某重卡復(fù)合式前空氣懸架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

尹中保 周志斌 劉永宏 栗廣生 谷潤(rùn)民

摘 ?要：本文以某重卡復(fù)合式前空氣懸架為研究對(duì)象，首先利用ABAQUS非線性有限元分析軟件建立了考慮氣囊剛度的前空氣懸架非線性模型，并對(duì)典型前氣囊布置位置進(jìn)行了重載彎曲和緊急制動(dòng)工況下板簧的應(yīng)力分析計(jì)算，從而確定了氣囊的最優(yōu)布置位置。然后建立了復(fù)合式前空懸ADAMS多體動(dòng)力學(xué)模型，利用模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉校核并與傳統(tǒng)作圖法結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，繼而對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂和板簧硬點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化分析，最終確定了前空氣懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)位置，并使前空懸與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)干涉量達(dá)到最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合式空氣懸架;位置優(yōu)化;運(yùn)動(dòng)干涉校核

中圖分類號(hào)：U463.3 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2022）02-0033-05

Optimization Design Of A Heavy Tuck Composite Front

Air Suspension

Yin Zhong-bao， Zhou Zhi-bing， Liu Yong-hong， Li Guang-sheng， Gu Run-min

（ Dongfeng liuzhou motor Co.，LTD， Guangxi 545005， China ）

Abstract： In this paper， a heavy truck compound front air suspension is studied. First， a nonlinear model of the front air suspension considering the airbag stiffness is established using ABAQUS nonlinear FEA （Finite Element Analysis） software， and the stress of the leaf spring under heavy load bending and emergency braking conditions is calculated for the typical front airbag placement position， thus the optimal placement position of the airbag is determined. Then， an ADAMS multi-body dynamic model of the compound front air suspension was established. The model was used for motion interference verification and compared with the results of traditional mapping methods to verify the accuracy of the dynamic model. The knuckle arm and leaf spring hard point were optimized， and finally the key hard point position of the front air suspension was determined， and the amount of motion interference between the front air suspension and the steering system was optimized.

Key Words： Compound Front Air Suspension; Location Optimization; Motion Interference Check

前 ? ?言

空氣懸架一般由空氣彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減振阻尼機(jī)構(gòu)、橫向穩(wěn)定機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)組成[1]?？諝鈶壹艿膹椥蕴匦跃哂蟹蔷€性和自適應(yīng)的特點(diǎn)[2]，能使車輛在承受不同載荷時(shí)保持懸架偏頻的相對(duì)穩(wěn)定，從而具備較好的平順性。重型卡車采用的空氣懸架一般有兩種：全氣囊式空氣懸架與復(fù)合式空氣懸架[3]。復(fù)合式空氣懸架采用獨(dú)特導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，最常見(jiàn)的是采用鋼板彈簧作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)[4]，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)。目前在國(guó)內(nèi)商用車領(lǐng)域復(fù)合式空氣懸架在后懸運(yùn)用較成熟，而前橋空氣懸架主要應(yīng)用在高端客車上，卡車領(lǐng)域應(yīng)用較少，但隨著在危化品運(yùn)輸領(lǐng)域空氣懸架逐漸成為標(biāo)配，在港口物流等領(lǐng)域高效甩掛應(yīng)用越來(lái)越廣泛，全氣囊車型的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在今后更會(huì)越來(lái)越普遍。文獻(xiàn)[5-7]對(duì)復(fù)合式前空氣懸架的基本結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了介紹。國(guó)內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)方法和要點(diǎn)研究還較少見(jiàn)。本文以某重卡復(fù)合式空氣懸架為例，對(duì)前氣囊空間校核、氣囊位置優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)干涉校核等方面進(jìn)行研究。

本文所研究的某重型卡車復(fù)合式前空氣懸架結(jié)構(gòu)如圖1所示：

該復(fù)合式前空懸結(jié)構(gòu)采用鋼板彈簧作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，基本參數(shù)如下：

