4×2牵引车空气气囊悬架结构及装配工艺分析及优化

李兆辉

摘 要：基于车辆平顺性和舒适性条件，优化设计重型牵引车悬架采用空气气囊悬架结构成为车辆设计部门重点研究的课题。研究以4×2牵引车悬架的基本结构及工作原理为依据，构建4×2牵引车悬架的数学和动力学模型，选择与该车辆匹配的空气气囊悬架。仿真结果表明，空气气囊悬架平顺性和舒适性随着阻尼系数的改变而变化，从而获得综合性能最佳的阻尼系数。

关键词：重型货车悬架；平顺性；舒适性；空气气囊悬架

中图分类号：U463.33 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.123

1 4×2牵引车悬架结构及工作原理

悬架结构是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称，其通过将路面作用在车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及所有反力造成的力矩传递到车架，从而实现汽车的正常行驶。牵引车作为专门或主要用于牵引挂车的汽车，其与挂车联接的主要方式包含以下2种：①牵引车利用后端的牵引鞍座搭接挂车前面一部分，挂车的部分质量由牵引车后面的车桥承受，即半挂；②牵引车的后段通过牵引连接装置连接挂车的前端，只为挂车提供行驶的拉力，即全挂。常见的悬架结构包含钢板弹簧导向机构（全长钢板弹簧并用式、钢板弹簧后端式）、双纵臂式导向机构、双横臂式导向机构、单纵臂式刀向机构。

空气悬架结构一般都是采用非独立悬架，囊式空气弹簧的上下端分别固定在车架和车桥上，空气弹簧与螺旋弹簧传递垂直力，推力杆传递纵向力、横向力。

2 4×2牵引车建模

2.1 数学模型

以前横向稳定杆模型的建立为例，由于在重型汽车中空气悬架结构的钢板弹簧、扭杆等会对整个系统的运动产生重要影响，特别是在平顺性仿真分析过程中需要考虑柔性体的影响。ADAMS软件分析主要是针对多刚体，但是与ANSYS软件结合需要考虑各种零部件的弹性特征。也就是说，经过ADAMS分析得到的结果可以为ANSYS分析提供人工难以确定的边界条件。在利用ANSYS进行模态分析的同时可以生成ADAMS使用的柔性体模态中性文件，再利用ADAMS接口将文件调入进ADAMS生成模型中的柔性体。通过利用模态叠加法计算其在动力学、运动学中的受力情况。优化设计的数学模型包含目标函数、设计变量和约束条件3部分。其中，平顺性评价指标包含车身加速度、悬架动形成和轮胎接地力。对目标函数进行优化时，需要考虑到驾驶员的舒适性、货物安全及整车平顺性，将引擎车和空气悬架系统的阻尼系数作为设计变量。

2.2 力学模型

牵引车主要由动力总成系统、驾驶室、前悬架系统等组成。利用ADAMS软件中的Car模块实现对前悬架、后悬架、车架、鞍座等的分析，然后完成一系列操作，建立一个动力学模型。以后悬架多体动力学模型为例，采用的空气悬架模式主要由空气弹簧、高度控制阀、导向钢板等组成，其中，导向钢板弹簧的建立使用有限元软件Hypermesh将导向钢板UG模型进行柔性化处理，将得到的结果转化为ADAMS可以识别的模态中性文件。

3 选定空气气囊悬架要点

钢板弹簧后端式这种悬架具有良好的减震效果，不仅能够发挥导向作用，还能够发挥一部分弹性元件的作用。而双纵臂式导向机构是在车桥的前、后、左、右安装4个空气弹簧，承受来自垂直方向的载荷，通过与横向稳定杆的相互配合从而提高整个汽车的侧倾刚度。这种方式结构型式简单，安装布置也简单，很多大客车就是采用这种悬架。双横臂式导向机构能够使车轮在跳动时定位参数的变化发生在合理的范围之内。单纵臂式导向机构能够起到有效降低纵倾力矩中心高度的效果，这对于提升车身抗侧倾能力有着重要意义。通过螺旋弹簧加减震器的方式将导向杆与车轴连接，对于延长使用寿命有着积极意义。在实际中，可根据不同的悬架型式特点选择不同的空气悬架。

4 对比不同型式悬架货车的优化效果

通过对不同形式的悬架货车进行优化，能够有效改善汽车的行驶平顺性。其具体原理是：因空气弹簧具有理想的非线性刚度特性，能够根据行驶道路状况和整车参数对空气弹簧的特性曲线进行优化设计，使得额定负载保持在最小的刚度值左右，这就得到较低悬架固有振动频率，从而达到改善汽车平顺性的效果。空气悬架刚度和阻尼都具有时变性和非线性，悬架参数的不同会引起不同的振动特性与振动效果，这对于提高车辆行驶平顺性有着积极意义。空气弹簧刚度呈现的是非线性，在工作状态下处于动态变化过程中，减震器阻尼可调节，能够与空气弹簧动态的刚度形成最佳匹配与优化，将空气悬架的最高性能发挥出来。

优化过后使用空气悬架的汽车在操作舒适性上更加明显，能够有效降低驾驶疲劳，这对于提高行驶安全性有着积极意义。

5 空气气囊悬架装配工艺分析及优化

考虑到空气悬架型式多、结构又复杂，加上在运动的过程中横向稳定杆与纵向推力杆的运动过程也十分复杂，通过利用软件建立悬架各个部分的实体买模型之后，利用软件中的轴约束、面约束、相对位置约束功能完成装配。

考虑到空气悬架在运行的过程中纵向推力杆和横向稳定杆需要对悬架的纵向与横向产生力的作用，所以保证了空气悬架运动的稳定性。

6 结论

本文对4×2牵引车空气气囊悬架结构及装配工艺进行了重点研究与分析，本身具有一定的实用性和研究性。本次研究是根据我国目前重型载货汽车空气悬架的现实需要，在分析4×2牵引车悬架结构及工作原理的基础上开始建模，以数学建模和力学建模展开，进行优化分析，最终目的就是希望能够为空气悬架结构的设计与开发提供有价值的理论基础。本次研究的不足之处在于需要对侧倾控制、纵倾控制2个方面进行深入研究。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