基于力矩分配法的多軸汽車軸荷分配的研究

吳迪，朱大華，裴澤健

（東風(fēng)華神汽車有限公司，湖北 十堰 442000）

隨著車輛載重的增加，汽車的軸數(shù)也在增加。多軸汽車在緊急剎車和轉(zhuǎn)彎過程中，軸荷的瞬間變化也較大，對(duì)于車輛的安全性也無(wú)法保障。對(duì)于汽車軸荷簡(jiǎn)單的等效估算（靜力平衡法），已經(jīng)無(wú)法保證軸荷的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。尤其是多軸汽車，計(jì)算誤差更大，結(jié)果無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求。車輛整體簡(jiǎn)化為所需要的彈性系統(tǒng)來(lái)研究，該方法能較準(zhǔn)確的計(jì)算出多軸汽車的軸荷分配關(guān)系。

1 建立多軸汽車計(jì)算模型

1.1 傳統(tǒng)計(jì)算方法

根據(jù)軸荷的傳統(tǒng)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)：對(duì)于雙前軸汽車（見圖1）建立力學(xué)等效關(guān)系方程：

前雙橋車輛的軸荷平均分配：

其中：F1、F2、F3為一、二、后雙軸軸荷；L1、L2為二軸、后雙軸中心距一軸的距離。M為整車質(zhì)量；g為重力加速度。

由于整個(gè)車輛為非剛性系統(tǒng)，屬于超靜定問題，無(wú)法采用靜力平衡法計(jì)算。多軸車輛使用獨(dú)立懸架和平衡懸架，要得到較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，需建立位移的平衡方程。

圖1 軸荷關(guān)系圖

1.2 力矩重新分配的計(jì)算方法

因整個(gè)車輛懸架的高度及車架水平情況都比較復(fù)雜，需將系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化關(guān)系忽略以下兩點(diǎn)：（1）忽略車架彎曲變形。（2）忽略輪胎變形。即整個(gè)系統(tǒng)只考慮各橋中心距離車架上翼面的高度差，簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)如圖2。

圖2 車架及懸架簡(jiǎn)化受力分析

假設(shè)車輛為多個(gè)彈性原件組成的系統(tǒng)，每個(gè)原件都是并聯(lián)關(guān)系；車架假定為剛性原件（不發(fā)生形變），這樣整個(gè)車輛的重量就集中于質(zhì)心。整個(gè)汽車的重量作用于車架上，要考慮板簧在Z方向（XZ平面）上的形變位移，質(zhì)心在Z方向（XZ平面）上的位移，各懸架系統(tǒng)的剛度。

相對(duì)質(zhì)心的力矩平衡關(guān)系：

根據(jù)Z方向力矩平衡關(guān)系：

幾何關(guān)系可得：

n

考慮真實(shí)路況后的位移變化，則需要增加相應(yīng)的變量，關(guān)系式可表達(dá)為：

重新構(gòu)建矩陣的關(guān)系為：

由公式（8）可以得出，車輛的軸荷分配關(guān)系同時(shí)和軸距、懸架及輪胎剛度、通過路面的輪胎的位移量以及質(zhì)心的位置有著重要的關(guān)系。

2 模型的仿真與驗(yàn)證

2.1 連續(xù)梁模型

在有限元分析中，建立多軸汽車軸荷的連續(xù)梁模型。隨著軸距和載質(zhì)量的增大，車架的形變量不斷增大，從而需要建立連續(xù)梁模型。為驗(yàn)證該方法的正確性，以連續(xù)梁模型建模，產(chǎn)生25個(gè)節(jié)點(diǎn)。材料的楊氏模量E根據(jù)車架、車輛輪胎材料來(lái)確定，同時(shí)通過虎克定律可以看出剛度K與橫截面積成正比。添加重力g=9．8m/s2。將整車參數(shù)（見表1）帶入公式（8）和利用連續(xù)梁模型有限元分析得到結(jié)果，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 多軸車輛參數(shù)

表2 計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出，仿真計(jì)算結(jié)果與公式（8）擬合誤差很小，因此該方法可以滿足多軸汽車的設(shè)計(jì)階段需求?？梢該?jù)此來(lái)判斷汽車在極限工況下，是否滿足各橋的極限承載能力。也可以通過修改剛度和軸距來(lái)降低軸荷的要求。

3 影響軸荷的因素分析

3.1 軸距對(duì)軸荷的影響

改變二軸和三軸的位置，可以得到圖3所示的軸距與軸荷關(guān)系圖。

圖3 二、三橋軸距對(duì)軸荷影響

從圖3可見，隨著軸距L1的增加，1、2軸軸荷會(huì)相應(yīng)的變大和減??；軸距L3的增加，1、2軸軸荷會(huì)同時(shí)增加。通常情況下，后雙軸為平衡懸架結(jié)構(gòu)可以一起計(jì)算軸荷。為保證軸荷的平均分配，在理論設(shè)計(jì)中前雙軸與后雙軸軸荷應(yīng)與總質(zhì)量的比重為17%、17%和66%。實(shí)際考慮到車輪的半徑及車架彎矩增大的情況，此車前軸距選擇1850mm、后軸距選擇5600mm較為合適。

4 結(jié)語(yǔ)

軸荷的分配需將軸距與懸架的剛度同時(shí)考慮，建立力學(xué)平衡關(guān)系方程后，可以快捷、準(zhǔn)確的得到各軸軸荷的分布情況。該方法同時(shí)具有很強(qiáng)的操作性，為多軸車的軸荷分布設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。對(duì)于此方法將懸架剛度簡(jiǎn)化為線性特性，同時(shí)忽略了減震器阻尼、輪胎的剛度等影響，對(duì)于軸數(shù)多于5軸的情況下，計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大的誤差。同時(shí)因?qū)嚰艿膹澢恳膊蛔隹紤]，所以對(duì)于軸距更長(zhǎng)、軸數(shù)更多的車輛是否可行，也需要重新考慮。