重型商用車平衡懸架性能研究及分析平臺(tái)構(gòu)建

趙雷雷 李勝 黃德惠 宋乃華 王娜 李棟

（一汽解放青島汽車有限公司）

重型商用車平衡懸架性能研究及分析平臺(tái)構(gòu)建

趙雷雷 李勝 黃德惠 宋乃華 王娜 李棟

（一汽解放青島汽車有限公司）

針對(duì)重型商用車鋼板彈簧平衡懸架分析困難、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的問(wèn)題，利用多體動(dòng)力學(xué)方法建立了鋼板彈簧平衡懸架動(dòng)力學(xué)模型；利用優(yōu)化軟件Isight集成Adams軟件和Matlab軟件，調(diào)用word軟件直接生成研究報(bào)告，從而構(gòu)建了鋼板彈簧平衡懸架分析平臺(tái)。通過(guò)實(shí)例分析與試驗(yàn)驗(yàn)證表明，所建立的鋼板彈簧平衡懸架模型是正確的，所開(kāi)發(fā)的分析平臺(tái)高效可靠，可實(shí)現(xiàn)對(duì)重型商用車鋼板彈簧平衡懸架的快速開(kāi)發(fā)和匹配。

1 前言

目前，在重型商用車懸架系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用的依然是鋼板彈簧平衡懸架。由于鋼板彈簧平衡懸架的空間幾何關(guān)系復(fù)雜，對(duì)其模型化及參數(shù)分析困難，導(dǎo)致不能對(duì)其關(guān)鍵力學(xué)性能進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析和預(yù)測(cè)，致使鋼板彈簧平衡懸架設(shè)計(jì)和匹配中易存在問(wèn)題，因而在其使用過(guò)程中出現(xiàn)諸多故障[1]，而這些故障會(huì)降低鋼板彈簧平衡懸架的性能，限制整車性能的提高。

由相關(guān)資料可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者僅針對(duì)平衡懸架某一或某幾個(gè)性能進(jìn)行了研究[2～8]，且大多是根據(jù)鋼板彈簧平衡懸架實(shí)際結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的平順性分析方法進(jìn)行等效簡(jiǎn)化[9～11]。但這種分析方法降低了設(shè)計(jì)及分析結(jié)果的精度，因此必須尋求一種快速、高效的研究方法，建立鋼板彈簧平衡懸架開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以便在整車研制階段就能全面掌握和預(yù)測(cè)其設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能影響的規(guī)律，從而改善車輛穩(wěn)定性、提高安全性和乘坐舒適性。

本文根據(jù)鋼板彈簧平衡懸架的特點(diǎn)，利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論及相應(yīng)軟件建立其動(dòng)力學(xué)模型，利用軟件Isight為基礎(chǔ)平臺(tái)并集成Adams軟件和Matlab軟件對(duì)懸架性能進(jìn)行研究，構(gòu)建適用于重型商用車鋼板彈簧平衡懸架的分析和設(shè)計(jì)平臺(tái)。

2 鋼板彈簧平衡懸架物理模型

鋼板彈簧平衡懸架以鋼板彈簧為彈性元件，具有較強(qiáng)的承載能力和良好的通過(guò)性，在重型商用車上得到了廣泛應(yīng)用。某鋼板彈簧平衡懸架物理模型如圖1所示，主要由車架、鋼板彈簧、平衡軸總成、V型推力桿（前V型推力桿和后V型推力桿）、直推力桿（共4支）、中橋、后橋等組成。

3 鋼板彈簧平衡懸架建模

3.1 鋼板彈簧平衡懸架模型構(gòu)建

根據(jù)鋼板彈簧平衡懸架CAD模型建立如圖2所示坐標(biāo)系；利用Adams構(gòu)建鋼板彈簧平衡懸架多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。其中，整體坐標(biāo)系（xyz）原點(diǎn)o位于車架上平面橫梁中心，x軸正方向?yàn)閼壹芸v向平面內(nèi)由中橋指向后橋，z軸正方向垂直車架上平面向上，y軸正方向根據(jù)右手定則確定。在桿系球頭位置處均建立局部坐標(biāo)系。

