空氣彈簧對(duì)重卡平順性影響研究

郝立峰

（安徽華菱汽車(chē)有限公司，馬鞍山243061）

交通運(yùn)輸是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的先行行業(yè)，而公路運(yùn)輸是交通運(yùn)輸業(yè)的主要形式和重要組成部分，承擔(dān)著全國(guó)四分之三的貨運(yùn)量和13%左右的貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量。重型載貨車(chē)—尤其是大噸位重型車(chē)，以其能耗低、省人工、運(yùn)輸成本低、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為貨物運(yùn)輸?shù)闹髁姟ｋS著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)重型卡車(chē)的“檔次”提出愈來(lái)愈高的要求，而不僅僅將其視為生產(chǎn)工具。我國(guó)重型載貨汽車(chē)產(chǎn)品技術(shù)總的發(fā)展趨勢(shì)是高檔化、電子化、大噸位、環(huán)保化，重點(diǎn)在經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、安全性、舒適性和可靠性等方面的技術(shù)水平將得到提高。高價(jià)、高檔重型高端重卡汽車(chē)在國(guó)內(nèi)銷(xiāo)量的逐年增多即是最好的例證。國(guó)內(nèi)多數(shù)重型汽車(chē)整車(chē)生產(chǎn)廠家日益注重重卡平順性、操縱穩(wěn)定性等整車(chē)性能的改進(jìn)設(shè)計(jì)。為保證重卡具有良好的行駛平順性，產(chǎn)品預(yù)測(cè)尤其重要。以往是先設(shè)計(jì)和試制出樣車(chē)，對(duì)樣車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)以評(píng)價(jià)其行駛平順性，找出行駛平順性存在的問(wèn)題，探索產(chǎn)生問(wèn)題的原因，對(duì)樣車(chē)進(jìn)行改進(jìn)，然后再試制再試驗(yàn)，直至滿意為止。這種做法設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，浪費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力，明顯不能滿足現(xiàn)代重卡產(chǎn)品更新?lián)Q代的要求。重卡仿真技術(shù)恰好適應(yīng)了這一要求，重卡行駛平順性仿真研究不僅能夠預(yù)測(cè)新產(chǎn)品的行駛平順性狀況，還可以?xún)?yōu)化各參數(shù)間的匹配關(guān)系，改善重卡行駛平順性，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本［1］［2］。 重卡行駛平順性仿真研究同樣可以對(duì)已有重卡汽車(chē)產(chǎn)品的行駛平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)措施。由于重卡行駛平順性仿真研究具有周期短，節(jié)省成本等特點(diǎn)，因而研究重卡汽車(chē)各部件對(duì)行駛平順性的影響具有很大的指導(dǎo)意義。

1 重卡（滿載）平順性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本次平順性試驗(yàn)樣車(chē)場(chǎng)地及儀器安裝位置見(jiàn)圖1、圖 2。

本次平順性試驗(yàn)樣車(chē)車(chē)型采用華菱H08空氣彈簧 （滿載）懸架牽引車(chē)底盤(pán)。試驗(yàn)根據(jù)國(guó)標(biāo)GB5902-86《汽車(chē)平順性脈沖輸入行駛試驗(yàn)方法》建立典型路面。典型路面平順性以三角形凸塊作為脈沖輸入，三角形凸塊的大小按GB5902-86《汽車(chē)平順性脈沖輸入行駛試驗(yàn)方法》定義，其底邊長(zhǎng)400 mm，高120mm。高端重卡汽車(chē)載荷均勻分布，在滿載條件下以10～60 km/h的速度通過(guò)三角形凸塊。在車(chē)廂底板中心處布置1個(gè)加速度傳感器，得到相應(yīng)位置的最大垂直加速度。高端重卡汽車(chē)駛過(guò)單凸塊的平順性，用最大（絕對(duì)值）加速度響應(yīng)與車(chē)速的關(guān)系曲線即車(chē)速特征評(píng)價(jià)。

試驗(yàn)設(shè)備采用MDR記錄儀、陀螺、座墊傳感器、五輪儀。樣車(chē)裝載狀態(tài)為滿載（加載8塊1.5 t混凝土塊），整車(chē)總質(zhì)量24 760 kg。試驗(yàn)場(chǎng)地在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)性能路面，為干燥、平坦而清潔的水泥混凝土路面，風(fēng)速平均4.6m/s，大氣溫度平均10.6攝氏度。三角形凸塊如圖3所示:

