基于ADAMS/Car的兩種商用車空氣懸架建模及性能分析

趙 軒，李智超，王 媛

基于ADAMS/Car的兩種商用車空氣懸架建模及性能分析

趙 軒，李智超，王 媛

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

文章介紹了兩種空氣懸架的結(jié)構(gòu)差異和空氣懸架系統(tǒng)多體建模方法，在ADAMS/Car中完成兩種空氣懸架多體模型的建立，對(duì)比分析了平行輪跳和反向輪跳兩種試驗(yàn)工況，結(jié)果表明，兩種空氣懸架的運(yùn)動(dòng)桿系對(duì)整車行駛平順性影響較小，多功能穩(wěn)定桿相比穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)空氣懸架有利于改善車輛行駛穩(wěn)定性，該研究結(jié)果為商用車空氣懸架方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

商用車空氣懸架；穩(wěn)定桿；多功能穩(wěn)定桿；ADAMS/Car

隨著我國(guó)長(zhǎng)途物流運(yùn)輸行業(yè)的蓬勃發(fā)展以及新國(guó)標(biāo)GB1589和GB7258的實(shí)施，空氣懸架在快遞運(yùn)輸和危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車中得到了大量應(yīng)用[1]，各主機(jī)廠基于各自的技術(shù)路線研發(fā)了不同結(jié)構(gòu)的懸架，汽車懸架的特性是懸架系統(tǒng)的重要指標(biāo)。因此，本文針對(duì)某6×4牽引車后懸架，重點(diǎn)從懸架性能方面研究?jī)煞N具有代表性的空氣懸架方案差異，以便指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

1 兩種商用車空氣懸架方案簡(jiǎn)介

空氣懸架是利用空氣彈簧傳遞垂直載荷的一種懸架形式，一般是由空氣彈簧、推力桿、穩(wěn)定桿、減振器等零件組成。圖1為兩種空氣懸架結(jié)構(gòu)，其中圖1(a)為傳統(tǒng)的雙橋八氣囊穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)空氣懸架，圖1(b)為一種雙橋八氣囊多功能穩(wěn)定桿空氣懸架。圖1(b)與圖1(a)空氣懸架的導(dǎo)向桿系不同，圖1(b)所使用的多功能穩(wěn)定桿空氣懸架是在圖1(a)這種傳統(tǒng)穩(wěn)定桿空氣懸架基礎(chǔ)上，將四件下推力桿和兩件穩(wěn)定桿優(yōu)化為兩件集成穩(wěn)定桿，如圖2所示。多功能穩(wěn)定桿空氣懸架的零件數(shù)量減少、成本和重量降低等優(yōu)勢(shì)，更加貼合商用車輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 兩種空氣懸架結(jié)構(gòu)

圖2 多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)變化

2 相關(guān)參數(shù)

兩種空氣懸架相關(guān)參數(shù)如表1所示，本文基于表1參數(shù)研究了穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)和多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)兩種空氣懸架對(duì)車輛性能的影響。

表1 兩種空氣懸架相關(guān)參數(shù)

項(xiàng)目穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu) 工作氣壓/bar6.86.8 滿載簧載質(zhì)量/kg13 00013 000 空氣彈簧直徑/mm290290 空氣彈簧剛度/(N/mm)126126 壓縮行程/mm100100 拉伸行程/mm140140 穩(wěn)定桿直徑/mm58 V型推力桿直徑/mm5252 下推力桿直徑/mm50 多功能穩(wěn)定桿直徑/mm 70

3 空氣懸架剛度特性

對(duì)于商用汽車，空氣懸架具有較好的行駛平順性特性，深受快遞運(yùn)輸、危險(xiǎn)品及精密儀器運(yùn)輸用戶的青睞，但該類空氣懸架采用的空氣彈簧垂直剛度小、彈簧布置中心距小，使得懸架側(cè)傾剛度較小，車輛轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生較大側(cè)傾角，進(jìn)而會(huì)對(duì)汽車操穩(wěn)性能產(chǎn)生不利影響。為兼顧汽車行駛平順性和操穩(wěn)性能，使用空氣懸架的車輛需增加橫向穩(wěn)定桿以增加整車側(cè)傾角剛度[2]。本文在空氣彈簧和相關(guān)布置尺寸不變情況下，按照式（1）分別對(duì)穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)和多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)空氣懸架的側(cè)傾剛度進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果顯示多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)比穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)空氣懸架側(cè)傾剛度大34%。

