分步法軸荷計(jì)算在客車開發(fā)中的應(yīng)用

田新利 甘冠文 孫星露

摘 要：主要介紹了客車軸荷計(jì)算的理論方法，重點(diǎn)闡述了在軸距變化產(chǎn)品開發(fā)中分步法軸荷計(jì)算的理論推導(dǎo)，此方法可快速、有效的計(jì)算整車軸荷，對合理匹配整車性能參數(shù)以及車橋、懸架和輪胎選型具有重要意義。

關(guān)鍵詞：分步法;軸距變化;產(chǎn)品開發(fā);剛體

Abstract： The theoretical method for calculation on Axle load of bus is mainly explained. The theoretical derivation of step-by-step Method for axle load calculation concerning the development of wheelbase variation is emphatically introduced. This method can calculate the axle load of the whole vehicle quickly and effectively， which is of great significance to the reasonable matching of the performance parameter of the whole vehicle and the selection of the axle， suspension and tire.

Keywords： Step-by-step method; Wheelbase variation; Product development; Rigid body

前言

整車軸荷的合理分配，對于車輛操穩(wěn)性能、制動(dòng)性能以及車橋、輪胎選型等都是關(guān)鍵因素[1]。因此，在客車開發(fā)的初始階段，精確計(jì)算整車軸荷至關(guān)重要，將直接影響到新開發(fā)車型的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

而近些年隨著客戶需求的不斷升級(jí)和國家政策的不斷變化，對客車的各項(xiàng)要求在不斷提高;導(dǎo)致整車廠為滿足市場需求，開發(fā)新車型的步伐日趨加快。因此，針對不同類型的新車開發(fā)，選擇合適的軸荷計(jì)算方法對準(zhǔn)確、快速計(jì)算整車軸荷至關(guān)重要，也對整車軸荷評價(jià)及關(guān)鍵零部件選型具有重要影響。

1 客車軸荷的理論計(jì)算

1.1 軸荷計(jì)算基本方法

傳統(tǒng)客車由車身、底盤和低壓電器三大部分組成，每個(gè)部分又包括多個(gè)系統(tǒng)總成，以底盤部分為例，它又包括動(dòng)力系統(tǒng)、附件系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、操控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、車架系統(tǒng)等;新能源客車除電池、電機(jī)、電控等新能源部分外，還包括車身、底盤（新能源系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)和附件系統(tǒng)）和低壓電器部分組成。假設(shè)車輛各個(gè)總成參數(shù)見表1，根據(jù)杠桿平衡原理，按下列公式計(jì)算汽車各軸的軸荷和質(zhì)心位置[2-3]：

G為車輛總重量（kg）;G1為前軸荷（kg）;

L為軸距（mm）;G2為后軸荷（kg）;

a為質(zhì)心到前軸距離（mm）;

b為質(zhì)心到后軸距離（mm）。

1.2 分步法軸荷計(jì)算

假設(shè)基礎(chǔ)車型為剛體[4]，簡化汽車的支撐模型見圖1。將基礎(chǔ)車軸距由L1調(diào)整為L2，對應(yīng)后橋調(diào)整，計(jì)算軸距變化后新車型的前后軸荷。

第一步：支撐點(diǎn)變化軸荷計(jì)算

假設(shè)基礎(chǔ)軸距變化僅調(diào)整后軸支撐點(diǎn)，后橋和懸架等其它所有總成保持不變;即總重量和質(zhì)心位置不變，簡化模型見圖2。

應(yīng)用公式（2），即可計(jì)算基礎(chǔ)車軸距變化為L2的前后軸荷。

第二步：后軸變化軸荷計(jì)算

后軸和懸架的總重量為MR，質(zhì)心距離前軸的位置由L1調(diào)整為L2，應(yīng)用公式（1），即可計(jì)算變化軸距后的前軸荷Gc1和后軸荷Gc2。

后軸變化的同時(shí)，車架系統(tǒng)、骨架系統(tǒng)等質(zhì)心位置相對基礎(chǔ)車都有變化，但由于變化量較小，對軸荷分布的影響可以忽略不計(jì)。

第三步：變化總成軸荷計(jì)算

以變軸距計(jì)算的GRc1和GRc2為基礎(chǔ)車，再根據(jù)相關(guān)總成變化，應(yīng)用公式（2），即可計(jì)算新開車型的軸荷。

2 軸荷計(jì)算在新車開發(fā)中的應(yīng)用

2.1 全新平臺(tái)開發(fā)

