基于后軸空氣懸架的貨車平順性比較研究＊

劉 霞 高夢起 何 杰 陳一鍇

（東南大學(xué)交通學(xué)院1） 南京 210096） （河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司2） 鄭州 450006）

國內(nèi)對車輛平順性的研究主要采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織公布的標(biāo)準(zhǔn)ISO2631－1：1997（E）《人體承受全身振動評價——第一部分：一般要求》或我國修訂的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 4970－1996《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》這2個標(biāo)準(zhǔn).主要以人體對振動的反應(yīng)為研究對象，采集座椅支撐面處3個方向（x，y，z）的加速度的曲線圖，以總的加權(quán)加速度均方根值為評價指標(biāo)，對車輛的平順性進行研究.在研究中有兩種路面輸入，分別為隨機路面輸入和脈沖路面輸入，分別代表車輛平順性的隨機工況和典型工況［1－4］.本文主要研究后軸空氣懸架對貨車行駛平順性的影響，以貨物振動強弱為參考研究對象，采用簡化的貨物質(zhì)心垂直方向（即y方向）的加速度均方根值為評價指標(biāo).考慮駕駛室距離后軸比較遠，后軸空氣懸架對其影響很小，將不予考慮.因為汽車行駛工況大多位于隨機路面，本文只考慮隨機輸入下的虛擬行駛試驗.

1 整車ADAMS建模

1.1 鋼板彈簧平衡懸架貨車建模

考慮建立整車虛擬樣車模型既要保證運動系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，又要對和主要研究目標(biāo)影響不大的因素進行適當(dāng)簡化，以提高仿真計算的速度［5］.本文以8×4雙軸轉(zhuǎn)向載重貨車為例，忽略影響關(guān)系不大的發(fā)動機等機構(gòu)，在ADAMS／View中建立包括車架系統(tǒng)、車身系統(tǒng)（含座椅）、前懸架系統(tǒng)、后懸架系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在內(nèi)的整車模型.

建模所需參數(shù)來自于CATIA實車模型，整車總質(zhì)量為30.905t，整備質(zhì)量為13.770t，車架寬度為860mm，后軸軸距為1 364mm.其中，后軸懸架采用的是鋼板彈簧非獨立懸架，如圖1所示.

圖1 鋼板彈簧懸架模型

1.2 后軸空氣懸架建模

保持上述貨車其他部分不變，只改變后軸懸架的型式，即去掉鋼板彈簧、減振器及其導(dǎo)向機構(gòu)，改裝上空氣彈簧、減振器及其導(dǎo)向機構(gòu).采用NEWAY AD－246重型串聯(lián)橋空氣懸架，懸架高度為254mm，空氣懸架全套總自重為433kg.對雙軸的承重范圍為46 000～52 000lb（即20 866～23 587kg），所需車架寬度為851～867mm，所需軸距為1 321～1 524mm，此空氣懸架與上述貨車質(zhì)量、尺寸相匹配，可以用作后軸懸架的替換.

1.2.1 空氣彈簧模型的建立 由該型空氣彈簧特性剛度曲線在ADAMS中進行擬合，可以建立空氣彈簧剛度的非線性樣條曲線.圖2為擬合出的空氣彈簧負(fù)載與變形關(guān)系的樣條曲線，該曲線的斜率即為空氣彈簧剛度.其中橫坐標(biāo)表示空氣彈簧的變形，坐標(biāo)原點表示工作時的平衡位置，正值表示彈簧受到拉伸，負(fù)值表示彈簧受到壓縮，縱坐標(biāo)表示彈簧所受的力［6］.

圖2 空氣彈簧的特性曲線

運用ADAMS中的Spline：F＝f（defo）（彈簧負(fù)載－變形曲線）來表達空氣彈簧的剛度曲線，具體做法是：在彈簧的Stiffness Coefficient欄的下拉菜單中選擇Spline：F＝f（defo），在后面的空白框中輸入前面建立的Spline的名稱，彈簧需要設(shè)定一定的預(yù)緊力為35.857kN，這是整車系統(tǒng)位于靜平衡狀態(tài)時彈簧所受的力.

1.2.2 減振器模型的建立 減振器是懸架系統(tǒng)的主要阻尼元件，與空氣彈簧并聯(lián)在車橋和車架之間，車輪與車架間的相對振動主要由減振器衰減.這里采用JR300型減振器，將減振器等效阻尼特性曲線在ADAMS中擬合，得到如圖3所示樣條曲線，該圖反映了阻尼力與活塞速度的關(guān)系.在減振器壓縮行程，阻尼力較??；在減振器伸張行程，阻尼力較大［7］.

圖3 減振器阻尼力－速度特性曲線

具體做法為：在減振器的Damping Coefficient欄的下拉菜單中選擇Spline：F＝f（velo），在后面的空白框中輸入前面建立的Spline的名稱，減振器無預(yù)緊力.

1.2.3 空氣懸架導(dǎo)向機構(gòu)的建立 空氣懸架的導(dǎo)向機構(gòu)采用串聯(lián)式單縱臂導(dǎo)向機構(gòu)，這種導(dǎo)向機構(gòu)專用于并裝雙軸上.在ADAMS／View中后軸空氣懸架的局部放大圖如圖4所示，因為在ADAMS中彈簧和減振器無質(zhì)量，所以調(diào)節(jié)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的質(zhì)量使其質(zhì)量等于433kg，與空氣懸架的全套總自重相符.

