某重型卡车全浮式驾驶室悬置系统设计

莫荣福，陈超，彭友余，李玉宝，刘望东

某重型卡车全浮式驾驶室悬置系统设计

莫荣福1，陈超2，彭友余2，李玉宝1，刘望东1

（1.北京北方凌云悬置系统科技有限公司湘潭分公司，湖南 湘潭 411100；2.中国北方车辆研究所，北京 100072）

结合整车对全浮式驾驶室悬置系统的总体要求，利用理论计算、动力学仿真、有限元分析等方法进行各种工况模拟以及悬置性能分析，确保悬置系统各方面满足设计要求。实际样车在不同路况、速度下验证了悬置系统隔振率、平顺性、可靠性满足设计要求。通过对设计过程的总结，形成了一套驾驶室悬置系统设计方法、明确了性能评价指标和相关试验要求。

全浮式驾驶室悬置系统；可靠性；隔振率；平顺性

前言

驾驶室悬置系统是重卡上连接驾驶室与车架的重要部件。其部件分为3类：（1）性能部件为弹性元件与减振元件。弹性元件主要起支撑作用，主要的类别有：橡胶垫（兼起减振作用）、钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧等。减振元件是指提供阻尼力并衰减振动的部件，主要为筒式减振器。（2）结构件种类较多，有铸造件、钣金件、销轴类零件、非金属件等。这类部件主要需要起承载和链接作用，要求在整车使用寿命中不能发生断裂和其他任何形式的破坏。（3）辅助部件，包括液压锁、油管、气管、电缆线等辅助部件。

驾驶室悬置的主要功能为：支承作用，承受驾驶室及乘员在静态或各个工况下的质量。引导作用，通过导向机构约束驾驶室的各方向运动。隔振作用，衰减路面不平激励等对驾驶室的振动和冲击。翻转作用，在举升缸作用时，通过集成在前悬置上的翻转机构实现驾驶室的翻转。

随着国内经济的发展以及道路条件的改善，长途物流业逐渐繁荣起来。由于行驶时间长，顾客对重型卡车舒适性和可靠性都提出了更高的要求。近年来，在长途物流中使用最多的牵引车中，全浮式驾驶室悬置系统成了标准配置，相对于半浮式驾驶室悬置，其对舒适性的提高已经过实践论证。本文论述的即为某重型卡车厂全浮式螺旋弹簧驾驶室悬置系统的设计。

1 驾驶室悬置系统总体指标

驾驶室悬置系统作为整车的重要组成部分，其各项性能指标的确定非常关键。其具体指标主要有八项：

（1）可靠性：结构件全寿命100万公里，易损件要求2年或20万公里（以先到为准）；

（2）平均首次故障里程（MTTF）：1.2万公里；

（3）侧倾刚度：≤2.5°/g（全浮），≤2.0°/g（半浮）；

（4）俯仰刚度：≤3.0°/g（全浮），≤2.5°/g（半浮）；

（5）翻转角度：70°；垂向频率：1.5～3.0Hz；

（6）环境工作温度：-35℃～80℃；

（7）垂直跳动量：前悬：65mm；（上/下：30mm/35mm）；后悬：60mm；（上/下：30 mm/30 mm）；

（8）依据GB/T 4970-2009《汽车平顺性试验方法》[1]通过减速带、高速路面、砂石路面三种路面在各速度下测试，均不能出现不舒适状态。

2 前后悬结构设计

根据总体边界条件以及悬置系统各方向跳动、翻转所需空间设计悬置系统具体结构。基本原则为结构可靠、轻量化、布置合理，且经过运动学校核能达到翻转角度要求。具体结果如图1、图2所示。

图1 前悬结构

图2 后悬结构

3 前后悬载荷分配与垂向频率计算

依据驾驶室质量、质心坐标、乘员位置、悬置布置位置等参数，计算出前后悬置载荷分配，并且根据经验选取前后悬置刚度参数后，得出驾驶室空载和乘坐两人状态下的垂直频率以及载荷分配，其中每人按80kg计算。

表1 驾驶室参数

如图3所示，根据系统坐标系及悬置布置位置，建立系统计算简图。如图4所示，考虑到驾驶室悬置左右两侧是沿汽车纵向中心平面对称布置，驾驶室质心也基本位于中心平面附近，可以近似简化为平面模型。前、后悬置支撑点均为铰接形式。

根据力和力矩平衡原理，建立力和力矩平衡公式，可得到空载状态下的前、后悬置上质量（kg）。

式中：M1为前悬分配质量；M2为后悬分配质量；M0为驾驶室质量。

满载状态下，增加两乘员重量即可，前后悬载荷分配同理可得。

图3 整车坐标系的定义与悬置布置位置

图4 驾驶室悬置系统载荷计算简图

根据类似结构，前悬选取减振器弹簧刚度为50N/mm，后悬选取刚度为38N/mm。根据固有频率的计算公式确定前、后悬置的刚度，固有频率的计算公式[2]：

式中：N为固有频率，Hz；K为悬置刚度，N/m；M为悬置质量，kg。

从前面的公式和参数，可以计算得到表2所示结果：

表2 驾驶室悬置系统质量、刚度、频率参数表

4 驾驶室与悬置系统性能仿真计算

根据驾驶室悬置系统的布置结构以及各项参数建立动力学仿真模型如图5所示，需进行如表3所示工况分析：

表3 驾驶室悬置系统仿真工况

动力学仿真模型输入主要参数为橡胶衬套刚度、稳定杆总成扭转刚度、弹簧刚度与减振器阻尼、限位行程、举升缸布置位置及其伸长量、驾驶室质量质心以及悬置系统具体布置硬点等。图6、图7为橡胶衬套各方向刚度参数，其中参数的坐标系与整车坐标一致。

