重型商用車平衡懸架性能研究及分析平臺構建

趙雷雷 李勝 黃德惠 宋乃華 王娜 李棟

（一汽解放青島汽車有限公司）

重型商用車平衡懸架性能研究及分析平臺構建

趙雷雷 李勝 黃德惠 宋乃華 王娜 李棟

（一汽解放青島汽車有限公司）

針對重型商用車鋼板彈簧平衡懸架分析困難、開發周期長的問題，利用多體動力學方法建立了鋼板彈簧平衡懸架動力學模型；利用優化軟件Isight集成Adams軟件和Matlab軟件，調用word軟件直接生成研究報告，從而構建了鋼板彈簧平衡懸架分析平臺。通過實例分析與試驗驗證表明，所建立的鋼板彈簧平衡懸架模型是正確的，所開發的分析平臺高效可靠，可實現對重型商用車鋼板彈簧平衡懸架的快速開發和匹配。

1 前言

目前，在重型商用車懸架系統中被廣泛應用的依然是鋼板彈簧平衡懸架。由于鋼板彈簧平衡懸架的空間幾何關系復雜，對其模型化及參數分析困難，導致不能對其關鍵力學性能進行快速、準確的分析和預測，致使鋼板彈簧平衡懸架設計和匹配中易存在問題，因而在其使用過程中出現諸多故障[1]，而這些故障會降低鋼板彈簧平衡懸架的性能，限制整車性能的提高。

由相關資料可知，國內外學者僅針對平衡懸架某一或某幾個性能進行了研究[2～8]，且大多是根據鋼板彈簧平衡懸架實際結構，采用傳統的平順性分析方法進行等效簡化[9～11]。但這種分析方法降低了設計及分析結果的精度，因此必須尋求一種快速、高效的研究方法，建立鋼板彈簧平衡懸架開發平臺，以便在整車研制階段就能全面掌握和預測其設計參數對性能影響的規律，從而改善車輛穩定性、提高安全性和乘坐舒適性。

本文根據鋼板彈簧平衡懸架的特點，利用多體系統動力學理論及相應軟件建立其動力學模型，利用軟件Isight為基礎平臺并集成Adams軟件和Matlab軟件對懸架性能進行研究，構建適用于重型商用車鋼板彈簧平衡懸架的分析和設計平臺。

2 鋼板彈簧平衡懸架物理模型

鋼板彈簧平衡懸架以鋼板彈簧為彈性元件，具有較強的承載能力和良好的通過性，在重型商用車上得到了廣泛應用。某鋼板彈簧平衡懸架物理模型如圖1所示，主要由車架、鋼板彈簧、平衡軸總成、V型推力桿（前V型推力桿和后V型推力桿）、直推力桿（共4支）、中橋、后橋等組成。

3 鋼板彈簧平衡懸架建模

3.1 鋼板彈簧平衡懸架模型構建

根據鋼板彈簧平衡懸架CAD模型建立如圖2所示坐標系；利用Adams構建鋼板彈簧平衡懸架多體系統動力學模型，如圖3所示。其中，整體坐標系（xyz）原點o位于車架上平面橫梁中心，x軸正方向為懸架縱向平面內由中橋指向后橋，z軸正方向垂直車架上平面向上，y軸正方向根據右手定則確定。在桿系球頭位置處均建立局部坐標系。

鋼板彈簧平衡懸架多體系統動力學模型的基本信息如表1所列。該動力學模型主要包括車架子系統、懸架子系統、中橋及后橋子系統、軸間傳動軸子系統、四立柱試驗測試臺子系統等6個子系統，具有127個自由度。在該動力學模型中，采用單片鋼板彈簧等效代替多片鋼板彈簧；在鋼板彈簧與中、后橋上的左、右鋼板彈簧支座之間，利用AdamsView中的接觸Contact（Solid to Solid）建立了4個約束連接；在車架與中、后橋之間，利用AdamsCar中的Bumpstop建立了4個限位塊；在桿系球頭位置除建立運動副之外，利用Bushing共建立14個橡膠襯套。輪胎為11.00-20型，綜合考慮模型的準確度和參數的可獲取性，選用適用于平順性分析的UA輪胎模型建模。模型中懸架的幾何參數、質量參數及轉動慣量依據CAD模型獲取；力學參數如橡膠剛度特性曲線、鋼板彈簧彈簧剛度特性等參數均采用實測參數值及廠商提供的試驗數據。

表1 模型基本信息

3.2 路譜輸入

由于Adams/Car中自帶的四立柱試驗臺不便于對平衡懸架進行靜力學分析，故在該研究中構建了能夠對平衡懸架快速進行靜力學分析的試驗臺，在該試驗臺上可以施加各種路譜激勵。為模擬商用車通常行駛路況中的真實行駛振動情況，路面輸入采用GB7031—86標準路譜等級。根據標準GB7031—86《車輛振動輸入―路面平度表示方法》，路面不平度位移功率譜密度擬合式為：

