重型車輛空氣懸架參數匹配與性能分析

張俊玲

ZHANG Jun-ling

（貴州工業職業技術學院 機械與電氣工程學院，貴陽 550003）

0 引言

隨著基礎建設及交通運輸需求的不斷加大，重型車輛逐漸成為研究熱點[1]。作為汽車車身與車軸的彈性連接件，懸架系統主要實現車輪與車架之間的力矩傳遞，通過緩和、衰減路面激勵對車橋及車身帶來的沖擊、振動，保持車輛良好的平順性、行駛穩定性及道路友好性[2]。隨著我國居民生活水平的提高，人們對重型車輛性能提出了更高的要求。空氣懸架是以空氣彈簧為主要彈性元件，由于其具有剛度可變、高度可控、自振頻率低、隔聲性能好和高頻振動吸收率高等特點，近些年逐漸成為應用及研究熱點[3]。

當前，國內空氣懸架技術還存在諸多待解決的問題，由于空氣彈簧的強非線性，對空氣懸架參數匹配的研究一般是推導數學模型進行仿真分析，往往數學公式中一個參數的錯誤就會導致仿真結果與真實情況大相徑庭[4]。本文應用AMESim對空氣懸架重型車輛進行建模及參數匹配研究，借助軟件對于動力學系統的建模優勢，分析空氣懸架阻尼系統的改變對車輛各方面性能的影響，推導出空氣懸架系統參數匹配相應結果。為國內空氣懸架的研究提供一種新的思路，充實重型車輛空氣懸架領域的研究。

1 空氣懸架建模

因重型貨車要經常性的出現在各種道路環境復雜的場所，比如礦山、工廠、碼頭等，特別是用于長途運輸的重型貨車，由于線路長、國家道路建設實力的有限性，可能要多次行駛在不同的路面。基于這種情況考慮，本論文重點研究重型貨車在滿載行駛時空氣懸架的參數匹配。

1.1 空氣彈簧參數確定

以某型號重型貨車為參考模型，其參數如表1所示。對于前懸架，左右兩邊各一個空氣彈簧，在滿載工作狀況下，前懸架每個空氣彈簧最大承受載荷為4260÷2=2130（kg）；后懸架每個空氣彈簧的最大承受載荷為15660÷4=3915（kg）。根據前后懸架載荷計算值，結合貴州輪胎集團有限公司的《前進牌橡膠空氣彈簧使用手冊》，選定前空氣彈簧型號為IT15M-0（其載荷范圍為：840kg～3430kg），后空氣彈簧型號為IT19F-7（其載荷范圍為：1540kg～4210kg），查《前進牌橡膠空氣彈簧使用手冊》分別得到各自的位移載荷曲線。

對于前懸架的空氣彈簧，設空氣彈簧初始內壓為0.5MPa，當載荷在1735kg～2130kg范圍內波動時，IT15M-0型空氣彈簧位移與載荷近似成線性正比，即空氣彈簧在此范圍內剛度基本保持不變。對于后懸架空氣彈簧，設空氣彈簧初始內壓為0.8MPa，當載荷在1612kg～3915kg范圍內波動時，IT19F-7型空氣彈簧位移與載荷亦近似成線性正比，空氣彈簧剛度值基本保持不變。

1.2 減振器

對于某種確定的車型來說，汽車載重量以及總質量為已知，空氣彈簧一旦確定，就要根據車輛的對行駛平順性、操縱穩定性以及道路友好性的要求確定減振器參數，使之與空氣彈簧更好的匹配[5]。

若只考慮減振器與空氣彈簧的匹配問題，汽車振動系統可以簡化為單質量系統振動模型，其中m為汽車懸掛質量，由車身、車架及其上的總成質量構成，C為減振器的阻尼系數，k為空氣彈簧的剛度，三者組成汽車懸架系統。q是路面輸入不平度函數。根據振動學相關理論可知懸架相對阻尼比

對于內部沒有摩擦的彈性元件，通常懸架阻尼比取。對于前空氣懸架滿載時，m=2130kg，k=260000N/m，則對于后空氣懸架滿載時29613N·s/m。取前懸架阻尼：11766N.s/m、18826N.s/m，后懸架阻尼：18508N.s/m、29613N.s/m進行空氣懸架參數匹配研究。根據上述參數，設計并建立空氣懸架三維模型，如圖1所示。