圖4 空氣懸架模型

2 仿真結(jié)果分析

本實驗中，設(shè)定上面所建立的車輛模型在C級砂石隨機路面上直線加速行駛［8］，分別比較平衡懸架與空氣懸架、不同車速、不同貨物質(zhì)量對車輛行駛平順性的影響，除平衡懸架與空氣懸架比較的一節(jié)，其余兩節(jié)都采用空氣懸架.以貨物質(zhì)心為測試點，在ADAMS中輸出貨物質(zhì)心垂向加速度的時域數(shù)據(jù)曲線圖，然后在ADAMS／postprocessing中對垂向加速度響應(yīng)進行傅立葉變換（FFT），選用Hamming窗函數(shù)，截斷頻率為fc＝50Hz，得到對應(yīng)的功率譜密度曲線，輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過matlab整理得到對比曲線圖［9］.最后，可直接從ADMSA／Postprossing中讀取垂向加速度的均方根值.

2.1 平衡懸架貨車與空氣懸架貨車比較

仿真條件：平均車速20m／s，貨物質(zhì)量為17.135t.

仿真結(jié)果：圖5為車輛的后軸分別采用鋼板彈簧平衡懸架和空氣懸架時，貨物質(zhì)心的垂向加速度對比曲線圖，圖中實線表示后軸為平衡懸架的貨車貨物質(zhì)心垂向加速度時域數(shù)據(jù)曲線，虛線表示后軸為空氣懸架的貨車貨物質(zhì)心垂向加速度時域數(shù)據(jù)曲線.經(jīng)過處理獲得功率譜密度曲線如圖6所示.

圖5 后軸為平橫懸架貨車與后軸為空氣懸架貨車貨物質(zhì)心垂向加速度對比曲線圖

圖6 后軸為平衡懸架貨車與后軸為空氣懸架貨車貨物質(zhì)心垂向加速度功率譜密度曲線圖

由圖5可以看出，后軸為空氣懸架的載貨汽車比后軸為平衡懸架的載貨汽車對貨物質(zhì)心的振動的影響要減小很多.同樣由圖6可以看出，后軸為空氣懸架貨車貨物質(zhì)心的振動頻率明顯比后軸為平橫懸架貨車要小，最大峰值也要小很多.貨物質(zhì)心垂向加速度的均方根值對比如表1所列.可以看出，裝了空氣懸架的貨車比裝平衡懸架的貨車貨物質(zhì)心垂向加速度的均方根值優(yōu)化了近48.32%.

表1 后軸為平衡懸架與后軸為空氣懸架貨車貨物質(zhì)心垂向加速度的均方根值對比

2.2 車速對平順性的影響

貨物質(zhì)量仍為17.135t，分別以平均車速為10m／s（36km／h），20m／s（72km／h）重復(fù)上面的試驗，得到加速度曲線如圖7所示，經(jīng)過處理得到加速度的功率譜密度曲線如圖8所示.

由圖7、圖8可以看出車速減小，貨物質(zhì)心的垂向加速度也相應(yīng)減小，貨物的振動頻率和峰值也有降低，從下面的貨物質(zhì)心的垂向加速度的均方根值的對比表2中可以看出速度減小了一半，均方根值減小了18.26%.

2.3 貨物質(zhì)量對平順性的影響

圖7 不同車速下的空氣懸架貨車貨物質(zhì)心垂向加速度曲線圖

圖8 不同車速下的空氣懸架貨車貨物質(zhì)心垂向加速度功率譜密度曲線圖

表2 不同車速下的空氣懸架貨車貨物質(zhì)心的垂向加速度的均方根值對比

保持貨車的平均車速為20m／s，改變貨物的質(zhì)量，從原本的17.135t增加50%到25.703t，重復(fù)上述試驗，得出貨物質(zhì)心加速度的曲線圖如圖9所示，經(jīng)過處理得出功率譜密度曲線如圖10所示.

從圖中可以看出隨著質(zhì)量的增加，貨物質(zhì)心的加速度也隨之增加，貨物的振動頻率和峰值也有所增加，從表3中可以清楚的看出質(zhì)量增加到原來的150%，加速度的均方根值增加了30.44%，可以看出質(zhì)量對行駛平順性有很大的影響.

圖9 不同貨物質(zhì)量下的空氣懸架貨車貨物質(zhì)心垂向加速度曲線圖

圖10 不同貨物質(zhì)量下的空氣懸架貨車貨物質(zhì)心垂向加速度功率譜密度曲線圖

表3 不同貨物質(zhì)量下的空氣懸架貨車垂向加速度的均方根值對比

3 結(jié) 論

1）本文所研究的貨車后軸由鋼板彈簧平衡懸架改裝為空氣懸架后，貨物質(zhì)心垂向加速度的均方根值減小了48.32%，對貨物振動的影響明顯減小，說明后軸安裝空氣懸架能夠明顯改善車輛的平順性.

2）車速減小到原來的一半，貨物質(zhì)心的垂向加速度均方根值減小18.26%；貨物質(zhì)量增加到原來的150%，貨物質(zhì)心的垂向加速度均方根值增加30.44%.說明車速和貨物質(zhì)量對車輛的平順性有很大的影響.

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