图6 后橡胶衬套径向垂直刚度

通过动力学仿真分析主要需要得到以下参数：

侧倾刚度、俯仰刚度、驾驶室质心翻转轨迹、各零件不同工况所受载荷、各方向频率。

图7 后橡胶衬套径向水平刚度

以上数据的得出能综合判断驾驶室结合悬置系统的各项性能以及翻转功能实现情况。图8、图9为通过仿真分析得到的部分结果。

图8 翻转角度变化曲线

图9 驾驶室侧倾刚度曲线

通过图8分析，驾驶室翻转到55°～70°之间有一定冲击，但能翻转到70°。通过图9分析，驾驶室侧倾刚度为0.56°/g，满足侧倾要求。其余参数的分析不再详细列出，都可根据动力学仿真模型得到。

图10 前悬上支架冲击工况应力分析结果

通过动力学计算悬置系统的各项性能指标满足设计要求，之后需要进行各工况下零部件的受力情况进行分析，即将动力学仿真中获取的各工况下的载荷施加到单个零部件的连接进行有限元强度分析。表4为侧倾工况下分解到前悬各零部件的载荷。图10为冲击工况下前悬上支架有限元分析结果。通过对悬置结构件的有限元计算，零件满足各工况下的强度要求。

表4 侧倾工况下前悬各部件载荷

5 样车试验测试

样车制造出来后，需要进行可靠性和平顺性两方面的测试，图11～图12分别为悬置系统装在实车上示意。

图11 前悬整车装配图

图12 后悬整车装配图

可靠性试验在安徽定远试验场开展，累计完成30000km的实车验证，具体分配里程见表5。

表5 定远试验场可靠性试验里程分配表

定远试验场综合强化坏路面包括块石路、水泥平路、小鹅卵石路、搓板路、鱼鳞坑、异性坑、方坑、比利时路、短波路、长波路、颠簸路、跳动路、弯道、陡坡、扭曲路（小）、减速坎、铁道路口等，单程长6650m。

可靠性试验结论：

（1）整车行综合强化路21522km，高速环路8505km，相当于在普通公路行驶1012894km；

（2）在强化坏路499km时出现第一次可靠性故障，相当于普通公路23327km，因此MTTFF=23327km，符合任务书MTTFF ≥10000km的要求；

（3）平均故障间隔里程MTBF=S/r=21522/65=331.1km，其中S是强化路试验总里程，r是故障总数。换算成普通公路为15478km。符合总体指标MTBF≥12000km的要求；

所有出现的故障都需在下一轮中持续改进。

平顺性的测试主要是隔振率的测试与驾驶员座椅导轨处与座椅处的加速度测试；

隔振率测试路面为国道、坏路、高速路三种路面，测试状态为车辆大部分时候使用的满载状态。

图13 满载时隔振率测试结果

从图13分析可得，整车在高速公路行驶时各速度都基本达到60%左右的隔振率，符合要求。在普通路面达到40%左右的隔振率，符合要求。

平顺性的测试在襄樊试验场性能路段展开，满载时测试数据如表6：

表6 满载时平顺性测试数据

依据国标GB/T4970-2009对平顺性做出判断，座椅导轨处在50km/h及以下速度均处于没有不舒服，在60km/h、70km/h速度下均处于有些不舒服阶段。座椅椅面处于比较不舒服和不舒服之间，符合总体指标要求，若将弹性元件由螺簧改为气囊可进一步提高舒适性。

6 结论

本文结合具体的车型需求，完成结构设计、系统仿真、实车性能测试等工作。对驾驶室悬置系统进行了相关计算，各项性能达到总体指标要求。整车试验从可靠性和平顺性两方面都证明了悬置系统的相关性能达标。

[1] GB/T4970-2009.汽车平顺性试验方法[S].中国国家标准化管理委员会,2009.

[2] 刘方文.某重型卡车驾驶室悬置匹配分析[D].长春:吉林大学硕士学位论文,2004.

Design of the full-floating cab suspension on a heavy truck

Mo Rongfu1, Chen Chao2, Peng Youyu2, Li Yubao1, Liu Wangdong1

( 1.BeiJing North Lingyun Suspension System Technolgy Co., Ltd. Xiangtan Branch, Hunan Xiangtan 411100; 2.China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072 )

Based the general requirements from the truck's full-float cab suspension system, this paper simulates multiple working conditions and conducts all kinds of performance analysis through theoretical calculation, dynamic simulation and finite element analysis to guarantee such systems are qualified in all aspects. The vibration isolation ratio, ride comfort and reliability of suspending and mounting systems are tested by using practical sample vehicles under different working conditions and speeds to make sure every aspects are qualified. Finally, a set of design methods, various performance evaluation indicator and various tests index were built regarding cab suspension.

Full-floating cab suspension; Reliability; Vibration isolation ratio; Ride comfort

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.023

U469.2

A

1671-7988(2021)07-69-04

U469.2

A

1671-7988(2021)07-69-04

莫荣福（1986-），就职于北京北方凌云悬置系统科技有限公司湘潭分公司，主要从事车辆悬挂系统结构设计与仿真分析。