混合動力客車空氣懸架平順性仿真分析

劉世達，王衛東，張 琦

（德州學院 汽車工程系，山東 德州 253023）

混合動力客車空氣懸架平順性仿真分析

劉世達，王衛東，張 琦

（德州學院 汽車工程系，山東 德州 253023）

空氣懸架以其自身的優勢在混合動力汽車中的具有良好的應用前景，文章利用動力學軟件ADAMS建立帶有空氣懸架的混合動力客車整車模型，并對模型進行了脈沖路面輸入和隨機路面輸入下的仿真，由仿真分析可知在隨機路面和脈沖路面激勵該混動客車具有良好的平順性，對整車的開發提供一定依據。

空氣懸架；ADAMS；平順性；仿真分析

現階段純電動汽車具有無污染、節能效率高的特點，但受電池容量的制約，續駛里程短始終是限制電動汽車發展的瓶頸，而在這種情況下混動汽車采用油電混合模式，降低了對蓄電池的依賴，現階段更具有推廣優勢。文章即以某帶空氣懸架的混合動力客車為例，利用ADAMS軟件對整車的平順性進行仿真分析，為新能源汽車特別是混動客車的開發提供一定指導作用。

1 空氣懸架的優勢

混合動力客車在底盤結構分布、使用工況、載荷受力以及運動性能等方面與傳統內燃機客車有著較大的差異，同時混動車型由于電驅動系統的加入，使整車重量有了較大的增加，對懸架支撐承載提出了更高的要求，文章采用使用性能更具有優勢的空氣懸架，其主要特性如下：首先空氣彈簧具有較高的質量儲能量，即在較小的自身質量下可以承載更多的懸架載荷。其次空氣彈簧與傳統彈簧相比，具有較好的非線性彈性特性，具有較寬廣的載荷穩定范圍，同時也能獲得較低的固有頻率[1]。

2 整車結構布置

汽車在行駛過程中所表現出來的動態性能特征，主要由汽車內部發動機、傳動系的分布以及外部環境路面不平等因素引起。文章研究的整車為普通客車通過對底盤改進而來的混動形式，即在原車型的基礎上增加驅動電機、驅動電池、以及電路控制器等，以上系統在底盤的重新布置對整車的質心位置有了一定程度的改變，進而影響到整車的平順性和操作穩定性。

（1）前后懸架的建模。前懸架采用非獨立式，其組成主要有左右空氣彈簧（氣囊）和阻尼減振器，為確保左右輪上車身高度一致，安裝統一左右車輪高度的調節閥。在以上變化的基礎上對車橋和懸架的選擇進行綜合調整，以便降低地板離地高度，增大車能通道寬度，以適應客車的使用要求。根據采用的樣車數據在ADAMS中建立相關前懸架模型。

根據客車的使用用途本模型后懸架采用非獨立式空氣懸架。通過對原樣車硬點數據采用，對后懸架動力學模型進行設計。通過ADAMS運動學參數、質量參數、力學特性參數的調整和定義建立符合本樣車的非獨立后懸架模型。同時，為提高整車橫向穩定性，對后懸架的設計通常加大左右安全氣囊的中心距，增加橫向穩定桿等措施。

（2）整車模型的建立。本文所采用的虛擬樣機模型主要包括前、后懸架系統、底盤系統、輪胎模型以及整車車身，以上模型的建立主要通過ADAMS/car模塊通過相應參數的修改而來。其中轉向系統為機械式，輪胎模型選用UA輪胎模型。混合動力客車采用大型客車的車身和底盤，相對于原型車而言，由于電動驅動系統的加入，使總體布置發生了改變，從而引起車輛質心位置的變化，仿真模型中的質心位置用一質量圓球代替，通過對樣車的計算合理安排圓球的位置。通過以上各個模型的建立，整車模型的結構基本上完成，建立的整車模型如圖1所示。

