基于操縱穩(wěn)定性的某客車空氣懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進*

蘇家竹趙野楊祥利袁劉凱王良模

（1.南京依維柯汽車有限公司；2.南京理工大學(xué)）

基于操縱穩(wěn)定性的某客車空氣懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進*

蘇家竹1趙野2楊祥利1袁劉凱1王良模2

（1.南京依維柯汽車有限公司；2.南京理工大學(xué)）

針對某空氣懸架客車在行駛轉(zhuǎn)向時車身側(cè)傾角過大問題，提出在后空氣懸架導(dǎo)向臂尾端添加車身側(cè)傾穩(wěn)定板的改進方案。對改進前、后空氣懸架系統(tǒng)進行了K&C分析，結(jié)果顯示改進后的懸架系統(tǒng)側(cè)傾剛度得到了有效提高。基于剛?cè)狁詈辖７椒?，建立了改進前、后整車多體動力學(xué)模型。仿真結(jié)果顯示改進后車輛穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)時車身側(cè)傾角明顯減小，不足轉(zhuǎn)向度也有所改善；整車試驗結(jié)果驗證了仿真結(jié)果的正確性和改進方案的可行性。

本文針對某客車后空氣懸架系統(tǒng)因側(cè)傾剛度偏低導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)時車身側(cè)傾角偏大問題，提出了在后空氣懸架結(jié)構(gòu)中加裝車身側(cè)傾穩(wěn)定板的改進方案?；贏DAMS/Car平臺建立了剛?cè)狁詈险嚩囿w動力學(xué)模型，根據(jù)國標(biāo)GB/T6323進行了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真分析，并通過整車試驗驗證了方案的正確性。

1 后懸架系統(tǒng)K&C仿真分析與改進

在對某客車進行操縱穩(wěn)定性試驗時發(fā)現(xiàn)車身側(cè)傾角過大，尤其是在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗中，懸架側(cè)傾剛度偏低，同時不足轉(zhuǎn)向度較差。

通常情況下安裝橫向穩(wěn)定桿可以提升懸架的側(cè)傾剛度，且主動橫向穩(wěn)定桿可以同時提升整車操縱穩(wěn)定性和平順性[2]。但是由于該客車后空氣懸架結(jié)構(gòu)布置空間的限制，安裝橫向穩(wěn)定桿會帶來較多部件的改動，從而產(chǎn)生較大的成本。針對此問題，提出了在后空氣懸架左、右導(dǎo)向臂之間加裝車身側(cè)傾穩(wěn)定板（圖1中零件6）的改進措施，在一定程度上提升了懸架側(cè)傾剛度，并對后空氣懸架系統(tǒng)進行了K&C仿真分析驗證。

文中所研究的空氣懸架系統(tǒng)采用導(dǎo)向臂式結(jié)構(gòu)，如圖1a所示，其中零件6即為改進方案中所加裝的車身側(cè)傾穩(wěn)定板。由后軸傳遞來的載荷經(jīng)過導(dǎo)向臂傳遞給車架和4個氣囊，導(dǎo)向臂承載的載荷較大，會發(fā)生相對較大的彈性變形。文中采用柔性體建模方式，結(jié)合剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)建模方法建立了改進前、后的后空氣懸架總成多體動力學(xué)模型，如圖1b所示。

空氣彈簧的靜態(tài)特性曲線描述了彈簧載荷與初始?xì)鈮汉蛷椈蓧嚎s量的關(guān)系，基于試驗數(shù)據(jù)擬合的彈簧特性曲線可以更完整、準(zhǔn)確地反映彈簧性能，直接利用其參與仿真計算是更合理的選擇[4,5]。在AD?AMS/Car中根據(jù)氣囊特性曲線可以方便地建立簡化的空氣彈簧模型[6]。經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)的擬合，文中空氣懸架前、后氣囊靜態(tài)特性曲線如圖2所示。

