轴接触的位置建立刚性节点，最终得到如图2所示的板簧组件。

图2　板簧有限元模型

根据样车板簧悬架总成数据，板簧模型刚度为300 N/mm，在Hypermesh中设置板簧模型材料弹性模量E=1.216×106MPa，泊松比λ=0.3，完成属性卡片后赋予包含实体网格的板簧组件。最后通过Radioss求解器计算，生成板簧MNF文件。

3.2整车模型的建立

为提高仿真精度，在ADAMS/View中进行整车建模。根据样车参考数据，整车长、宽、高分别为6 790 mm、2 490 mm、3 160 mm，转向桥轴距为1 800 mm，二、三桥轴距为2 500 mm，前轮距为2 060 mm，后轮距为1 860 mm，整车质量为7 985 kg，最大总质量为22 000 kg。建立车架、车轴、减振器、板簧吊耳等组件，并施加相应约束。

将板簧MNF文件通过ADAMS的柔性体建模模块ADAMS/Flex导入模型中，调整板簧至车架及车轴对应位置，板簧通过旋转副与车架及吊耳连接，通过固定副与车轴连接，板簧柔性体模型即建立完成，如图3所示。

图3　板簧柔性体模型

后悬架系统采用ADAMS减振器组件建模，依据车型及板簧参考数据设定刚度为800 N/mm。考虑到干摩擦的存在，阻尼器阻尼值的设定有所提高，后桥悬架阻尼器阻尼为25 N·s/mm，一、二桥阻尼器阻尼为20 N·s/mm。为直观反映轮胎受力变化情况，采用ADAMS/View轮胎及路面模块建立轮胎模型，选取UA轮胎，根据原车型设置轮胎直径、质量等参数，路面选择2维平坦路面。最后通过固定质量块对整车施加载荷，包括驾驶室及鞍座。

部件之间通过约束建立连接，建立好的整车刚柔耦合模型如图4所示。最后进行自由度验证与静力校验，确保模型的静力平衡。

图4　整车动力学模型

4　模型验证与匹配分析

4.1模型验证

首先进行模型仿真运行，在后桥左、右轮胎各施加20 000 N·m扭矩，为提高仿真精度，仿真时间设置为10 s，分别对空载、中高载及满载工况进行仿真分析。在本文中，3种工况下鞍座处施加质量分别为500 kg、10 500 kg及15 500 kg。

考虑仿真步长对仿真结果可能的影响，采取步长0.01 s及0.1 s分别进行仿真，图5为满载工况下不同步长的仿真结果的片段，通过对比可以看出2组曲线基本重合，对仿真结果影响不大。由于较短步长需要较长的仿真时间且仿真失败率较高，综合考虑采用0.1 s步长进行仿真。

图5　不同步长对仿真结果的影响

整车模型在后轮扭矩作用下正向行驶。仿真完成后在ADAMS的后处理模块ADAMS/PostProcessor中输出一、二桥轮胎垂直方向受力，得到轮胎受力曲线图。

图6为一、二桥轮胎的受力曲线，由曲线可得各桥轴荷计算值；表1为模型轴荷计算值与实测值的对比，用以验证模型精度。

图6　初始轮胎受力曲线

表1　轴荷计算值与实测值对比

经比较，计算值与实测值存在一定的误差，这主要是由于簧载质量的质心拟和偏差、车架及轮胎变形、称重误差等原因所致，但误差范围在5%以下，能够满足工程设计中针对轴荷计算的精度需要，因而模型具有一定可信性，可以进行样车动态特性分析。

4.2双桥刚度匹配分析

由仿真过程可知，车辆空载、平稳行驶时，一桥轴荷较二桥大500 kg左右。这是由于驾驶室及动力总成布置在车身前部，使一桥更接近于质心的位置。中高载时载荷集中于鞍座位置，使整车质心后移，并且此时二桥比一桥更接近质心位置，二桥承受更大载荷。中高载时二桥轴荷较一桥大250 kg左右，满载时二桥轴荷较一桥大350 kg左右。因此当车辆长时间装载运行时就会导致二桥轮胎发生早磨现象，甚至过度磨损等异常磨损情况。

针对装载运行时二桥轴荷偏大的现象，对一、二桥板簧进行优化匹配。具体做法是在二桥板簧刚度不变情况下，逐渐提高一桥板簧刚度。依据原车参考数据，板簧刚度变化范围为±50 N/mm。为保证分析精度，一桥板簧刚度以5 N/mm的幅度逐渐增大。

对每一个刚度值的模型分别进行整车行驶仿真，得到一系列轮胎载荷曲线。通过与未进行参数匹配的初始状态（一桥板簧刚度KA=300 N/mm）对比可以看出，随着一桥板簧刚度的提高，装载运行时一、二桥轴荷差呈逐渐减小的趋势，并且相对于中高载工况，满载时轴荷差的减小更加显著，如图7所示。