鋼板彈簧平衡懸架多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基本信息如表1所列。該動(dòng)力學(xué)模型主要包括車架子系統(tǒng)、懸架子系統(tǒng)、中橋及后橋子系統(tǒng)、軸間傳動(dòng)軸子系統(tǒng)、四立柱試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)子系統(tǒng)等6個(gè)子系統(tǒng)，具有127個(gè)自由度。在該動(dòng)力學(xué)模型中，采用單片鋼板彈簧等效代替多片鋼板彈簧；在鋼板彈簧與中、后橋上的左、右鋼板彈簧支座之間，利用AdamsView中的接觸Contact（Solid to Solid）建立了4個(gè)約束連接；在車架與中、后橋之間，利用AdamsCar中的Bumpstop建立了4個(gè)限位塊；在桿系球頭位置除建立運(yùn)動(dòng)副之外，利用Bushing共建立14個(gè)橡膠襯套。輪胎為11.00-20型，綜合考慮模型的準(zhǔn)確度和參數(shù)的可獲取性，選用適用于平順性分析的UA輪胎模型建模。模型中懸架的幾何參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量依據(jù)CAD模型獲取；力學(xué)參數(shù)如橡膠剛度特性曲線、鋼板彈簧彈簧剛度特性等參數(shù)均采用實(shí)測(cè)參數(shù)值及廠商提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 模型基本信息

3.2 路譜輸入

由于Adams/Car中自帶的四立柱試驗(yàn)臺(tái)不便于對(duì)平衡懸架進(jìn)行靜力學(xué)分析，故在該研究中構(gòu)建了能夠?qū)ζ胶鈶壹芸焖龠M(jìn)行靜力學(xué)分析的試驗(yàn)臺(tái)，在該試驗(yàn)臺(tái)上可以施加各種路譜激勵(lì)。為模擬商用車通常行駛路況中的真實(shí)行駛振動(dòng)情況，路面輸入采用GB7031—86標(biāo)準(zhǔn)路譜等級(jí)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB7031—86《車輛振動(dòng)輸入―路面平度表示方法》，路面不平度位移功率譜密度擬合式為：

式中，n為空間頻率；n0=0.1 m-1為參考頻率；Gd（n0）為路面不平度系數(shù)；w為頻率指數(shù)。

采用諧波疊加法生成隨機(jī)不平度路面，并導(dǎo)入Adams中，步驟如下。

a.將路面不平度位移功率譜密度的空間頻率區(qū)間（n1，n2）劃分為N個(gè)，每小區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)差為，其中，nmid-i是第i（i=1，2，3…N）個(gè)區(qū)間的中心頻率；Δni為第i個(gè)區(qū)間的頻率間隔。

b.路面不平度空間頻域第i個(gè)小區(qū)間相應(yīng)的時(shí)域?yàn)?，其中，θi為[0， 2π]上均勻分布的隨機(jī)數(shù)。

c.時(shí)域下路面不平度可以表達(dá)為每個(gè)三角函數(shù)的疊加：

d.按照路面不平度等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，采用MAT?LAB計(jì)算出相應(yīng)的A、B、C、D等4級(jí)路面不平度。

e.將MATLAB生成的4級(jí)路面不平度數(shù)據(jù)導(dǎo)入Adams中。如，在Adams中生成的D級(jí)路譜如圖4所示，在整車行駛振動(dòng)仿真時(shí)，可直接調(diào)用x隨y的變化曲線，從而提供路面激勵(lì)輸入。

4 鋼板彈簧平衡懸架分析平臺(tái)開(kāi)發(fā)