1.3 空氣懸架物理建模

結合重型貨車具體參數，提取前述三維模型相關參數，在AMESim中建立其二分之一車輛模型[6]，設置AMESim仿真參數如表1所示，仿真分析車輛在行駛時的各項參數。對于車輛行駛平順性、操縱穩定性以及道路友好性的評價，本研究分別采用座椅加速度、懸架動撓度及車輪動載荷來對應評價上述目標性能[7]。

圖1 空氣懸架三維模型

圖2 重型貨車AMESim二分之一車輛模型

2 路面輸入

據統計，我國高等級公路路面譜基本在A、B、C三級范圍之內，其中B、C級路面所占比重較大。本文針對C級路面，采用白噪聲激勵模擬法，按照隨機路面輸入模型，單個車輪受到的隨機路面激勵時域數學模型可用如下濾波方程描述：

上式中：q(t)為單輪所受隨機路面激勵，w(t)為白噪聲，α為所選路面參考空間頻率，v為車速。

采用有利函數參數估計法來估算路面等級對應的參考空間空間頻率，對各等級路面所對應的空間頻率估計值。對式(1)作拉普拉斯變換，得到其傳遞函數為：

根據傳遞函數，在AMESim中建立隨機路面激勵仿真框圖，建立C級路面車速為60km/h的路面譜。

3 參數匹配研究

仿真分析重型貨車在C級路面、車速v=60km/h滿載工作狀況下，不同懸架阻尼匹配時車輛各方面性能的變化，得到座椅加速度、前后懸架動撓度以及前后輪胎動載荷曲線。出于對比性考慮，對于所需考量的三項參數，選擇性列出其中當前懸阻尼11766N·s/m、后懸阻尼18508N·s/m時的曲線圖，如圖3（a）、圖4、圖6所示，以及當前懸阻尼18826N·s/m、后懸阻尼29613N·s/m時的曲線圖，如圖3（b）、圖5、圖7所示。

圖3 滿載時座椅加速度

表1 某重型貨車仿真參數表

圖4 滿載時懸架動撓度（前阻尼11766N·s/m、后阻尼18508N·s/m）

圖8 滿載時懸架動撓度（前阻尼18826N·s/m、后阻尼29613 N·s/m）

圖6 滿載時車輪動載荷（前阻尼11766N·s/m、后阻尼18508N·s/m）

圖7 滿載時車輪動載荷（前阻尼18826N·s/m、后阻尼29613 N·s/m）

為更好對比其他參數不變情況下的阻尼值匹配對車輛性能的影響，本研究選取不同的前后阻尼值，作出了相應的平均值表格，如表2所示。分析圖3～圖6及表2可知，在其他條件不變的情況下，懸架阻尼值的增大會導致座椅加速度的增大，車輛行駛平順性降低；懸架動撓度隨懸架阻尼值的增大而減小，車輛操縱穩定性提高；車輪動載荷隨懸架阻尼值的增大而增大，車輛道路友好性降低。

4 結論

在其他條件不變的情況下，重型貨車懸架阻尼值的增大會導致座椅加速度的增大，車輛行駛平順性降低；懸架動撓度隨懸架阻尼值的增大而減小，車輛操縱穩定性提高；車輪動載荷隨懸架阻尼值的增大而增大，車輛道路友好性降低。因此在道路較好、車輛滿載時，應適當調低阻尼值，以獲得更好的行駛平順性與道路友好性。

表2 C60滿載座椅加速度、懸架動撓度及輪胎動載平均值

[1] 劉學杰,于東娜,魏建飛,等.重型汽車提升橋結構的動態特性分析[J].機械設計與制造,2012,(11)：198-200.

[2] 常盛,王福明.基于改進BP神經網絡的空氣懸架控制研究[J].制造業自動化,2013,(18)：119-122.

[3] Feng HE, Jing ZHAO.Study on Control Strategies of Semi-active Air Suspension for Heavy Vehicles Based on Road-friendliness[J]. Advanced Materials Research ,vol.452-453, pp.328-333, 2012.

[4] 徐偉,周長城,孟婕,等.汽車懸架阻尼匹配研究及減振器設計[J].農業裝備與車輛工程,2009,(6)：19-22,26.

[5] 戚壯,李芾,黃運華,等.基于AMESim平臺的軌道車輛空氣彈簧系統氣動力學仿真模型研究[J].中國鐵道科學,2013,34(3)：79-86.

[6] 申一方,李翔晟,蔣淑霞,等.基于非線性振動模型的空氣懸架特性研究[J].制造業自動化,2014,(6)：82-85.