式中，1為空氣彈簧剛度；2為穩(wěn)定桿剛度；為簧距；為懸架總側(cè)傾剛度。

4 空氣懸架ADAMS多體動(dòng)力學(xué)建模

4.1 穩(wěn)定桿和多功能穩(wěn)定桿柔性體建立

利用ADAMS建立穩(wěn)定桿模型[3]，進(jìn)一步分析兩種穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)對(duì)空氣懸架系統(tǒng)的影響。對(duì)于穩(wěn)定桿和多功能穩(wěn)定桿這類變形較大的彈性元件，為更準(zhǔn)確地分析其特性，應(yīng)將這類零件進(jìn)行柔性體處理，因此將穩(wěn)定桿和多功能穩(wěn)定桿的三維模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行有限元前處理、網(wǎng)格劃分，材料特性定義，并進(jìn)行模態(tài)分析后輸出穩(wěn)定桿和多功能穩(wěn)定桿的MNF文件，如圖3所示。

圖3 兩種穩(wěn)定桿柔性體模型

4.2 空氣彈簧屬性文件

通過導(dǎo)入特性文件來(lái)建立ADAMS/Car空氣彈簧模型[4]，編輯氣囊直徑、初始安裝高度和剛度曲線等參數(shù)；剛度曲線圖由多條曲線組成，代表不同氣壓下初始空氣彈簧載荷-位移數(shù)據(jù)。通過仿真軟件將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，得到空氣彈簧的剛度，如圖4所示。

圖4 ADAMS/Car空氣彈簧特性曲線

4.3 空氣懸架總成仿真模型

在ADAMS Car/Template 模塊中分別建立懸架模板、穩(wěn)定桿模板和多功能穩(wěn)定桿模板，再用已生成的模板在ADAMS Car/Standard標(biāo)準(zhǔn)界面建立各子系統(tǒng)[5]，將穩(wěn)定桿子系統(tǒng)、多功能穩(wěn)定桿子系統(tǒng)、懸架子系統(tǒng)和試驗(yàn)臺(tái)分別進(jìn)行裝配后即完成仿真模型的建立，如圖5所示。

圖5 兩種空氣懸架仿真模型

4.4 平行輪跳工況分析

4.4.1懸架垂直剛度

為了改善車輛的平順性，在設(shè)計(jì)過程中常對(duì)垂直剛度設(shè)定較小，一般通過增加穩(wěn)定桿方式提高車輛的側(cè)傾剛度。在平行輪跳試驗(yàn)中，兩種空氣懸架垂直載荷相同，多功能穩(wěn)定桿空氣懸架比穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)的垂直剛度僅大1.1%左右，說(shuō)明在空氣彈簧參數(shù)相同時(shí)，空氣懸架導(dǎo)向桿系對(duì)車輛的垂直剛度和整車平順性影響較小。垂直載荷與車輪跳動(dòng)行程關(guān)系如圖6所示。

圖6 垂直載荷與車輪跳動(dòng)行程關(guān)系

4.4.2軸距變化

在車輛行駛過程中，軸距隨著懸架的壓縮和伸張發(fā)生變化。軸距變化較大時(shí)，會(huì)影響汽車行駛穩(wěn)定性。在平行輪跳試驗(yàn)中，車輪向上跳動(dòng)時(shí)，多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)比穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)的軸距變化僅大0.2 mm左右，車輪向下跳動(dòng)時(shí)則與之相反，差值較小說(shuō)明兩種懸架桿系對(duì)軸距變化影響不大。軸距變化與車輪跳動(dòng)行程的關(guān)系如圖7所示。