鋼板彈簧平衡懸架系統(tǒng)零部件繁多，利用模型仿真計(jì)算時(shí)迭代次數(shù)多、數(shù)據(jù)規(guī)模大。僅利用Adams軟件可針對(duì)某一需求工況對(duì)鋼板彈簧平衡懸架進(jìn)行分析，但對(duì)于多工況、多需求任務(wù)的分析及設(shè)計(jì)結(jié)果的提取較困難和繁瑣，分析和設(shè)計(jì)效率低。為此，必須利用虛擬試驗(yàn)技術(shù)，借助于集成軟件提供基礎(chǔ)平臺(tái)，構(gòu)建鋼板彈簧平衡懸架開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

4.1 鋼板彈簧平衡懸架分析平臺(tái)功能

4.1.1 靜力學(xué)分析

鋼板彈簧平衡懸架靜力學(xué)分析是通過(guò)分析懸架在空載、半載及滿載狀態(tài)下的各項(xiàng)性能指標(biāo)，從而全面掌握懸架的靜力學(xué)特性。如，對(duì)中后橋轉(zhuǎn)角的分析可為轉(zhuǎn)動(dòng)軸的布置提供參考和依據(jù)；對(duì)各部件模態(tài)頻率的分析便于設(shè)計(jì)者全面掌握懸架的偏頻，合理布置懸架的頻率分布，從而提高舒適性；對(duì)軸距變化的分析可為解決輪胎過(guò)度磨損問(wèn)題提供數(shù)據(jù)支持。

4.1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

鋼板彈簧平衡懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是通過(guò)分析懸架在單輪跳動(dòng)工況、俯仰運(yùn)動(dòng)工況、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)工況及對(duì)扭運(yùn)動(dòng)工況下相應(yīng)指標(biāo)的變化，確定平衡懸架機(jī)構(gòu)的空間幾何參數(shù)及其變化規(guī)律。

4.1.3 動(dòng)力學(xué)分析

鋼板彈簧平衡懸架動(dòng)力學(xué)分析是通過(guò)分析懸架在不同載荷（空載、半載和滿載）、不同路面（A級(jí)～D級(jí)）和不同車速（40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h），共48種組合工況下各項(xiàng)性能指標(biāo)的變化，從而為改善懸架性能提供依據(jù)。如，通過(guò)對(duì)不同工況下限位塊撞擊幾率的分析，可為限位塊提供設(shè)計(jì)依據(jù)，使得限位塊充分發(fā)揮在惡劣路況下的防撞功能并避免過(guò)早損壞；通過(guò)對(duì)輪荷變化的分析可獲得車輪相對(duì)動(dòng)載數(shù)據(jù)，便于評(píng)價(jià)和提高懸架的安全性；通過(guò)對(duì)車架振動(dòng)加速度的分析，使設(shè)計(jì)人員全面掌握設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)舒適性影響的規(guī)律，以進(jìn)一步提高整車舒適性能；通過(guò)對(duì)不同工況下橡膠襯套的受力和變形分析，可實(shí)現(xiàn)橡膠襯套剛度、強(qiáng)度與不同車型的懸架的合理匹配，避免過(guò)早磨損；通過(guò)對(duì)組合工況下各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的分析，可為如何選用平衡軸鑄造一體式結(jié)構(gòu)、分開(kāi)式結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，便于實(shí)現(xiàn)不同車型對(duì)平衡軸結(jié)構(gòu)的合理匹配。

4.2 鋼板彈簧平衡懸架分析平臺(tái)構(gòu)建

素質(zhì)教育更注重對(duì)學(xué)生綜合水平的培養(yǎng)，這種培養(yǎng)可以讓學(xué)生更好地適應(yīng)這個(gè)社會(huì)。在這個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，教學(xué)的多樣性引導(dǎo)應(yīng)該被體現(xiàn)出來(lái)。音樂(lè)是一種能很快讓學(xué)生產(chǎn)生情感共鳴的一門(mén)藝術(shù)，且學(xué)生對(duì)音樂(lè)具備一定的喜愛(ài)性。在進(jìn)行初中音樂(lè)課程教學(xué)的過(guò)程中，應(yīng)充分發(fā)揮這種喜愛(ài)性，并做到對(duì)學(xué)生的適當(dāng)引導(dǎo)教學(xué)，幫助學(xué)生進(jìn)行全面的發(fā)展，全面助力素質(zhì)教育的推進(jìn)。