1 ? ?氣囊布置位置優(yōu)化

復(fù)合式空氣彈簧的氣囊剛度和板簧剛度之比與氣囊布置位置決定了二者簧上載荷的分配比例，即決定了氣囊和板簧的承載大小。氣囊通過(guò)下支座與板簧一起用U型螺栓固定在前橋上，氣囊承受的力和力矩都會(huì)通過(guò)氣囊下支座傳到板簧上，而氣囊的布置位置決定了氣囊下支座承受力矩的大小，因此氣囊的布置位置會(huì)影響鋼板彈簧的應(yīng)力和變形，進(jìn)而影響車輛制動(dòng)后的跑偏問(wèn)題和方向盤扯手問(wèn)題。

1.1 ? ?氣囊布置空間校核

前空氣懸架氣囊的布置空間主要受以下三個(gè)方面的限制：

（1）輪胎運(yùn)動(dòng)包絡(luò)空間限制。氣囊與前橋車輪的左轉(zhuǎn)極限位置和右轉(zhuǎn)極限位置之間要保證足夠的間距。

（2）空氣彈簧的工作溫度為-50℃～57℃，空氣彈簧與發(fā)動(dòng)機(jī)要盡量遠(yuǎn)，以保證其工作環(huán)境溫度不至于太高。

（3）與其它零部件的間隙要求，主要包括轉(zhuǎn)向直拉桿及球頭、排氣管（?；奋囕v排氣管向前布置）、柴濾等。

根據(jù)以上空間的校核，可以決定所研究懸架氣囊的大致布置空間范圍：X坐標(biāo)（- 287.5mm，+187.5mm），Y坐標(biāo)Y=422。另外氣囊若布置在前板簧U型螺栓上會(huì)導(dǎo)致U型螺栓裝配困難等問(wèn)題，最后根據(jù)氣囊的布置空間和便于裝配要求，選擇了氣囊靠前布置（氣囊X坐標(biāo)-120mm）、氣囊靠后布置1（氣囊X坐標(biāo)+120mm）及氣囊靠后布置2（氣囊X坐標(biāo)+180mm）三種方案進(jìn)行后續(xù)分析對(duì)比。

1.2 ? ?氣囊布置位置優(yōu)化分析

本文運(yùn)用ABAQUS軟件建立了前空氣懸架的非線性CAE分析模型。

該分析模型中，鋼板彈簧的固定端軸套處僅放開(kāi)繞Y軸旋轉(zhuǎn)約束，吊耳端擺臂的下端模擬圓柱副，上端僅放開(kāi)繞Y軸旋轉(zhuǎn)約束。氣囊采用賦予了非線性剛度值的BUSH單元進(jìn)行模擬。該分析模型首先在氣囊不起作用的情況下對(duì)鋼板彈簧的剛度進(jìn)行分析校核，確保鋼板彈簧的剛度與實(shí)測(cè)值或設(shè)計(jì)值基本一致，然后對(duì)氣囊靠前布置（氣囊X坐標(biāo)-120mm）、氣囊靠后布置1（氣囊X坐標(biāo)+120mm）及氣囊靠后布置2（氣囊X坐標(biāo)+180mm）三種模型進(jìn)行了對(duì)比分析，分析了緊急制動(dòng)和重載彎曲兩種工況。

緊急制動(dòng)工況的分析結(jié)果如圖圖4所示：

各種分析模型板簧最大應(yīng)力匯總?cè)缦拢?/p>

從分析結(jié)果來(lái)看，空氣彈簧前置時(shí)，緊急制動(dòng)工況會(huì)加劇板簧縱扭，從而導(dǎo)致板簧嚴(yán)重變形，并與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)干涉引起明顯的跑偏。氣囊靠后布置方案1（氣囊X坐標(biāo)+120mm）和氣囊靠后布置方案2（氣囊X坐標(biāo)+180mm）應(yīng)力均較低，滿足設(shè)計(jì)要求。但采用氣囊靠后1時(shí)氣囊下支座的力臂相對(duì)于氣囊靠后2要短，氣囊靠后方案1下支座的設(shè)計(jì)可以相對(duì)較輕，且該方案在常用的重載彎曲工況下板簧應(yīng)力最小，因此綜合考慮后采用氣囊靠后布置1（氣囊X坐標(biāo)+120mm）方案。

