基于Adams_view微循環(huán)公交前獨(dú)立空氣懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

滕立杰

（上海錦奔汽車(chē)系統(tǒng)有限公司，上海 201322）

基于Adams_view微循環(huán)公交前獨(dú)立空氣懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

滕立杰

（上海錦奔汽車(chē)系統(tǒng)有限公司，上海 201322）

利用 ADAMS 搭建了微循環(huán)公交前獨(dú)立空氣懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，通過(guò)仿真分析，揭示了在懸架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中懸架定位參數(shù)的變化規(guī)律，并優(yōu)化該懸架前束角設(shè)計(jì)方案，為同類(lèi)型空氣彈簧前懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)提供了參考。

微循環(huán)公交；獨(dú)立空氣懸架；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；優(yōu)化

前言

微循環(huán)公交是在解決城市區(qū)域或社區(qū)"最后一公里”公共交通的背景下應(yīng)運(yùn)而生,作為城市公共交通的一種，微循環(huán)公交填補(bǔ)了常規(guī)公交、快速公交和軌道交通等大型公共交通的空白[1]，極大地改善了居民的短距離出行環(huán)境，細(xì)化了公共交通網(wǎng)絡(luò)，使得居民選擇公共交通的出行方式的比例上升，因此得到越來(lái)越多的重視。

微循環(huán)公交車(chē)一般車(chē)身長(zhǎng)度在6、7米左右，同時(shí)為了可以在一些狹窄街道行駛，車(chē)身寬度較窄，轉(zhuǎn)彎半徑要盡量小，這些特點(diǎn)就為懸架設(shè)計(jì)帶來(lái)新的課題，在保證懸架外寬和通道寬度的前提下，使的懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性在理想范圍內(nèi)變動(dòng)，同時(shí)要求車(chē)輪內(nèi)外轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)，車(chē)輪轉(zhuǎn)角角度盡量大。因此在獨(dú)立空氣懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)向橫拉桿斷點(diǎn)位置的確定對(duì)懸架定位參數(shù)和車(chē)輪內(nèi)外轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)性有很大影響。

1 空氣懸架仿真模型的建立

前獨(dú)立空氣懸架的結(jié)構(gòu)形式是：雙橫臂臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，方向機(jī)布置在中間的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，空氣彈簧安裝在支座上方，氣囊上方與車(chē)架相連，減震器安裝在支座下方，減震器上端與車(chē)架相連。

1.1 空氣彈簧模型的建立

獨(dú)立空氣懸架的設(shè)計(jì)載荷為 3500kg，選擇康迪公司的819N系列氣囊，初始安裝高度為223mm。建立空氣彈簧模型，根據(jù)康迪公司提供的819N氣囊特性曲線圖輸入動(dòng)剛度曲線。819N氣囊特性曲線圖如圖1所示。

圖1 空氣彈簧特性曲線

1.2 減震器模型的建立

減振器采用的是SACHS 3298液壓筒式減振器。下表為此款減震器的阻尼力-速度特性曲線表示的。

表1 減震器的阻尼力-速度特性表

1.3 橡膠球鉸模型的建立

空氣懸架中的雙橫臂通過(guò)橡膠球鉸與車(chē)架連接。橡膠球鉸在懸架中的主要作用（1）傳遞縱向力、側(cè)向力和制動(dòng)力[2]；（2）在懸架相對(duì)車(chē)身跳動(dòng)過(guò)程中吸收部分的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；（3）在很大程度上關(guān)系著懸架參數(shù)的準(zhǔn)確性。此懸架中所使用的橡膠球鉸相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 橡膠球鉸剛度特性表

根據(jù)上述參數(shù)及懸架硬點(diǎn)建立微循環(huán)公交前獨(dú)立空氣懸架虛擬樣機(jī)如圖2所示。

圖2 空氣彈簧獨(dú)立懸架虛擬樣機(jī)

2 獨(dú)立懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性在實(shí)際運(yùn)用中首先反映在車(chē)輪的定位參數(shù)的變化上。前輪定位參數(shù)影響到多種汽車(chē)性能，這其中關(guān)系比較緊密性能包括汽車(chē)行駛穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)、轉(zhuǎn)向回正性、轉(zhuǎn)向輕便性、制動(dòng)穩(wěn)定性和輪胎的磨損等。因此分析懸架定位參數(shù)的變化規(guī)律是對(duì)懸架的評(píng)價(jià)及改進(jìn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

利用上面建立的微循環(huán)公交的前獨(dú)立空氣懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，以文獻(xiàn)[3]中使用數(shù)學(xué)方法為基礎(chǔ)進(jìn)行懸架跳動(dòng)的仿真分析，以下是對(duì)獨(dú)立空氣懸架定位參數(shù)的變化進(jìn)行研究分析。初始獨(dú)立空氣懸架定位參數(shù)如表3所示。