以多學(xué)科/多目標(biāo)優(yōu)化軟件Isigh為基礎(chǔ)平臺(tái)來(lái)構(gòu)建鋼板彈簧平衡懸架分析平臺(tái)，如圖6所示，其執(zhí)行流程如圖7所示，可以滿足圖5所示的所有功能需求。

該分析平臺(tái)共包含7個(gè)模塊，按照?qǐng)?zhí)行順序依次為：

a.利用其驅(qū)動(dòng)欄中的Task模塊建立鋼板彈簧平衡懸架總分析任務(wù)單元（Susp analyses）；

b.利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊DOE的試驗(yàn)功能，按順序分配鋼板彈簧平衡懸架分析的每一項(xiàng)任務(wù)；

c.利用Activities欄中的Matlab模塊建立參數(shù)修改單元（Modify Paras），負(fù)責(zé)執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)的參數(shù)修改；

d.利用通用集成模塊Simcode建立鋼板彈簧平衡懸架多體動(dòng)力學(xué)模型求解模塊（Runsolver），從而調(diào)用采用Adams/car軟件所建立的鋼板彈簧平衡懸架多體動(dòng)力學(xué)模型，并利用Adams軟件的標(biāo)準(zhǔn)求解器進(jìn)行求解；

e.利用Simcode建立仿真計(jì)算數(shù)據(jù)后處理模塊（RunAview），用于對(duì)所求解結(jié)果的后處理；

f.利用Matlab模塊建立文件名重命名單元（Re?name File），負(fù)責(zé)修改生成的結(jié)果文件名與分析任務(wù)相統(tǒng)一；

g.利用Matlab模塊建立生成報(bào)告單元（Re?name File），負(fù)責(zé)調(diào)用word文檔生成鋼板彈簧懸架研究報(bào)告。

該分析平臺(tái)為開(kāi)放平臺(tái)，如果以試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊DOE替換Isight中的優(yōu)化模塊，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板彈簧平衡懸架的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖8所示。如，以橡膠襯套的剛度及桿系球頭局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)點(diǎn)位為優(yōu)化變量，以車架加權(quán)加速度為舒適性指標(biāo)，以車輪相對(duì)動(dòng)載為安全性指標(biāo)，建立多目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對(duì)平衡懸架的安全性和舒適性協(xié)同優(yōu)化。同時(shí)，可根據(jù)研發(fā)需求增加分析功能模塊，構(gòu)建一個(gè)功能更齊全、更高效的虛擬試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)協(xié)同仿真，協(xié)調(diào)各科研人員的輸入和輸出。還可以依托此平臺(tái)構(gòu)建使用鋼板彈簧平衡懸架的重型商用車整車仿真與設(shè)計(jì)平臺(tái)，使虛擬試驗(yàn)成為一個(gè)整體，從而實(shí)現(xiàn)懸架匹配與整車試驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)。