圖1 整車模型

3 整車模型仿真分析

（1）隨機路面下平順性仿真。隨機路面下的車輛振動輸入主要為路面激勵，也就是路面不平度，文章通過路面功率譜密度來反應路面特性。為使仿真中的路面激勵具有代表性，仿真中采用的是功率譜密度值為64的B級路面，因為篇幅的限制本文只分析了車輛在60km/h的常用速度下車身位置處振動，主要通過振動加速度來反應，為直觀的反應振動特性這里將振動加速度轉換為加速度功率譜密度曲線，如圖2所示。由圖2水平方向加速度功率譜密度曲線圖和3垂直方向加速度功率譜密度曲可以看出，水平方向加速度功率譜密度的峰值出現在4.8Hz位置，避開了0.5～2Hz的人體敏感范圍；同樣垂直方向加速度功率譜密度的峰值出現在2.3Hz位置，同樣避開了4～12.5Hz的人體敏感頻率。有以上分析可以看出該混合動力客車模型以60km/h的速度在隨機路面上行駛具有良好的平順性，人體乘坐舒適性較好。

圖2 水平方向加速度功率譜密度曲線

圖3 垂直方向加速度功率譜密度曲線

（2）脈沖路面下平順性仿真。當車輛駛過路面障礙物、減速帶、以及凸起或者凹坑時，車輛會受到來自路面的瞬時沖擊，這就相當于路面對汽車實施了脈沖激勵。雖然該振動沖擊的時間較短，但車身受到的瞬時沖擊較大，而且其沖擊大小和持續時間的長短對汽車的平順性和舒適性非常大的影響。本文根據GB/T4970-1996《汽車平順性隨機輸人行駛試驗方法》使用三角形凸塊來模擬道路上的脈沖激勵，三角形高度為60mm、底邊長400mm的凸塊。當汽車以60km/h的速度駛過此凸塊時的車身垂直方向的加速度曲線如圖4所示。用同樣的方法仿真出車輛在速度為20km/h、40km/h、60km/h、80km/h和100km/h使通過凸塊時，車身位置處垂直加速度響應曲線并轉換成垂向加速度響應值Zmax如表1所示。根據ISO2631標準對平順性影響的評價方法：傳遞給乘員的最大加速度響應絕對值超過43.02m/s2時將危害人體健康，低于31.44m/s2時對人體健康沒有危害。仿真結果顯示，該模型在常用車速下的最大加速度響應值均小于31.44m/s2，說明該車在脈沖輸入路面以100km/h以下速度行駛對人體健康沒有危害。

圖4 60km/h車身垂向加速度響應

表1 不同車速下的Zmax（km/h）

4 結論

以上通過對該混動客車整車虛擬樣機的仿真分析可以看出，該客車在車速為60km/h時行駛在隨機路面上具有良好的平順性；同時在車速低于100km/h時在脈沖路面激勵下對人體健康沒有危害，同樣具有較好平順性。通過結構分析可知，以上結果的產生是因為混動客車的改裝使車輛的結構發生一定變化，引起整車質心高度下降，使平順性提高，但簧載質量增加會引起對操縱穩定性的變化。為了研究整車性能，在下一步研究中應該對操縱穩定性進行響應分析。

［1］劉世達.基于虛擬樣機客車空氣懸架參數匹配研究［D］.沈陽:沈陽理工大學，2013，5-15.

［2］吳然然，王繼先，馮能蓮，等.基于ADAMS的電動客車平順性仿真分析［J］.機械工程師，2008(12):76-78.

［3］朱強，張悅.混合動力客車獨立前懸架運動學建模與操穩性仿真分析［J］.鄭州大學學報，2014（7）：53-55.

［4］王望予.汽車設計［M］.北京機械工業出版社，2005，178-234.

［5］張建輝.基于ADAMS的汽車操縱穩定性研究［D］.西安：長安大學，2008.

Analysis of Ride Com fort Simulation of Hybrid Electric Bus Air-suspension

LIU Shi-da，WANG Wei-dong，ZHANG qi
（Automobile Engineering Department of Dezhou College，Dezhou，Shandong 253023，China）

Air-suspension based on its advantages has good application prospect in the hybrid vehicle.This paper describes Hybrid electric bus virtula prototypemodel which is established bymulti-body dynamics simulation software ADAMS. And themodel is simulated and analyzed under pulse and random inputs.The results show that the Hybrid electric busmeets the requirements of ride comfort under pulse inputs and random inputs，and it provide a basis for further analysis.

air suspension；ADAMS；ride Comfort；simulation

U462.2+2

A

2095-980X（2015）08-0053-02

2015-06-19

德州學院科技發展計劃項目。

劉世達（1987-），男，山東菏澤人，助教，碩士，主要研究方向：汽車底盤懸架。