三軸鉸接空氣懸架客車的側(cè)傾校核

趙金龍, 童劍銘， 曲金亮

(中國(guó)重型汽車集團(tuán)有限公司， 濟(jì)南 030051)

懸架的側(cè)傾中心同時(shí)影響懸掛和非懸掛質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而影響車輛的轉(zhuǎn)向性能。乘坐側(cè)傾角剛度過小的汽車，易缺乏舒適感和安全感；若側(cè)傾角剛度過大，當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)翻時(shí)乘客無(wú)法提前感知危險(xiǎn)的發(fā)生，過大的側(cè)傾角剛度也會(huì)使輪胎側(cè)偏角增大[1]。三軸客車側(cè)傾中心的設(shè)計(jì)及校核相對(duì)傳統(tǒng)兩軸客車較為復(fù)雜。本文就以已交付客戶的18 m低入口雙源無(wú)軌電車為例，依據(jù)懸架結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)確定懸架的側(cè)傾中心，同時(shí)提出合并第二軸和第三軸，將三軸車簡(jiǎn)化為兩軸傳統(tǒng)車型，并通過確定等效側(cè)傾中心軸線來(lái)驗(yàn)證車輛的行駛穩(wěn)定性是否可靠；依托比較計(jì)算和實(shí)際驗(yàn)證，為多軸車輛提供一種側(cè)傾校核的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

1 空氣懸架剛度計(jì)算

整車滿載總質(zhì)量ma=28 000 kg，前軸軸載質(zhì)量m1=6 500 kg，支撐軸軸載質(zhì)量m2=10 000 kg，后軸軸載質(zhì)量m3=11 500 kg。第一軸至第二軸軸距L1=5 900 mm，第二軸至第三軸軸距L2=6 100 mm。前橋輪距B1=2 103 mm，支撐橋輪距B2=1 890 mm，后橋輪距B3=1 872 mm。車輪靜載半徑R=446 mm，滿載時(shí)整車重心高度hg=1 150 mm。前空氣懸架簧下質(zhì)量m1d=991.2 kg，支撐橋空氣懸架簧下質(zhì)量m2d=1 525.4 kg，后空氣懸架簧下質(zhì)量m3d=1 567.4 kg。

空氣彈簧剛度C=K(P+P1)×A2/V+P×δA/δs[2-3]

空氣彈簧相對(duì)內(nèi)壓P=G/A

式中：K為多變指數(shù)，一般情況下K=1.33；A為單個(gè)氣囊有效面積；G為單個(gè)氣囊的簧上載荷；P1為大氣壓，通常取0.1 N/mm2。

本文所用的氣囊均為康迪泰克715 N膜式氣囊，活塞座為圓柱形。對(duì)于膜式空氣彈簧，當(dāng)活塞座為圓柱形時(shí)，δA/δs=0。查715 N氣囊曲線圖可知，在氣囊內(nèi)壓P0=7 bar時(shí)，氣囊彈力F=35 kN，則氣囊的有效面積A=F/P0=50 000 mm2。在設(shè)計(jì)高度時(shí)，氣囊的有效容積V1=9.6×106mm3，V2=V3=1.1×107mm3。

將上述數(shù)值帶入公式，計(jì)算得：

C1=221.7 N/mm,f1=1.43 Hz

C2=157.2 N/mm,f2=1.37 Hz

C3=178.3 N/mm,f3=1.35 Hz

2 側(cè)傾校核

2.1 側(cè)傾中心確定

本文校核整車在給定側(cè)向加速度下做穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的側(cè)傾情況[4]。由于前軸作為轉(zhuǎn)向軸，所以本文提出將第二、第三軸等效為一軸的方案。由于所參考車型為低入口結(jié)構(gòu)，前橋及支撐橋采用門式車橋，所以這兩處側(cè)傾中心很低，而由于后橋采用傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋，所以后懸處的側(cè)傾中心高度較高。各懸架均為直推力桿+V型推桿式四連桿結(jié)構(gòu)。找到V型推力桿的交點(diǎn)，即為各懸架的側(cè)傾中心點(diǎn)。分別確定三軸車第一軸與第二軸之間的側(cè)傾軸線O1O2，以及第二軸與第三軸懸架之間的側(cè)傾軸線O2O3，如圖1所示。圖中O1為前懸架側(cè)傾中心，距前軸距離L3=22 mm，離地高度h1=200 mm；O2為支撐橋懸架側(cè)傾中心，距支撐軸距離L4=3 mm，離地高度h2=211 mm；O3為后懸架側(cè)傾中心，距后軸距離L5=144.5 mm，離地高度h3=613 mm；O′為第二軸和第三軸擬合后的側(cè)傾力矩中心，通過O′將三軸車側(cè)傾軸線擬合成兩軸等效側(cè)傾軸線O1O′。

h′=h2+(h3-h2)·L′/L2

L′=m3u·L2/(m2u+m3u)

