基于商用车气囊减震系统的舒适性研究

王丽鹏，洪恺，肖何，宁方勇，姚景

（安徽华菱汽车有限公司，安徽 马鞍山 243061）

前言

目前国内外物流行业发展迅速，再加上国家对环保出台更加严格地要求，作为物流运输的主要工具之一，商用牵引卡车的需求也越来越多，物流车司机的要求也越来越高，那么舒适性的要求就自然越来越受重视。据统计，每年约有100万辆物流车进入市场，新进入市场的物流很多都是装配气囊座椅或者前后悬置气囊减震，至此，一些比较熟悉的名词：四点悬浮、空气悬架等应运而生。为了照顾长途车司机的驾驶体验，很多物流车配备四点空气悬浮系统，顾名思义，就是将悬架系统采用四点形式的浮动结构，从原先的机械结构的弹簧换成囊皮结构的空气弹簧，通过气阀控制进气量从而实现充放气，进而起到减震作用，从而提升整车舒适性。

1 舒适性评价指标

整车舒适性是一个比较泛的概念，每一个部件之间的配合都会影响整车的舒适性，本文主要评价前后悬置对舒适性的影响，完整的气囊减震包括空气弹簧、阻尼器、调节阀、及其他附属机构，只有将以上机构通过参数调整配合，最后实验验证之后才能达到最舒适行驶状态。

2 气囊减震系统工作原理

2.1 工作原理

气囊减震器是利用气体的可压缩性起弹簧作用，通过全浮或半浮结构配合空气弹簧，形成一套减震系统，来缓和发动机、路面等产生的震动激励。

图1 是某重卡前悬置总成简图：

图1 某重卡前悬置总成简图

图1 中驾驶室前悬置主要由气囊本体、上下支架、高度调节阀、悬置摇摆臂等组成，其工作原理是：汽车在遇到颠簸路面时，整车会存在上、下、左、右摇摆现象，当行车过程中遇到凸起路面时，车架部分会相应抬高，这时，为了保证驾驶室部分的平顺性，就需要气囊处于快速放气状态，使底盘部分跳动，而气囊以上的驾驶室保持平稳，经过凸起路面之后底盘部分需要回到原来位置，就需要给气囊快速充气，这样可避免驾驶室瞬间急动度过大引起的驾乘人员不舒服，这些动作都是由高度阀辅助完成的，驾驶室和底盘的相对位移会控制高度阀开启或者关闭气道；反之，当汽车行驶在凹陷路面时候，汽车底盘部分的气道先快速充气，使得底盘部分和驾驶室相对位移远离，通过凹陷路面之后，迅速排气，这样，驾驶室和底盘相对位移就恢复到了原始状态，来达到之前行驶的平衡状态，如此循环来达到平衡状态，实际上在工作过程中还有一些其他辅助机构，这就是空气弹簧的高明之处，空气弹簧，也叫气囊减震器，是气囊减震的重要组成部件，气囊减震器内部一般都集成安装了阻尼器，通过调整阻尼器的阻尼值大小，外囊皮刚度等参数来匹配整车的状态，刚度大小决定于气囊外部囊皮的材料性能、厚度等，而内部减震器阻尼大小可以根据整车的参数进行改变，一般阻尼器与驾驶室总成的重心位置，驾驶室的重量，驾驶室重心距离气囊支撑的X、Y、Z向的距离都有密切的关系，图2是某重型卡车驾驶室四点空气悬浮简图：

图2 某重型卡车驾驶室四点空气悬浮简图

图2 中前悬置通过全浮动式摆臂连接车身纵梁，下通过气囊与车架相连，既能满足驾驶室前后左右的稳定性，又不影响驾驶室的浮动，从而实现减震功能。

2.2 设计注意事项[1]

根据相关文献记录，四点悬浮结构前、后、左、右气囊分布需满足一定要求，否则会影响驾驶室的安全性、舒适性，设计要求如图3示意：

图3 设计要求示意图

布置要求：

（1）前气囊左右分布距离应该大于驾驶室最宽距离的一半；

（2）前后气囊之间的距离应取最大值；

以上参数会直接影响侧倾角和前倾角。

倾角由以下公式求出：

L—左右前气囊之间距离；前后气囊之间垂直距离替换之后结果为前倾角；

a—驾驶室最低点位移；

b—驾驶室最高点位移；

α—倾角；倾角影响驾驶室的使舒适性和安全性。

通过以上公式可算出前倾角、侧倾角。

2.3 气囊参数匹配计算

下图是前悬置气囊匹配所需的参数表：

表1 前悬置气囊匹配所需参数表

上述需求表中驾驶室重量可以用M表示，质心距离翻转轴X向距离Lx，Z向为Lz，其他非必要值可以根据经验取值。

2.4 空气弹簧的优点

气囊根据使用条件的不同分为钢板弹簧，膜式空气弹簧和囊式空气弹簧三种，可控制振幅，避免共振，防止破坏性冲击。

图4 是不同结构减震元件随载荷变化的性能曲线图对比：

图4 弹簧载荷-变形特性曲线

从图4中可以看到，囊式空气弹簧的变形随载荷增加为近似规则曲线，这种特性利于我们对它进行合理的应用。

3 阻尼器原理

阻尼器的工作原理是利用粘稠液体在不同的腔体内流动，通过控制流通阀的流量来实现阻尼力调节的，它的瞬时力和速度成正比，它的应用领域较多，在减震部件上广泛应用，阻尼器是通过改变流体介质的通道直径大小来实现阻尼值的大小的；不同重量的驾驶室所匹配的阻尼器参数也不同，一般阻尼器参数定义在特定频率下，特定的速度下所产生的拉伸力和压缩力，如下表所示某重卡使用的前悬置气囊阻尼器参数：