測(cè)試車(chē)型總質(zhì)量大于20 t；B按需要而定，但必須大于輪寬。

試驗(yàn)過(guò)程中，首先將加速度傳感器安裝在車(chē)廂底板中心，將凸塊放置在試驗(yàn)道路中間，并按高端重卡汽車(chē)輪距調(diào)整好兩個(gè)凸塊間的距離。為保證高端重卡汽車(chē)左右車(chē)輪同時(shí)駛過(guò)兩個(gè)凸塊，應(yīng)將兩凸塊放在與高端重卡汽車(chē)行駛方向垂直的一條線上。試驗(yàn)時(shí)，高端重卡汽車(chē)以規(guī)定的車(chē)速勻速駛過(guò)凸塊。在高端重卡汽車(chē)通過(guò)凸塊前50m應(yīng)穩(wěn)住車(chē)速，并用測(cè)速裝置測(cè)量車(chē)速。當(dāng)高端重卡汽車(chē)前輪接近凸塊時(shí)開(kāi)始記錄，待高端重卡汽車(chē)駛過(guò)凸塊并沖擊響應(yīng)消失后，停止記錄。用三角形凸塊作為脈沖輸入，根據(jù)需要可作長(zhǎng)坡形凸塊試驗(yàn)，每種車(chē)速的試驗(yàn)次數(shù)不得少于8次［3］。得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

當(dāng)采用信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，要求采樣時(shí)間間隔△t<0.005 s，本次試驗(yàn)的采樣間隔為△t<0.002 s。最大的（絕對(duì)值）加速度響應(yīng)Z¨max按下式計(jì)算

根據(jù)試驗(yàn)與仿真結(jié)果經(jīng)過(guò)分析，統(tǒng)計(jì)列表如下：高端重卡汽車(chē)駛過(guò)單凸塊的平順性，用最大的（絕對(duì)值）加速度響應(yīng)Z¨max與車(chē)速v的關(guān)系曲線即車(chē)速特性Z¨max-v評(píng)價(jià)。分析圖5（質(zhì)心Z向加速度值與車(chē)速關(guān)系曲線），試驗(yàn)車(chē)在質(zhì)心處Z¨max的整體趨勢(shì)是車(chē)速越高，值越小。根據(jù)駕駛員的主觀評(píng)價(jià)，車(chē)速越高，振動(dòng)越小。

脈沖路面下高端重卡汽車(chē)行駛平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)采用的是最大振動(dòng)加速度和車(chē)速特性曲線，即avmax特性曲線。從圖2.5反映了同一個(gè)規(guī)律：并不是高端重卡汽車(chē)行駛速度越高其振動(dòng)加速度就越大，而是到達(dá)某一值后反而隨速度的增加而減小，這一點(diǎn)與試驗(yàn)得到的曲線規(guī)律吻合。由圖中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，幾種車(chē)速下高端重卡汽車(chē)駛過(guò)三角形凸塊時(shí)，各測(cè)量點(diǎn)的最大加速度響應(yīng)振幅值都不大。因此，該車(chē)在此脈沖輸入下對(duì)駕駛員的健康沒(méi)有任何危害。出現(xiàn)的垂直加速度峰值可能是由于路面振動(dòng)頻率與貨廂固有頻率相同達(dá)成共振造成的。根據(jù)駕駛員的主觀評(píng)價(jià)，車(chē)速越高，振動(dòng)越不明顯?？偟膩?lái)講空氣彈簧配置的試驗(yàn)車(chē)在實(shí)際應(yīng)用中其平順性還是很優(yōu)良的。

1.2 高端重卡動(dòng)力學(xué)模型

按照車(chē)輛各部分作用不同和建模的方便將高端重卡分成以下幾個(gè)模塊，先建立模板，再由模板生成子系統(tǒng)，最后總裝。具體見(jiàn)圖6。

根據(jù)以上步驟，本文利用ADAMS建立了車(chē)輛系統(tǒng)的各子系統(tǒng)模型，并定義其相互間的約束關(guān)系，最后將各子系統(tǒng)按實(shí)際的空間位置及關(guān)系組裝起來(lái)形成某商用車(chē)整車(chē)系統(tǒng)的虛擬動(dòng)力學(xué)模型，在adams/car中制定材料和密度，就可以計(jì)算出質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，然后就可定義各部件之間的拓?fù)潢P(guān)系，以及建立輸入輸出信號(hào)器，為商用車(chē)行駛平順性仿真研究工作打下了基礎(chǔ)。有了各子系統(tǒng)就可以建立總成，本文根據(jù)需要建立重卡模型（如圖 7）［4］［5］，為重卡行駛平順性仿真研究工作打下了基礎(chǔ)。

仿真根據(jù)國(guó)標(biāo)GB5902-86《汽車(chē)平順性脈沖輸入行駛試驗(yàn)方法》建立典型路面。典型路面平順性以三角形凸塊作為脈沖輸入，三角形凸塊的大小按GB5902-86《汽車(chē)平順性脈沖輸入行駛試驗(yàn)方法》定義，其底邊長(zhǎng)400mm，高120mm。高端重卡汽車(chē)載荷均勻分布，在滿載條件下以10~60 km/h的速度通過(guò)三角形凸塊。在車(chē)廂底板中心仿真分析得到相應(yīng)位置的最大垂直加速度。高端重卡汽車(chē)駛過(guò)單凸塊的平順性，用最大（絕對(duì)值）加速度響應(yīng)與車(chē)速的關(guān)系曲線即車(chē)速特征來(lái)評(píng)價(jià)［6］［7］。整車(chē)裝配模型建立以后，對(duì)整車(chē)進(jìn)行脈沖平順性仿真。仿真通過(guò)Adams/Car中的 File Driven Events（圖 8）進(jìn)行，需要定義DCF文件以及RDF路面文件。［6］DCF文件用于控制整車(chē)以某一恒定速度直線行駛，RDF路面文件定義路面中有長(zhǎng)400mm、高120mm的三角形凸塊。