通過懸架K&C仿真與分析可以得到有無車身側(cè)傾穩(wěn)定板情況下懸架側(cè)傾剛度的差異如圖3所示?？芍?dāng)反向車輪跳動（即對應(yīng)車身側(cè)傾角）逐漸增大時，無車身側(cè)傾穩(wěn)定板的懸架側(cè)傾剛度逐漸減小，不利于抑制轉(zhuǎn)向工況下的車身側(cè)傾，而加裝車身側(cè)傾穩(wěn)定板的懸架側(cè)傾剛度相對無車身側(cè)傾穩(wěn)定板狀態(tài)較大，且隨車輪反向跳動呈增大趨勢，可以有效抑制車身側(cè)傾。

2 剛?cè)狁詈险嚩囿w動力學(xué)模型

基于剛?cè)狁詈辖７椒ㄔ贏DAMS/Car中建立整車多體動力學(xué)模型，依據(jù)國標(biāo)GB/T6323進行了操縱穩(wěn)定性試驗。

2.1 柔性部件的建立

對于實際工況中變形較大的零部件，采用柔性體建模會得到更加符合實際的仿真計算結(jié)果[7]。文中對車架和空氣懸架導(dǎo)向機構(gòu)進行了柔性化處理，在Hyperworks中進行前處理與網(wǎng)格劃分，由Nastran求解器求解。其中導(dǎo)向機構(gòu)和車架的前5階模態(tài)振型如圖4所示。導(dǎo)向機構(gòu)（左右對稱）前5階振型性質(zhì)分別為垂向1階彎曲（94.08 Hz）、橫向1階彎曲（132.96 Hz）、垂向2階彎曲（170.70 Hz）、垂向3階彎曲（413.83 Hz）和1階扭轉(zhuǎn)（尾部氣囊支座扭轉(zhuǎn)，481.46 Hz）；車架前5階振型性質(zhì)分別為1階扭轉(zhuǎn)、垂向1階彎曲、橫向1階彎曲、橫向2階彎曲。取前20階模態(tài)進行柔性體的建立。

表1列出了車架前5階模態(tài)計算值與試驗值，二者頻率基本吻合，驗證了車架柔性體模型的準(zhǔn)確性及柔性體建模方法的正確性。

表1 車架柔性體模型仿真主要參數(shù) Hz

2.2 整車模型的建立

基于ADAMS/Car平臺建立整車多體動力學(xué)模型，整車主要仿真參數(shù)如表2所示。

表2 整車多體動力學(xué)模型仿真主要參數(shù)

前懸架采用縱向扭桿彈簧式雙橫臂獨立懸架，其中，扭桿彈簧用非線性梁模擬，鑒于輪胎模型對整車操縱穩(wěn)定性有重要作用[10]，文中采用了PAC2002型輪胎?；趧?cè)狁詈辖７椒ń⒌恼嚩囿w動力學(xué)模型包括輪胎模型、縱向臂式扭桿彈簧前懸架、前懸架橫向穩(wěn)定桿、導(dǎo)向臂式空氣彈簧后懸架、底盤與車身、發(fā)動機以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如圖5所示。

3 仿真結(jié)果分析與整車試驗驗證

3.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真與結(jié)果分析

基于圖5中的整車多體動力學(xué)模型，依據(jù)國標(biāo)GB/T6323進行操縱穩(wěn)定性仿真分析，包括穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向回正、轉(zhuǎn)向角階躍、轉(zhuǎn)向角脈沖、轉(zhuǎn)向輕便性和蛇形仿真等。因?qū)嶋H情況中穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況下車身側(cè)傾度最大，受懸架側(cè)傾剛度影響較大，所以文中僅對整車的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能進行了計分評價與分析。