式中：h′為第二軸和第三軸擬合后的側(cè)傾中心高度；L′為第二軸和第三軸擬合的側(cè)傾中心到第二軸的距離；m2u、m3u分別為第二軸、第三軸簧上質(zhì)量。

帶入數(shù)據(jù)可算出：h′=428.5 mm，L′=3292 mm。

圖1 等效懸架側(cè)傾軸線示意圖

2.2 等效側(cè)傾力臂計(jì)算

根據(jù)懸架的結(jié)構(gòu)布置，可算出整車的簧載質(zhì)心高度S為：

S=(ma·hg-md·R)/mu=1 270 mm

式中：mu為簧上質(zhì)量，mu=m1u+m2u+m3u;md為簧下質(zhì)量，md=m1d+m2d+m3d。

整車的簧載質(zhì)心距第一軸水平距離a為：

a=(m2uL1+m3u(L1+L2))/mu=7 074 mm

則等效側(cè)傾力臂h為：

h=S-h1-(a+L3)/(L1+L′+L3)(h′-h1)=894 mm

2.3 側(cè)傾角剛度計(jì)算

1) 穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度[5]。取穩(wěn)定桿襯套影響系數(shù)為0.9，通過計(jì)算得知，前懸架橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度Cs1=2.18×105N·m/rad,支撐橋懸架橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度Cs2=1.07×105N·m/rad，后懸架橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度Cs3=0.95×105N·m/rad。

2) 高度閥失效時(shí)整車的側(cè)傾角剛度。前空氣懸架左右氣囊采用單高度閥控制，支撐橋及后橋空氣懸架采用雙高度閥分別控制左右側(cè)氣囊高度。當(dāng)高度閥失效不起作用時(shí)，前空氣懸架左右氣囊管路是連通的，即前懸架空氣彈簧的側(cè)傾角剛度為0[6-8]。此時(shí)的整車側(cè)傾角剛度Cφ1為：

式中：支撐橋懸架左右氣囊中心距離D2=1 562 mm；后懸架左右氣囊中心距離D3=1 410 mm。

通過計(jì)算可知，Cφ1=7.89×105N·m/rad。

3) 高度閥正常工作時(shí)整車的側(cè)傾角剛度Cφ2為：

式中：前懸架左右氣囊中心距離D1=1 285 mm。

通過計(jì)算可知，Cφ2=9.72×105N·m/rad。

2.4 側(cè)傾角校核結(jié)果

本文取整車穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時(shí)向心加速度為0.3g，側(cè)傾角φ為：

式中：V2/R=0.3g,Gs=23 916 kg

則φ1=6.2°;φ2=4.7°。

即在整車滿載情況下，當(dāng)高度閥失效時(shí)整車側(cè)傾角約為6.2°，當(dāng)高度閥正常工作時(shí)整車側(cè)傾角約為4.7°。由此可知該車型在轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，車身側(cè)傾角的計(jì)算值能滿足要求[9]。

2.5 側(cè)傾結(jié)果校驗(yàn)

參考文獻(xiàn)[1]中的計(jì)算方法，通過代入數(shù)據(jù)計(jì)算及畫圖得出h=872 mm，則φ1=6°;φ2=4.6°。

通過算法比較可知，本文提出的擬合第二、第三軸將三軸車簡(jiǎn)化為兩軸傳統(tǒng)車型的方案具有一定的可行性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過計(jì)算，校核了該車型懸架設(shè)計(jì)方案在理論上的可行性。經(jīng)客戶實(shí)際運(yùn)行路線驗(yàn)證，該車型的行駛及操縱穩(wěn)定性、舒適性都得到了客戶的認(rèn)可，也同時(shí)驗(yàn)證了該簡(jiǎn)化算法的合理性。

參考文獻(xiàn)：

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