表3 獨(dú)立空氣懸架初始定位參數(shù)表

2.1 前輪外傾角

汽車(chē)作曲線行駛時(shí)，車(chē)輪會(huì)隨著車(chē)身一起側(cè)傾，承載較高的一側(cè)車(chē)輪會(huì)相對(duì)地面的傾角會(huì)加大，從而導(dǎo)致該側(cè)車(chē)輪的側(cè)偏性能降低。為保證輪胎的側(cè)偏性能，懸架設(shè)計(jì)要求車(chē)輪外傾角在上跳時(shí)向負(fù)向變化，而下落時(shí)向正向變化，使汽車(chē)行駛過(guò)程中的車(chē)輪盡可能垂直于路面，并控制其變化量。若前輪外傾角的變化較大，不但會(huì)影響汽車(chē)直線行駛的穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)加劇輪胎的磨損。從圖3所示的仿真結(jié)果可以看出，本獨(dú)立空氣懸架滿(mǎn)足這種變化趨勢(shì)，車(chē)輪跳動(dòng)量為±50mm的行程內(nèi)，前輪外傾角的變化范圍為0.65°～1°。

圖3 前輪外傾角隨車(chē)輪跳動(dòng)的變化

2.2 前輪前束角

前束的作用主要是彌補(bǔ)外傾角所帶來(lái)的不利影響，減少輪胎的磨損[4]。前獨(dú)立空氣懸架設(shè)計(jì)時(shí)要求上跳時(shí)要求前輪前束的變化范圍盡量小，下落時(shí)前束變化范圍可略微變大。這樣的設(shè)計(jì)目的可以使車(chē)輛的直線行駛穩(wěn)定性不收到影響，同時(shí)也不會(huì)加大輪胎與地面之間的滾動(dòng)阻力。車(chē)輪前束可以減少車(chē)輪外傾角所帶來(lái)的不利影響，減少輪胎的磨損。由圖4可以看出，上跳行程中前束角在-0.1°～0.35°之間變化，變化范圍不是很理想，需要繼續(xù)優(yōu)化。

圖4 前輪前束角隨車(chē)輪跳動(dòng)的變化

2.3 主銷(xiāo)后傾角

圖5 主銷(xiāo)后傾角隨車(chē)輪跳動(dòng)的變化

主銷(xiāo)后傾角可以為汽車(chē)提供回正力矩。懸架設(shè)計(jì)中，一般要嚴(yán)格控制后傾角在車(chē)輪上下跳動(dòng)過(guò)程中變化量，以免在載荷發(fā)生變化時(shí)出現(xiàn)回正力矩劇烈變化的現(xiàn)象，這樣會(huì)使轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生擺動(dòng)，影響汽車(chē)的操縱性能。一般要求在車(chē)輪上跳時(shí)后傾角有稍微增大的趨勢(shì)，這樣可以減輕制動(dòng)時(shí)后傾角減小的帶來(lái)的不利影響。從圖5來(lái)看，主銷(xiāo)后傾角在車(chē)輪上跳過(guò)程中有增大的趨勢(shì)，在 -2.5°～-2.505°之間變化，變化范圍很小。

2.4 主銷(xiāo)內(nèi)傾角

主銷(xiāo)內(nèi)傾有利于減小主銷(xiāo)橫向偏移距，可以使汽車(chē)轉(zhuǎn)向回正，并且轉(zhuǎn)向輕便。但是主銷(xiāo)內(nèi)傾角不宜設(shè)計(jì)過(guò)大，否則當(dāng)汽車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作時(shí)，輪胎與路面之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，增大了路面與輪胎之間的摩擦阻力，這樣不但加劇了輪胎的磨損，而且還使轉(zhuǎn)向發(fā)沉。由圖6可知，車(chē)輪跳動(dòng)±50mm的行程內(nèi)，主銷(xiāo)內(nèi)傾角的變化范圍為：8.0°～8.36°，曲線變化比較平緩。

圖6 主銷(xiāo)內(nèi)傾角隨車(chē)輪跳動(dòng)的變化

2.5 輪距變化量

在獨(dú)立空氣懸架的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求盡量控制輪距的變化量，第一可以減少輪胎磨損，特別是在車(chē)輪上跳過(guò)程中，施加在輪胎上的負(fù)荷會(huì)增加很多，輪距變化過(guò)大會(huì)加劇輪胎的磨損。而在下跳時(shí)，由于輪胎上負(fù)荷相對(duì)會(huì)減小很多，輪距變化量可適當(dāng)寬松些，這樣仍可保證適當(dāng)?shù)妮喬勖?。第二可以提高汽?chē)直線行駛能力和操縱穩(wěn)定性。一般要求車(chē)輪跳動(dòng)±40 mm 時(shí)，輪距變化為- 10～10 mm[5]。如圖7所示，該懸架滿(mǎn)足車(chē)輪上跳時(shí)輪距增加趨勢(shì)的要求，車(chē)輪上跳至+40mm時(shí)，單側(cè)輪距的變化量為：2.34mm。