重卡汽車(chē)駛過(guò)單凸塊的平順性，用最大的（絕對(duì)值）加速度響應(yīng)Z¨max與車(chē)速v的關(guān)系曲線即車(chē)速特性Z¨max-v評(píng)價(jià)。圖9為質(zhì)心Z向加速度值與車(chē)速關(guān)系曲線。試驗(yàn)車(chē)在質(zhì)心處Z¨max的整體趨勢(shì)是車(chē)速越高，值越小。根據(jù)駕駛員的主觀評(píng)價(jià)，車(chē)速越高，振動(dòng)越小。

脈沖路面下高端重卡汽車(chē)行駛平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)采用的是最大振動(dòng)加速度和車(chē)速特性曲線，即a vmax特性曲線。從圖10反映了同一個(gè)規(guī)律：并不是高端重卡汽車(chē)行駛速度越高其振動(dòng)加速度就越大，而是到達(dá)某一值后反而隨速度的增加而減小，由圖中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，幾種車(chē)速下高端重卡汽車(chē)駛過(guò)三角形凸塊時(shí)，各測(cè)量點(diǎn)的最大加速度響應(yīng)振幅都不大。因此，該車(chē)在此脈沖輸入下對(duì)駕駛員的健康沒(méi)有任何危害。

1.3 空氣彈簧對(duì)高端重卡平順性仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

將脈沖路面行駛平順性仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，其存在的誤差原因有以下幾點(diǎn)：最重要的一點(diǎn)就是模型的振源，在本模型中沒(méi)有考慮發(fā)動(dòng)機(jī)間歇做功的振動(dòng)，也沒(méi)有考慮動(dòng)力系統(tǒng)扭振振動(dòng)等；另外，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中空氣彈簧高度閥在車(chē)輛行駛過(guò)程中對(duì)空氣彈簧的壓力產(chǎn)生影響，本文中的空氣彈簧模型并未對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行考慮。未能得到橡膠襯套、橡膠塊的性能曲線，建模中采用估算值。實(shí)車(chē)裝配位置與模型硬點(diǎn)位置存在誤差。試驗(yàn)中溫度、風(fēng)速等條件的影響都對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。試驗(yàn)曲線較仿真曲線有些滯后，其原因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中地面信號(hào)傳至傳感器的時(shí)間差造成，但曲線整體上還是比較吻合的，可以看出仿真的可信度是可以的。此仿真手段可以有效的運(yùn)用于其他高端重卡平順性試驗(yàn)中，有效的指導(dǎo)實(shí)際試驗(yàn)，降低試驗(yàn)成本和避免試驗(yàn)數(shù)據(jù)因試驗(yàn)條件或人為原因造成大的偏差。

2 小結(jié)

本文采用華菱H08空氣彈簧（滿載）懸架牽引車(chē)底盤(pán)，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB5902-86《汽車(chē)平順性脈沖輸入行駛試驗(yàn)方法》和GB5902-86《汽車(chē)平順性脈沖輸入行駛試驗(yàn)方法》定義，在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了整車(chē)平順性試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在平順性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)理論利用ADAMS軟件建立整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)20~60km/h時(shí)速下對(duì)整車(chē)平順性進(jìn)行仿真，針對(duì)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析兩結(jié)果存在一定誤差的原因，確定曲線整體上還是比較吻合的，仿真結(jié)果具有很好的可信度。因此，如果進(jìn)行其他車(chē)型的平順性試驗(yàn)前可以有效的采用仿真手段進(jìn)行預(yù)測(cè)和指導(dǎo)實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程，避免由于試驗(yàn)條件的限制造成整車(chē)平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不充分或大的偏差。

［1］孫建成.車(chē)輛行駛平順性的預(yù)測(cè)及研究［J］.汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā)，1998（1）.

［2］王秉剛.我國(guó)汽車(chē)平順性試驗(yàn)研究工作概況及展望［J］.汽車(chē)工程，1989（6）.

［3］雅·姆·別符茲聶爾.于長(zhǎng)林譯.汽車(chē)振動(dòng)的試驗(yàn)與研究［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［4］劉延柱，洪嘉振，楊海興著.多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1989.

［5］孫萬(wàn)軍，毛范海，萬(wàn)祖基.應(yīng)用虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，1999，（12）:15-17.

［6］魏孝斌，冷晟，王寧生.基于虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2002，3（6）:114-116.