式中，n為空間頻率；n0=0.1 m-1為參考頻率；Gd（n0）為路面不平度系數；w為頻率指數。

采用諧波疊加法生成隨機不平度路面，并導入Adams中，步驟如下。

a.將路面不平度位移功率譜密度的空間頻率區間（n1，n2）劃分為N個，每小區間標準差為，其中，nmid-i是第i（i=1，2，3…N）個區間的中心頻率；Δni為第i個區間的頻率間隔。

b.路面不平度空間頻域第i個小區間相應的時域為，其中，θi為[0， 2π]上均勻分布的隨機數。

c.時域下路面不平度可以表達為每個三角函數的疊加：

d.按照路面不平度等級分類標準，采用MAT?LAB計算出相應的A、B、C、D等4級路面不平度。

e.將MATLAB生成的4級路面不平度數據導入Adams中。如，在Adams中生成的D級路譜如圖4所示，在整車行駛振動仿真時，可直接調用x隨y的變化曲線，從而提供路面激勵輸入。

4 鋼板彈簧平衡懸架分析平臺開發

鋼板彈簧平衡懸架系統零部件繁多，利用模型仿真計算時迭代次數多、數據規模大。僅利用Adams軟件可針對某一需求工況對鋼板彈簧平衡懸架進行分析，但對于多工況、多需求任務的分析及設計結果的提取較困難和繁瑣，分析和設計效率低。為此，必須利用虛擬試驗技術，借助于集成軟件提供基礎平臺，構建鋼板彈簧平衡懸架開發平臺。

4.1 鋼板彈簧平衡懸架分析平臺功能

4.1.1 靜力學分析

鋼板彈簧平衡懸架靜力學分析是通過分析懸架在空載、半載及滿載狀態下的各項性能指標，從而全面掌握懸架的靜力學特性。如，對中后橋轉角的分析可為轉動軸的布置提供參考和依據；對各部件模態頻率的分析便于設計者全面掌握懸架的偏頻，合理布置懸架的頻率分布，從而提高舒適性；對軸距變化的分析可為解決輪胎過度磨損問題提供數據支持。

4.1.2 運動學分析

鋼板彈簧平衡懸架運動學分析是通過分析懸架在單輪跳動工況、俯仰運動工況、側傾運動工況及對扭運動工況下相應指標的變化，確定平衡懸架機構的空間幾何參數及其變化規律。

4.1.3 動力學分析

鋼板彈簧平衡懸架動力學分析是通過分析懸架在不同載荷（空載、半載和滿載）、不同路面（A級～D級）和不同車速（40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h），共48種組合工況下各項性能指標的變化，從而為改善懸架性能提供依據。如，通過對不同工況下限位塊撞擊幾率的分析，可為限位塊提供設計依據，使得限位塊充分發揮在惡劣路況下的防撞功能并避免過早損壞；通過對輪荷變化的分析可獲得車輪相對動載數據，便于評價和提高懸架的安全性；通過對車架振動加速度的分析，使設計人員全面掌握設計參數對舒適性影響的規律，以進一步提高整車舒適性能；通過對不同工況下橡膠襯套的受力和變形分析，可實現橡膠襯套剛度、強度與不同車型的懸架的合理匹配，避免過早磨損；通過對組合工況下各動力學指標的分析，可為如何選用平衡軸鑄造一體式結構、分開式結構提供依據，便于實現不同車型對平衡軸結構的合理匹配。

4.2 鋼板彈簧平衡懸架分析平臺構建

素質教育更注重對學生綜合水平的培養，這種培養可以讓學生更好地適應這個社會。在這個培養過程中，教學的多樣性引導應該被體現出來。音樂是一種能很快讓學生產生情感共鳴的一門藝術，且學生對音樂具備一定的喜愛性。在進行初中音樂課程教學的過程中，應充分發揮這種喜愛性，并做到對學生的適當引導教學，幫助學生進行全面的發展，全面助力素質教育的推進。

以多學科/多目標優化軟件Isigh為基礎平臺來構建鋼板彈簧平衡懸架分析平臺，如圖6所示，其執行流程如圖7所示，可以滿足圖5所示的所有功能需求。

該分析平臺共包含7個模塊，按照執行順序依次為：

a.利用其驅動欄中的Task模塊建立鋼板彈簧平衡懸架總分析任務單元（Susp analyses）；

b.利用試驗設計模塊DOE的試驗功能，按順序分配鋼板彈簧平衡懸架分析的每一項任務；

c.利用Activities欄中的Matlab模塊建立參數修改單元（Modify Paras），負責執行不同任務時的參數修改；

d.利用通用集成模塊Simcode建立鋼板彈簧平衡懸架多體動力學模型求解模塊（Runsolver），從而調用采用Adams/car軟件所建立的鋼板彈簧平衡懸架多體動力學模型，并利用Adams軟件的標準求解器進行求解；

e.利用Simcode建立仿真計算數據后處理模塊（RunAview），用于對所求解結果的后處理；

f.利用Matlab模塊建立文件名重命名單元（Re?name File），負責修改生成的結果文件名與分析任務相統一；

g.利用Matlab模塊建立生成報告單元（Re?name File），負責調用word文檔生成鋼板彈簧懸架研究報告。

該分析平臺為開放平臺，如果以試驗設計模塊DOE替換Isight中的優化模塊，則可實現對鋼板彈簧平衡懸架的多目標優化設計，其優化設計流程如圖8所示。如，以橡膠襯套的剛度及桿系球頭局部坐標系的原點點位為優化變量，以車架加權加速度為舒適性指標，以車輪相對動載為安全性指標，建立多目標優化目標函數，對平衡懸架的安全性和舒適性協同優化。同時，可根據研發需求增加分析功能模塊，構建一個功能更齊全、更高效的虛擬試驗平臺，實現聯機協同仿真，協調各科研人員的輸入和輸出。還可以依托此平臺構建使用鋼板彈簧平衡懸架的重型商用車整車仿真與設計平臺，使虛擬試驗成為一個整體，從而實現懸架匹配與整車試驗的一體化設計。