2 ? ?運(yùn)動(dòng)干涉校核及優(yōu)化

前懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系決定了必然存在運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題只能減小不能徹底消除，因此在進(jìn)行前懸架設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)干涉進(jìn)行校核和優(yōu)化。目前對(duì)前懸運(yùn)動(dòng)干涉進(jìn)行校核一般有兩種方法：一種是采用二維作圖的方法，另一種是利用ADAMS軟件進(jìn)行仿真的方法?；贏DAMS軟件進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真的方法在進(jìn)行懸架干涉校核應(yīng)用較多，尤其適用于需要對(duì)硬點(diǎn)進(jìn)行位置優(yōu)化時(shí)，效率會(huì)明顯比傳統(tǒng)作圖法高，且可以對(duì)硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行連續(xù)求解分析。

2.1 ? 懸架運(yùn)動(dòng)干涉校核

本文利用ADMAS建立了復(fù)合式前空氣懸架運(yùn)動(dòng)干涉校核模型，如圖6所示：

該模型去除了輪胎模型，并將主銷與車橋的連接方式改為固定副，對(duì)板簧進(jìn)行加載后，懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干涉量直接轉(zhuǎn)變?yōu)榉较虮P的轉(zhuǎn)角，方便與設(shè)計(jì)規(guī)范中要求的上限值進(jìn)行對(duì)比。板簧采用柔性體進(jìn)行模擬，在仿真前首先對(duì)板簧剛度進(jìn)行校核和修正。氣囊剛度采用實(shí)測(cè)剛度曲線。

進(jìn)行干涉校核時(shí)，在左右板簧與車橋固定處分別施加集中載荷，載荷的大小為設(shè)計(jì)簧上質(zhì)量的1/2，即15031.25N，分析如圖7所示：

板簧在受力變形過(guò)程中帶動(dòng)車橋運(yùn)動(dòng)，并拉動(dòng)轉(zhuǎn)向直拉桿，使轉(zhuǎn)向垂臂發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)方向盤旋轉(zhuǎn)。通過(guò)ADAMS分析，方向盤最大轉(zhuǎn)角為38.2°。為了確定分析準(zhǔn)確性，提取氣囊布置位置優(yōu)化時(shí)建立的ABAQUS分析模型中的板簧與車橋連接點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，并利用作圖法進(jìn)行干涉量校核。

根據(jù)作圖法校核結(jié)果，最大干涉量為8.9mm，會(huì)引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)下垂臂轉(zhuǎn)動(dòng)1.65°，從而帶動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)角變化為38°。兩種分析結(jié)果匯總?cè)缦卤?：

ADAMS仿真分析結(jié)果與利用ABAQUS提取板簧運(yùn)動(dòng)軌跡后的作圖法分析結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了ADAMS仿真模型的準(zhǔn)確性，另一方面該復(fù)合式前空氣懸架運(yùn)動(dòng)干涉量過(guò)大，不符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，需要進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 ? 硬點(diǎn)位置優(yōu)化

利用ADAMS建立仿真分析模型的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以快速地進(jìn)行相關(guān)參數(shù)優(yōu)化分析，ADAMS參數(shù)化建模提供了三種類型的參數(shù)化分析方法：設(shè)計(jì)研究（Design study）、試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）和優(yōu)化分析（Optimization）。

設(shè)計(jì)研究（Design study）：通過(guò)設(shè)計(jì)研究可以得到設(shè)計(jì)變量的變化對(duì)樣機(jī)性能的影響，并獲得設(shè)計(jì)變量的靈敏度，適用于變量較少的情況。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）：該方法主要考慮在多個(gè)設(shè)計(jì)變量同時(shí)發(fā)生變化時(shí)各設(shè)計(jì)變量對(duì)樣機(jī)性能的影響，分析中需創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量矩陣，從而得到所有可能的變量組合，適用于多個(gè)變量問(wèn)題，主要是用來(lái)確定哪些因素的影響比較大。