圖7 軸距變化與車輪跳動(dòng)行程關(guān)系

4.5 雙輪反向輪跳工況

4.5.1側(cè)傾中心高度

側(cè)傾中心高度是影響轉(zhuǎn)向時(shí)側(cè)傾角大小的主要因素，側(cè)傾中心越大，轉(zhuǎn)向時(shí)側(cè)傾角越趨近于簧上質(zhì)量質(zhì)心，有利于減小轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)傾力矩和側(cè)傾角，從而增加車輛舒適性和操穩(wěn)性能。降低后懸架側(cè)傾中心高度時(shí)，后懸架不足轉(zhuǎn)向特性將愈發(fā)明顯。如圖8所示，為兩種空氣懸架側(cè)傾中心高度與車輪跳動(dòng)行程關(guān)系，分析結(jié)果顯示在設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)相比穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)空氣懸架側(cè)傾中心低200 mm左右，說(shuō)明多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)空氣懸架更有利于改善車輛操穩(wěn)性。

圖8 側(cè)傾中心高度與車輪跳動(dòng)行程關(guān)系

4.5.2側(cè)傾角剛度

汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，在離心力的作用下，外側(cè)車輪的懸架彈簧被壓縮，而內(nèi)側(cè)車輪的懸架彈簧被伸張，從而使車輛產(chǎn)生橫向傾斜，引發(fā)橫向角振動(dòng)并引起內(nèi)外側(cè)車輪的載荷產(chǎn)生變化。在懸架設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)，多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)的側(cè)傾角剛度為1.18E+07 Nmm/deg，穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)的側(cè)傾角剛度為6.46E+06 Nmm/deg，如圖9所示，多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)提供的側(cè)傾角剛度大于穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)，說(shuō)明多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)有利于改善車輛行駛穩(wěn)定性。

圖9 側(cè)傾角剛度與側(cè)傾角關(guān)系

5 結(jié)論

1）本文分析了商用車市場(chǎng)使用的兩種空氣懸架結(jié)構(gòu)，多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)集成度高、零件數(shù)量少、重量輕和成本低的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

2）本文基于ADAMS/Car介紹了空氣懸架系統(tǒng)多體建模方法，完成兩種空氣懸架的建模與仿真，結(jié)果顯示，運(yùn)動(dòng)桿系對(duì)于整車行駛平順性無(wú)影響；多功能穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)空氣懸架相比穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)空氣懸架，具有側(cè)傾中心低和側(cè)傾剛度大的特點(diǎn)，在改善整車行駛穩(wěn)定性方面貢獻(xiàn)較大。同時(shí)，所得結(jié)論可為工程實(shí)踐提供較好理論支撐，為空氣懸架設(shè)計(jì)選型提供理論依據(jù)，有益于提高設(shè)計(jì)開發(fā)效率。

[1] 姜立標(biāo),王登峰.貨車空氣懸架的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,21(1):66-69.

[2] 徐興,施天玲,江昕煒,等.準(zhǔn)零剛度空氣懸架系統(tǒng)建模與動(dòng)態(tài)特性研究[J].振動(dòng)與沖擊,2021,40(24):205- 211.

[3] 李琤.剛?cè)狁詈戏€(wěn)定桿模型對(duì)懸架側(cè)傾剛度影響分析[J].噪聲與振動(dòng)控制,2021,41(1):61-65.

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[5] 紀(jì)秀業(yè),侯獻(xiàn)曉,袁曉紅.基于ADAMS的某乘用車懸架系統(tǒng)匹配計(jì)算[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2021,38(7):90-95.

Modeling and Performance Analysis of Two Commercial Vehicle Air SuspensionSystems Based on ADAMS/Car

ZHAO Xuan, LI Zhichao, WANG Yuan

( Automotive Engineering Research Institute,Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

This paper introduces the structural differences of the two air suspensions and the multi-body modeling method of the air suspension system,the establishment of the multi-body models of the two air suspensions in ADAMS/Car, and compares and analyzes the two test conditions of parallel wheel jump and reverse wheel jump. The results show that the motion linkage of the two air suspensions has little impact on the ride comfort of the whole vehicle, compared with air suspension with stabilizer bar structure, multifunctional stabilizer bar is beneficial to improve vehicle driving stability.

Commercial vehicle air suspension; Stabilizer bar; Multi-function stabilizer bar;ADAMS/Car

U463.1

A

1671-7988(2023)11-101-05

趙軒（1990－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠嚨妆P設(shè)計(jì)，E-mail:zhaoxuan@sxqc.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.018