根據(jù)國標(biāo)GB/T6323，對有、無車身側(cè)傾穩(wěn)定板兩種情況分別進行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真分析，由仿真結(jié)果可以得到車身側(cè)傾角隨時間的變化關(guān)系如圖6所示。相對于原懸架結(jié)構(gòu)，在有車身側(cè)傾穩(wěn)定板的情況下，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)時車身側(cè)傾角明顯減小，驗證了改進方案的有效性。

根據(jù)國標(biāo)QCT480對仿真結(jié)果進行計分，其中，中性轉(zhuǎn)向點的側(cè)向加速度an的評價計分值按式（1）計算（大于100時按100分計）：

不足轉(zhuǎn)向度U按前、后橋側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度關(guān)系曲線上側(cè)向加速度值為2 m/s2處的平均斜率計算，評價計分值按式（2）計算：

式中，NU為不足轉(zhuǎn)向度的評價計分值；U為不足轉(zhuǎn)向度的試驗值；U60為不足轉(zhuǎn)向度的下限值，取1.2（°）·s2/m；U100為不足轉(zhuǎn)向度的上限值，取0.5（°）·s2/m；λ是根據(jù)U60和U100比值計算的系數(shù)，

車廂側(cè)傾度KΦ按車廂側(cè)傾角與側(cè)向加速度關(guān)系曲線上側(cè)向加速度值為2 m/s2處的平均斜率計算，評價計分值按式（3）計算：

式中，NΦ為車廂側(cè)傾度的評價計分值；KΦ60為車廂側(cè)傾度的下限值，取1.2（°）·s2/m；KΦ100為車廂側(cè)傾度的上限值，取0.7（°）·s2/m；KΦ為車廂側(cè)傾度的試驗值。

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真計算的評分結(jié)果如表3所示。由表3可見，加裝車身側(cè)傾穩(wěn)定板后車身側(cè)傾度的表征值有所降低，車身側(cè)傾問題得到改善；同時不足轉(zhuǎn)向性能也得到改善，原因之一在于當(dāng)車身發(fā)生側(cè)傾時，該空氣懸架系統(tǒng)的左、右導(dǎo)向臂將分別繞著其與車架的連接吊耳轉(zhuǎn)動，受壓較多的一側(cè)車輪向后相對位移較大（圖7），從而使后軸繞垂直方向有一個橫擺角，這個橫擺角將增加車輛的過度轉(zhuǎn)向；當(dāng)懸架側(cè)傾剛度增大時，在同樣的側(cè)向加速度下車身側(cè)傾角減小，車身側(cè)傾引起的后軸繞垂直方向轉(zhuǎn)動（即后軸橫擺角）減小，從而不足轉(zhuǎn)向性能得到改善。

表3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真結(jié)果評分

3.2 整車試驗與結(jié)果分析

為了驗證仿真結(jié)果正確性，確定改進方案的可行性，在定遠(yuǎn)試驗場進行了整車操縱穩(wěn)定性試驗。試驗前對儀器設(shè)備進行了預(yù)熱，同時以一定的側(cè)向加速度行駛一段時間以對輪胎進行預(yù)熱。

依據(jù)國標(biāo)分別對有、無車身側(cè)傾穩(wěn)定板時整車進行了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗和相應(yīng)的計分與評價。圖8對比了原車狀態(tài)下的整車試驗結(jié)果與仿真結(jié)果，可見仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，驗證了仿真結(jié)果的正確性。

對左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)分別進行了幾次試驗，對明顯偏離其他組的數(shù)據(jù)進行舍棄，得到改進前、后穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)部分整車試驗結(jié)果如表4所示。其中，R0為初始轉(zhuǎn)彎半徑，R為某時刻轉(zhuǎn)彎半徑。由試驗結(jié)果可見，在左轉(zhuǎn)側(cè)向加速度為2.0 m/s2時，有、無車身側(cè)傾穩(wěn)定板情況下前后軸側(cè)偏角差值分別為1.05°和0.76°（右轉(zhuǎn)分別為1.19°和0.76°），即有車身側(cè)傾穩(wěn)定板時不足轉(zhuǎn)向性能較好；有、無車身側(cè)傾穩(wěn)定板情況下車身側(cè)傾角分別為1.63°和1.96°（右轉(zhuǎn)分別為1.71°和2.13°），即有車身側(cè)傾穩(wěn)定板時車身側(cè)傾角較小，懸架的抗側(cè)傾性能較好。