優(yōu)化分析（Optimization）：在滿足各種設(shè)計(jì)條件和制定的變量變化范圍內(nèi)，通過(guò)自動(dòng)地選擇設(shè)計(jì)變量，由分析程序求取目標(biāo)函數(shù)的最大值或最小值。該方法與試驗(yàn)設(shè)計(jì)是相互補(bǔ)充的，它可以對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析得出的主要影響因素進(jìn)行優(yōu)化。

本文采用設(shè)計(jì)研究（Design study）分析方法，以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)垂臂下節(jié)點(diǎn)的Z坐標(biāo)作為變量，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)限制等因素，其變量范圍設(shè)定為（-150mm，150mm）。

上圖中橫坐標(biāo)是相對(duì)現(xiàn)設(shè)計(jì)狀態(tài)Z坐標(biāo)值變化值，縱坐標(biāo)是方向盤轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)垂臂下節(jié)點(diǎn)的Z坐標(biāo)在從-150mm到150mm的變化過(guò)程中，方向盤最大轉(zhuǎn)角的最小值為31.46度，此時(shí)轉(zhuǎn)向垂臂下節(jié)點(diǎn)已達(dá)到結(jié)構(gòu)限制的極限位置，仍然無(wú)法滿足要求，因此需要優(yōu)化板簧硬點(diǎn)位置。

將板簧固定端和吊耳端軸套高度降低約30mm，然后再利用ADAMS軟件對(duì)轉(zhuǎn)向垂臂的硬點(diǎn)位置進(jìn)行了分析，優(yōu)化后相關(guān)硬點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。優(yōu)化后懸架運(yùn)動(dòng)干涉明顯改善，方向盤在懸架極限上跳時(shí)最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度降到15.5°。

4 ? ?結(jié)論

（1）本文首先建立了前懸架的ABAQUS非線性分析模型，并對(duì)比了氣囊布置在不同位置時(shí)板簧應(yīng)力等的變化情況，據(jù)此確定了氣囊的最佳位置;

（2）利用ADAMS軟件建立了前懸架運(yùn)動(dòng)干涉校核模型，并進(jìn)行了相關(guān)硬點(diǎn)位置的優(yōu)化分析，確定了相關(guān)硬點(diǎn)的最優(yōu)位置。

（3）本文所用復(fù)合式前懸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、優(yōu)化及分析方法對(duì)類似結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳家瑞. 汽車構(gòu)造[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：199.

[2]王文林，侯志超. 汽車空氣懸架研究進(jìn)展[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2018，9（1）.

[3]姜立標(biāo)，王登峰. 電控空氣懸架控制算法研究[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，08（3）.

[4]趙衛(wèi)艷. 某卡車橫向推力桿支架的仿真分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2005，23（9）.

[5]喻凡，黃宏成，管西強(qiáng). ?汽車空氣懸架的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 汽車技術(shù)，2010，08（6）.

[6]唐憬憬，鄧楚南.空氣懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響[J]. 北京汽車，2007，5（43）.

[7]唐波. 從2016年北京車展看我國(guó)重卡汽車懸架發(fā)展[J]. 商用汽車，2016.06（85）.

尹中保

畢業(yè)于中南大學(xué)，碩士學(xué)歷，現(xiàn)就職于東風(fēng)柳州汽車有限公司，任CV技術(shù)中心設(shè)計(jì)師，主要研究方向：底盤設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化等。

專家推薦語(yǔ)

王 ? 坤

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

整車技術(shù)部副總工程師 ?高級(jí)工程師

本論文在復(fù)合式前空氣懸架的空氣彈簧的計(jì)算分析上采用了ABAQUS非線性有限元分析的方法，對(duì)板簧該位置進(jìn)行了重載彎曲和緊急制動(dòng)工況下板簧的應(yīng)力分析計(jì)算;再結(jié)合其分析結(jié)果，利用ADAMS多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)干涉校核和優(yōu)化，對(duì)于該類分析軟件在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上的應(yīng)用，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得相關(guān)專業(yè)人員的參考和借鑒。