5 鋼板彈簧平衡懸架分析實(shí)例與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖1所示鋼板彈簧平衡懸架的實(shí)際參數(shù)建立了多體動(dòng)力學(xué)模型，并利用鋼板彈簧平衡懸架分析平臺(tái)進(jìn)行仿真計(jì)算，快速自動(dòng)生成了鋼板彈簧平衡懸架分析報(bào)告word文檔。該分析報(bào)告的分析數(shù)據(jù)主要由鋼板彈簧平衡懸架的靜力學(xué)分析結(jié)果、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果、動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果三部分組成，每部分都由數(shù)據(jù)分析表（共35個(gè)）、數(shù)據(jù)分析指標(biāo)曲線（動(dòng)力學(xué)分析48種工況，每種工況有42條曲線，共2 016條）、分析結(jié)論等組成。其中，鋼板彈簧平衡懸架靜力學(xué)分析結(jié)果基本數(shù)據(jù)如表2所列，可用于對(duì)模型的正確性和分析平臺(tái)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 靜力學(xué)分析結(jié)果基本數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證分析平臺(tái)的可靠性，進(jìn)行了鋼板彈簧平衡懸架的靜力學(xué)試驗(yàn)，包括輪荷測(cè)試、鋼板彈簧變形量測(cè)量、中后橋轉(zhuǎn)角測(cè)量等，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到用于驗(yàn)證模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測(cè)得空載、半載和滿載下輪荷依次為8 640 N、3 0691 N和6 2541 N，仿真計(jì)算值依次為8 450 N、30 600 N和62 400 N，相對(duì)誤差分別為2.20%、0.30%和0.23%；測(cè)得滿載情況下鋼板彈簧弧高為-11 mm，仿真計(jì)算值為-10.43 mm，相對(duì)誤差為5.18%；滿載中橋姿態(tài)角試驗(yàn)值為-3.39°，仿真計(jì)算值為-3.43°，相對(duì)誤差為1.18%；后橋姿態(tài)角試驗(yàn)值為-3.53°，仿真計(jì)算值為-3.55°，相對(duì)誤差為0.57%。根據(jù)表2及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，所建立的鋼板彈簧平衡懸架模型是正確的，所開(kāi)發(fā)的鋼板彈簧平衡懸架分析平臺(tái)是可靠的。因此，該平臺(tái)可用于對(duì)重型商用車鋼板彈簧平衡懸架進(jìn)行分析設(shè)計(jì)和匹配，利用其分析結(jié)果和結(jié)論，能夠使設(shè)計(jì)人員在整車研制階段全面掌握和預(yù)測(cè)其設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能影響的規(guī)律，利于提高整車性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用優(yōu)化軟件Isight集成Adams軟件、Matlab軟件及word軟件構(gòu)建了重型商用車鋼板彈簧平衡懸架開(kāi)發(fā)平臺(tái)。通過(guò)實(shí)例仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，所開(kāi)發(fā)的平臺(tái)能夠快速、高效地對(duì)鋼板彈簧平衡懸架進(jìn)行分析，在整車研制階段即能全面掌握和預(yù)測(cè)其設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)整車性能影響的規(guī)律，有利于改善車輛穩(wěn)定性、提高安全性和乘坐舒適性。依托此平臺(tái)還可構(gòu)建平衡懸架的整車仿真與設(shè)計(jì)平臺(tái)，使虛擬試驗(yàn)成為一個(gè)整體，從而實(shí)現(xiàn)懸架匹配與整車試驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)。

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（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年12月22日。

Study on Performance of Balanced Suspension for Heavy Commercial Vehicle and Platform Construction Analysis

Zhao Leilei,Li Sheng,Huang Dehui,Song Naihua,Wang Na,Li Dong
（FAW Jiefang Qingdao Auto Co.,Ltd）

To solve the problem of the difficulties in analysis of balanced suspension for a heavy commercial vehicle and long development cycle,a model of leaf spring balanced suspension is built using multi-body system dynamics.An analysis platform is constructed with Software Isight integrated Adams with Matlab,and by calling software Word to generate research report directly.Practice analysis and test verification show that the model of leaf spring balanced suspension is accurate,and the analysis platform is efficient and reliable,which can be used for rapid development and adaptation of leaf spring balanced suspension of heavy commercial vehicles.

Heavy vehicle,Balanced suspension,Mechanical properties,Analysis platform

重型商用車 平衡懸架 力學(xué)特性 分析平臺(tái)

U463.33

A

1000-3703（2015）02-0048-05