根據(jù)國標(biāo)對改進前、后整車操縱穩(wěn)定性試驗結(jié)果進行計分評價，整車試驗的計分評價結(jié)果如表5所示，可知相對于無車身側(cè)傾穩(wěn)定板，改進后穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能的綜合計分值提高。

表4 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)部分試驗結(jié)果

表5 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗結(jié)果評分

4 結(jié)束語

a. 采用剛?cè)狁詈辖７椒ń⒌恼嚩囿w動力學(xué)模型可以更加真實地反映整車的運動狀態(tài)，提高了仿真模型精度和結(jié)果可靠性。

b.基于整車操縱穩(wěn)定性對某輕型客車后懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行改進并與原車進行了對比分析，仿真計算與整車試驗結(jié)果都驗證了改進方案對車身側(cè)傾具有改善作用，提高了該車的操縱穩(wěn)定性。

c. 所提出的結(jié)構(gòu)改進措施可以降低車身側(cè)傾角并提高不足轉(zhuǎn)向性能，對于類似結(jié)構(gòu)的空氣懸架系統(tǒng)布置具有一定的借鑒性。

1. 郭二生.空氣懸架大客車操縱穩(wěn)定性和行駛平順性仿真與試驗研究：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2005.

2 P.H.Cronje,P.S.Els.Improving off-road vehicle handling using an active anti-roll bar.Journal of Terramechanics, 2010（47）:179～189.

3 崔曉利.車輛電子控制空氣懸架理論與關(guān)鍵技術(shù)研究：[學(xué)位論文].長沙:中南大學(xué),2011.

4 陳燎,周孔亢,李仲興.空氣彈簧動態(tài)特性擬合及空氣懸架變剛度計算分析.機械工程學(xué)報,2010,46（4）:93～98.

5 王家勝,朱思洪.基于ADAMS客車空氣懸架振動特性仿真研究.機械設(shè)計，2010,27（10）:35～38.

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10 Hans B.Pacejka.Tire and Vehicle Dynamics（Third Edi?tion）.Butterworth-Heinemann,2012:1～58.

11 宋宇,陳無畏,陳黎卿.基于ADAMS與Matlab的車輛穩(wěn)定性控制聯(lián)合仿真研究.機械工程學(xué)報,2011,47（16）: 86～92.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2014年11月1日。

The Structure Improvement of A Bus Air-suspension System Based on Handling Stability

Su Jiazhu1,Zhao Ye2,Yang Xiangli1,Yuan Liukai1,Wang Liangmo2
（1.NAVECO Automobile Co.,Ltd;2.Nanjing University of Science&Technology）

To address the problem of excessive body roll angle of a bus with air suspension in turning,an improvement is proposed to add a body roll stability cross board at the end of the guiding arm of the air suspension.The K&C analysis is made to both the original and the improved structure,the results show that the roll stiffness of the modified suspension has been effectively improved.The multi-body dynamic model of the vehicle is established based on the rigid-flexible coupling method for both the original and the improved structure.The simulation results show that the roll angle of the body is reduced significantly and the degree of understeer is also improved in steady state cornering. Vehicle test results verify accuracy of the simulation results and feasibility of the improvement plan.

Bus,Handling stability,Air suspension,Structure improvement

客車 操縱穩(wěn)定性 空氣懸架 結(jié)構(gòu)改進

U461.6

A

1000-3703（2015）01-0013-05

江蘇省產(chǎn)學(xué)研合作項目，南京市產(chǎn)學(xué)研合作項目（編號201306011）。