整車廠通常根據(jù)自身戰(zhàn)略規(guī)劃、市場變化等，定期開發(fā)出全新產(chǎn)品來滿足市場變化的需求。比如宇通客車2019年推出的7系產(chǎn)品，即為正向的全新平臺(tái)開發(fā)。

全新平臺(tái)開發(fā)通常在總布置策劃階段，根據(jù)擬開車型關(guān)鍵零部件的選型，計(jì)算車輛總成的重量以及各總成質(zhì)心到前軸的距離，利用公式（1～5）即可計(jì)算出前后軸荷和車輛的質(zhì)心位置;

然后根據(jù)開發(fā)過程中零部件選型變化，調(diào)整關(guān)鍵零部件的布置位置，優(yōu)化整車軸荷分布，滿足操穩(wěn)性能、制動(dòng)性能、車橋和輪胎負(fù)荷等要求。

一臺(tái)車輛由幾百個(gè)甚至上千個(gè)零部件組成，故此種方法計(jì)算軸荷的工作量較大;若每個(gè)零件質(zhì)心位置計(jì)算稍有誤差，導(dǎo)致最終理論計(jì)算值和實(shí)測值有較大誤差。因此，只有關(guān)鍵總成重量及質(zhì)心位置計(jì)算準(zhǔn)確，才能減小軸荷理論計(jì)算值和實(shí)測值的誤差。

2.2 換代產(chǎn)品開發(fā)

參照基礎(chǔ)車型，在車長或造型不變的情況下，總成或關(guān)鍵零部件的升級(jí)換代，通常是整車廠快速滿足市場需求的重要方法之一。

2.2.1 軸距不變的產(chǎn)品開發(fā)

車長、前后懸、軸距都保持不變，僅變更關(guān)鍵總成產(chǎn)品開發(fā)，根據(jù)基礎(chǔ)車型實(shí)測的前、后軸荷，通過如下方法可計(jì)算新開發(fā)車型的軸荷。

已知基礎(chǔ)車型A的距離為L，前軸荷為GA1，后軸荷為GA2，總重量GA= GA1+ GA2。假定更換總電機(jī)總成和電池總成，具體參數(shù)見表2，根據(jù)理論計(jì)算公式（2），即可計(jì)算新開車型B的前后軸荷。

若更換更多總成，應(yīng)用同樣方法計(jì)算即可。

2.2.2 軸距變化的產(chǎn)品開發(fā)

為提升整車性能，或滿足電池安裝需求等，需調(diào)整軸距的進(jìn)行換代開發(fā)。整車的車長不變，軸距和后懸變化，軸荷計(jì)算如下。

基礎(chǔ)車型和新開發(fā)車型相關(guān)參數(shù)定義見表3 ，根據(jù)實(shí)車測量和計(jì)算，可知基礎(chǔ)車型所有相關(guān)參數(shù)。假設(shè)已知新開車車型前懸、軸距、后懸，求新開車型的前后軸荷。

第一步：支撐點(diǎn)變化軸荷計(jì)算

第二步：后軸變化軸荷計(jì)算

第三步：變化總成軸荷計(jì)算

假定新開發(fā)車型更換電機(jī)總成，變化參數(shù)參見表2，即可計(jì)算新開發(fā)車型的軸荷：

此計(jì)算方法已我司新車開發(fā)中應(yīng)用，并得到驗(yàn)證，理論值和實(shí)測值誤差約為0.5%，遠(yuǎn)低于全新開發(fā)理論和實(shí)際的誤差，可滿足新車開發(fā)軸荷計(jì)算的需求。

3 結(jié)束語

在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，軸荷計(jì)算是極其重要工作，只有準(zhǔn)確計(jì)算整車軸荷，然后再根據(jù)整車操穩(wěn)、制動(dòng)等性能要求，合理匹配和優(yōu)化調(diào)整，才能確保新開發(fā)產(chǎn)品各種性能達(dá)到最優(yōu)。

對于變軸距的新車開發(fā)，本文的計(jì)算方法簡單、準(zhǔn)確，可應(yīng)用于軸荷的理論計(jì)算。

參考文獻(xiàn)

[1] 王霄鋒.汽車底盤設(shè)計(jì)[M]（第二版）.北京：清華大學(xué)出版社，2018.

[2] 齊汗軍，殷傳文.大客車質(zhì)心軸荷分布計(jì)算及應(yīng)用[J].客車技術(shù)， 2010（6）：35.

[3] 柴新偉，楊世文.三軸汽車軸荷計(jì)算及軸距選擇[J].機(jī)械管理開發(fā)， 2010（2）：53.

[4] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)[M]（第八版Ⅰ冊）北京：高等教育出版社，2016.