5 鋼板彈簧平衡懸架分析實例與試驗驗證

根據圖1所示鋼板彈簧平衡懸架的實際參數建立了多體動力學模型，并利用鋼板彈簧平衡懸架分析平臺進行仿真計算，快速自動生成了鋼板彈簧平衡懸架分析報告word文檔。該分析報告的分析數據主要由鋼板彈簧平衡懸架的靜力學分析結果、運動學分析結果、動力學分析結果三部分組成，每部分都由數據分析表（共35個）、數據分析指標曲線（動力學分析48種工況，每種工況有42條曲線，共2 016條）、分析結論等組成。其中，鋼板彈簧平衡懸架靜力學分析結果基本數據如表2所列，可用于對模型的正確性和分析平臺的可靠性進行驗證。

表2 靜力學分析結果基本數據

為驗證分析平臺的可靠性，進行了鋼板彈簧平衡懸架的靜力學試驗，包括輪荷測試、鋼板彈簧變形量測量、中后橋轉角測量等，經數據處理后得到用于驗證模型的試驗數據。試驗測得空載、半載和滿載下輪荷依次為8 640 N、3 0691 N和6 2541 N，仿真計算值依次為8 450 N、30 600 N和62 400 N，相對誤差分別為2.20%、0.30%和0.23%；測得滿載情況下鋼板彈簧弧高為-11 mm，仿真計算值為-10.43 mm，相對誤差為5.18%；滿載中橋姿態角試驗值為-3.39°，仿真計算值為-3.43°，相對誤差為1.18%；后橋姿態角試驗值為-3.53°，仿真計算值為-3.55°，相對誤差為0.57%。根據表2及試驗數據的對比可知，所建立的鋼板彈簧平衡懸架模型是正確的，所開發的鋼板彈簧平衡懸架分析平臺是可靠的。因此，該平臺可用于對重型商用車鋼板彈簧平衡懸架進行分析設計和匹配，利用其分析結果和結論，能夠使設計人員在整車研制階段全面掌握和預測其設計參數對性能影響的規律，利于提高整車性能。

6 結束語

利用優化軟件Isight集成Adams軟件、Matlab軟件及word軟件構建了重型商用車鋼板彈簧平衡懸架開發平臺。通過實例仿真和試驗驗證表明，所開發的平臺能夠快速、高效地對鋼板彈簧平衡懸架進行分析，在整車研制階段即能全面掌握和預測其設計參數對整車性能影響的規律，有利于改善車輛穩定性、提高安全性和乘坐舒適性。依托此平臺還可構建平衡懸架的整車仿真與設計平臺，使虛擬試驗成為一個整體，從而實現懸架匹配與整車試驗的一體化設計。

1 王靜，韓學禮，齊向東.載重汽車平衡懸架常見故障及其修理.森林工程，2004，20（3）：41～45.

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4 付李.重型汽車鋼板彈簧平衡懸架的仿真分析：[碩士論文].武漢：華中科技大學，2009.

5 陳一鍇，何杰，石琴，等.多軸重型貨車懸架系統改進天棚控制策略的研究.汽車工程，2011，33（4）：345～351.

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10 蒯行成，李永紅，任恒山.采用平衡懸掛系統的載重汽車的隨機響應分析.湖南大學學報，2005，32（2）：25～28.

11 楊放梁.平衡懸架的振動特性分析.武漢科技大學學報，2007，30（2）：168～170.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年12月22日。

Study on Performance of Balanced Suspension for Heavy Commercial Vehicle and Platform Construction Analysis

Zhao Leilei,Li Sheng,Huang Dehui,Song Naihua,Wang Na,Li Dong
（FAW Jiefang Qingdao Auto Co.,Ltd）

To solve the problem of the difficulties in analysis of balanced suspension for a heavy commercial vehicle and long development cycle,a model of leaf spring balanced suspension is built using multi-body system dynamics.An analysis platform is constructed with Software Isight integrated Adams with Matlab,and by calling software Word to generate research report directly.Practice analysis and test verification show that the model of leaf spring balanced suspension is accurate,and the analysis platform is efficient and reliable,which can be used for rapid development and adaptation of leaf spring balanced suspension of heavy commercial vehicles.

Heavy vehicle,Balanced suspension,Mechanical properties,Analysis platform

重型商用車 平衡懸架 力學特性 分析平臺

U463.33

A

1000-3703（2015）02-0048-05