圖7 單側(cè)輪距隨車(chē)輪跳動(dòng)的變化量

3 轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開(kāi)點(diǎn)位置對(duì)懸架定位參數(shù)的影響

從上面的仿真結(jié)果可知，懸架定位參數(shù)對(duì)整車(chē)的操控性能、舒適性能、安全性能等有著很大的影響，為了使定位參數(shù)變得更加理想，需要對(duì)獨(dú)立空氣懸架的相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。由于上述分析中，車(chē)輪前束角變化趨勢(shì)不太理想，因此本文針對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開(kāi)點(diǎn)A點(diǎn)位置（圖8所示）改變后引起的前束角變化進(jìn)行了對(duì)比分析，以便找到滿(mǎn)足前束角設(shè)計(jì)要求的斷開(kāi)點(diǎn)位置。

圖8 轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開(kāi)點(diǎn)位置

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

從理論上來(lái)說(shuō)，斷開(kāi)點(diǎn)的最佳位置應(yīng)使車(chē)輪在跳動(dòng)過(guò)程中繞主銷(xiāo)的擺動(dòng)量最小[6]。由于轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開(kāi)點(diǎn)位置在 X軸（行駛方向）和Y軸（軸向方向）坐標(biāo)涉及車(chē)輪轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào)性，因此此優(yōu)化方案主要是調(diào)整轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開(kāi)點(diǎn)Z軸（高度方向）坐標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如表4所示。

表3 方案列表

3.2 前輪前束角的變化趨勢(shì)

依次按照上述方案設(shè)置斷開(kāi)點(diǎn)Z軸坐標(biāo)在Adams軟件中進(jìn)行仿真分析，得到前束角在不同方案中的曲線，如圖9所示。從圖中可以看出，5種方案下前束角的變化趨勢(shì)都是一致的，車(chē)輪下跳時(shí)增加，車(chē)輪上跳時(shí)減小。但綜合來(lái)分析，方案4為最佳方案，懸架上跳50mm時(shí)，方案4為-0.019°，方案5為-0.0191°，在下跳50mm時(shí)，方案4為-0.16°，方案5為-0.21°。因此從綜合考慮應(yīng)選擇方案4。

通是經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，A點(diǎn)Z軸坐標(biāo)的調(diào)整對(duì)車(chē)輪外傾、主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角、輪距等定位基本沒(méi)有影響。

圖9 不同坐標(biāo)下前束角變化曲線

4 結(jié)論

（1）根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此微循環(huán)公交獨(dú)立空氣懸架的車(chē)輪上下跳動(dòng)過(guò)程中，定位參數(shù)的變化趨勢(shì)是比較理想的，滿(mǎn)足獨(dú)立空氣懸架的設(shè)計(jì)要求。

（2）在此懸架上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開(kāi)點(diǎn)位置對(duì)前束角的變化影響很大，對(duì)車(chē)輪外傾、主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角、輪距等基本沒(méi)有影響。由于希望車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)，前束角變化范圍要小，經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比分析方案4最為理想。

[1] 武苗苗. 城市微循環(huán)公交客流特性分析及站點(diǎn)規(guī)劃方法研究.長(zhǎng)安大學(xué),2014.

[2] 史文杰等.基于 Adams_car的低地板客車(chē)前獨(dú)立懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008（05）.

[3] 戴旭文等.汽車(chē)雙橫臂獨(dú)立懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和計(jì)算.車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù),2002( 02) .

[4] 金敘龍等.雙橫臂獨(dú)立懸架運(yùn)動(dòng)特性分析.汽車(chē)技術(shù),2001(04) .

[5] 崔云霞等.基于ADAMS的大型客車(chē)空氣彈簧前懸架仿真分析與比較. 汽車(chē)技術(shù),2007(01) .

[6] 許景然等.懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì).輕型汽車(chē)技術(shù),2007（05）.

Kinematic analys of independent front suspension with air spring model of mini bus based on Adams/view

Teng Lijie
( Shanghai Jinben Automotive systems Co., Ltd, Shanghai 201322 )

The independent front suspension with air spring model of a mini bus was built by using ADAMS software .then the kinematics simulation was performed. The change regulation of the kinematic characteristic parameters was uncovered in the process of the suspension motion through the kinematics simulation, and optimize the toe - in angle. supply the design reference for the same front suspension with air spring.

Mini bus; Independent suspension with air spring; Kinematics simulation; Optimization

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-186-03

U461.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-186-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.062

滕立杰，助理工程師，就職于上海錦奔汽車(chē)系統(tǒng)有限公司。研究方向：空氣懸架。