图7　一、二桥载荷差值曲线

考虑到一桥悬架对平顺性（尤其是乘坐舒适性）的影响较为明显，因而一桥板簧的刚度在匹配时要尽可能小，并且根据原车型设计及售后相关数据的分析，要求将一、二桥轴荷差降低至初始状态的20%（中高载工况）及15%（满载工况）以下。通过从KA=305 N/mm到KA=350 N/mm进行的10次仿真得到的一系列轮胎受力曲线图得出，在一桥板簧刚度达到340 N/mm时已可达到匹配的要求，故将一桥板簧刚度上限定为340 N/mm。各个工况的匹配分析情况如下。

a.中高载工况分析结果

图8为中高载工况下不同一桥板簧刚度时的轮胎受力曲线，通过曲线显示的数据计算可得，中高载工况下，当一桥板簧悬架刚度提高到335 N/mm时，两桥轴荷差为58.8 kg，下降到初始状态的23.5%，当一桥板簧刚度为340 N/mm时，两桥轴荷差为34.6 kg，下降到初始状态的13.8%。

图8　中高载工况轮胎受力曲线

b.满载工况分析结果

图9为满载工况下一桥板簧不同刚度时的轮胎受力曲线，通过曲线显示的数据计算可得出满载工况下，当一桥板簧悬架刚度提高到335 N/mm时，两桥轴荷差为81.4 kg，下降到初始状态的24.5%，当一桥板簧刚度为340 N/mm时，两桥轴荷差为50.6 kg，下降到初始状态的15.2%。

c.空载工况分析结果

图10为空载工况下一桥板簧不同刚度时的轮胎受力曲线，当一桥刚度由320 N/mm提高到335 N/mm时，一桥轴荷由2 921 kg提高到2 980 kg，二桥轴荷由2 434 kg下降至2 392 kg。可以得出，空载工况下，改变一桥刚度对两桥载荷变化的影响不大，但是考虑到一桥对操纵稳定性以及乘坐舒适性的影响，在匹配时一桥刚度不宜过高。

同时以模型中车架最前端点垂向加速度作为平顺性的参考标准，图11为各工况及不同一桥板簧刚度条件下的加速度曲线片段，其中KA为一桥板簧刚度。

图9　满载工况轮胎受力曲线

图10　空载工况轮胎受力曲线

由曲线可得，随着载荷的增大，当一桥板簧刚度增大时，车架前端点的垂向加速度值呈增大趋势，并且随着载荷的增大而愈发显著。如图11所示的加速度曲线片段中当KA=335 N/m时，相比初始状态，空载、中高载及满载工况下车架前端点垂向加速度峰值的增幅分别为3%、8.6%和9.3%。当KA=340 N/mm时，相比初始状态，空载、中高载及满载工况下车架前端点垂向加速度峰值的增幅分别为3.4%、12.5%和20.5%，从乘坐舒适性方面考虑已产生了比较大的影响。参考原车型设计及售后的相关数据，这一增幅须控制在20%以下。

图11　不同条件下的车架端点加速度曲线

综合考虑，对于具体车型，可以依据用户的实际使用情况采用一桥板簧刚度在335～340 N/mm范围内进行调整的匹配方案，从而在兼顾乘坐舒适性的前提下改善因车辆一、二桥轴荷的分布不均而产生的轮胎异常磨损情况。

参考文献

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（责任编辑斛畔）

修改稿收到日期为2016年1月25日。

主题词：双前桥轴荷板簧刚度匹配

Match Analysis of 6×2 Tractor Front Axle Suspension Stiffness Based on Axle Load Distribution

Chen Liwei1，Zhang Ruiliang1，Fan Zhengwu2
（1.Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024；2.JMC Heavy Duty Vehicle Co.，Ltd.，Taiyuan 030032）

【Abstract】Uneven axle load distribution exists at the 1st and 2nd axle of double-steering vehicle.To solve this problem，a finite element model of leaf spring is built with Hypermesh and modal neutral file is generated，then a rigidflexible coupled multibody dynamics model of a 6×2 double-steering axle tractor is established with ADAMS/View，the dependability of this model is verified through the comparison between calculated axle load and the measured one.Driving simulation is performed in empty loaded-，mid-high loaded-and fully loaded conditions.By analyzing axle load variation through tire stress，and matching stiffness of the 1st and 2nd axle leaf spring suspension，and the optimal parameter matching values are obtained with fully consideration to ride comfort，therefore the optimization of axle load distribution is achieved.

Key words:Dual-axle，Axle load，Leaf spring，Stiffness，Match

中图分类号：U463.1

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）05-0006-05

*基金项目：太原理工大学校基金团队项目（2014TD033）。