图5 阻尼器简图

表2 某重卡使用的前悬置气囊阻尼器参数

上表中列举了五组数值，前三组和最后一组都是在特定的条件下作为参照用的，第四组是比较常用的，因为它的震动速度接近汽车日常使用工况，根据经验，我们以第四组为主要参照进行详细参数设定，第四组的参数代表的是驾驶室在100km/h时，驾驶室的震动速度大约是0.393m/s，每分钟震动300次的条件下设定阻尼器压缩力是1440-1940N之间，拉伸力在380-560N之间，上述压缩力和拉伸力是在理想状态下设定，因为不同车型配置的调整会影响驾驶室原有的固定参数，通过计算确定的阻尼器数值知识第一步，之后会进行测试验证参数合理性[2]；

下面是针对某重型卡车气囊减震进行测试过程，首先进行测试前的准备工作，需要一台被测试整车、加速度采集仪器，电脑记录，具备定速行驶的路段，司机，协调人员等。

测试过程中为避免产生偶发现象，会选定不同路况分两侧测试，分别在50km/h、60km/h、80km/h 、90km/h等分别进行采集一分钟加速度信息，信号采集位置选在座椅坐盆，左、右、前、后悬置处等，选其中90km/h时悬置数据采集记录如下：

表3 90km/h时悬置数据采集记录

座椅信号采集之后采用加权加速度均方根形式记录：

表4 座椅数据采集记录

上表中，车辆在90千米/小时时，座椅坐垫加权加速度均方根值取值，乘以参考坐标系数：X/Y轴加权系数为1.44,Z轴加权系数为1。评价结果参照下表：

表5 评价结果

综上，加速度均方根值0.5294时，人体主观感受处于第三档，即有些不舒服，所以该车座椅位置舒适性一般，有提高的空间，后续通过优化其他部位进行优化。

4 气囊参数锁定[3]

气囊参数是由气囊的刚度和阻尼器参数合成之后确定的最终量产车的气囊参数，阻尼器的参数通常是先通过理论参数的计算初步选定数值，然后再通过一系列的评价、测试来完善，测试的环节通常是通过舒适性评价试验来确定阻尼力参数的，目前国内外都可以进行舒适性主观评价试验，不同的使用工况其制定的参数也有所不同，气囊的刚度一般由外囊皮材料性能决定，在加工制作之初确定刚度需求即可，后期也可进行微调，经过两到三轮的调试评价即可确定最终气囊参数；一般来说物流车用气囊悬架比较多，大部分工程车使用机械减震，使用常规弹簧减震，可靠性和使用寿命较长，但其舒适性较一般。

5 评价方式[4]

舒适性评价分为主观评价和客观评价，主观性试验通常需要准备一台配备气囊减震悬置的整车，是由实验员和不同卡车司机共同完成，在实验过程中实验员会根据汽车行驶的路面对不同的司机进行询问，填写提前准备好的表格，根据打分项来确定评价指标，最终根据分数决定是否需要调节阻尼值，调整之后如有必要可在此重复做实验，直到最后得分符合预期。另一种客观评价更真实一点，因为主观评价会由人为因素干扰，不同的驾驶员主观感受不同，影响最终结果，客观性实验是实验员带着采集设备安装在车上，通过检测不同路段驾驶室不同位置的瞬间加速度来判定的，之前对整车加速度信号已经采集过，不再赘述。客观评价测试需要特殊的设备和场地时间相对来说更加长，所以一般主机厂通常进行主观评价试验来获得较好的减震器匹配参数，部分厂家进行客观实验之后修正，来达到最佳状态。

针对目前市场上出现的一些减震偏硬的现象，运用以上空气弹簧减震实验来调整、固化参数，首先需要掌握该车的基本信息，如驾驶室质量M，驾驶室前轴旋转点到质心的X向距离Lx，驾驶室前轴到质心的Z向距离Lz驾驶室的转动惯量等信息，用以上参数带入相应的公式：

f是悬置固有频率，一般为1.5-2.5之间；

m是驾驶室半载时驾驶室单侧质量分配取值；

K是气囊的刚度值；

可得出气囊匹配刚度参数，特定速度下的阻尼力参数，如某重卡最终算出气囊刚度约为20N/mm左右，根据用途和不同车型再做细微调整，来提高舒适性。

6 结论

汽车舒适性是一套整体的系统，前悬减震只是其中一小部分，通过改善气囊的阻尼值和刚度的匹配关系来提高舒适性，其改善的范围是有限的。在悬架结构中，半浮结构和全浮结构是比较常见的，全浮结构的舒适性表现要更加优秀，所以市面上用的也是比较多的。如果要从根本上提升整车舒适性，必须结合其他减震系统，如座椅，板簧，轮胎等减震系统，那就需要控制更多的参数，需要更加综合地来考虑，整车舒适性是一项艰巨而复杂的项目，在解决舒适性的同时，应该综合考虑噪声、振动等其他因素，否则其结果将会适得其反、顾此失彼。目前我国对商用车的舒适性要求越来越高，对商用车研发人员的综合素质要求也是越来越高，在今后的开发工作中应重点考虑驾乘舒适性