4×2牽引車空氣氣囊懸架結(jié)構(gòu)及裝配工藝分析及優(yōu)化

李兆輝

摘 要：基于車輛平順性和舒適性條件，優(yōu)化設(shè)計重型牽引車懸架采用空氣氣囊懸架結(jié)構(gòu)成為車輛設(shè)計部門重點研究的課題。研究以4×2牽引車懸架的基本結(jié)構(gòu)及工作原理為依據(jù)，構(gòu)建4×2牽引車懸架的數(shù)學(xué)和動力學(xué)模型，選擇與該車輛匹配的空氣氣囊懸架。仿真結(jié)果表明，空氣氣囊懸架平順性和舒適性隨著阻尼系數(shù)的改變而變化，從而獲得綜合性能最佳的阻尼系數(shù)。

關(guān)鍵詞：重型貨車懸架；平順性；舒適性；空氣氣囊懸架

中圖分類號：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.123

1 4×2牽引車懸架結(jié)構(gòu)及工作原理

懸架結(jié)構(gòu)是車架與車橋之間的一切傳力連接裝置的總稱，其通過將路面作用在車輪上的垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力以及所有反力造成的力矩傳遞到車架，從而實現(xiàn)汽車的正常行駛。牽引車作為專門或主要用于牽引掛車的汽車，其與掛車聯(lián)接的主要方式包含以下2種：①牽引車?yán)煤蠖说臓恳白罱訏燔嚽懊嬉徊糠郑瑨燔嚨牟糠仲|(zhì)量由牽引車后面的車橋承受，即半掛；②牽引車的后段通過牽引連接裝置連接掛車的前端，只為掛車提供行駛的拉力，即全掛。常見的懸架結(jié)構(gòu)包含鋼板彈簧導(dǎo)向機構(gòu)（全長鋼板彈簧并用式、鋼板彈簧后端式）、雙縱臂式導(dǎo)向機構(gòu)、雙橫臂式導(dǎo)向機構(gòu)、單縱臂式刀向機構(gòu)。

空氣懸架結(jié)構(gòu)一般都是采用非獨立懸架，囊式空氣彈簧的上下端分別固定在車架和車橋上，空氣彈簧與螺旋彈簧傳遞垂直力，推力桿傳遞縱向力、橫向力。

2 4×2牽引車建模

2.1 數(shù)學(xué)模型

以前橫向穩(wěn)定桿模型的建立為例，由于在重型汽車中空氣懸架結(jié)構(gòu)的鋼板彈簧、扭桿等會對整個系統(tǒng)的運動產(chǎn)生重要影響，特別是在平順性仿真分析過程中需要考慮柔性體的影響。ADAMS軟件分析主要是針對多剛體，但是與ANSYS軟件結(jié)合需要考慮各種零部件的彈性特征。也就是說，經(jīng)過ADAMS分析得到的結(jié)果可以為ANSYS分析提供人工難以確定的邊界條件。在利用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析的同時可以生成ADAMS使用的柔性體模態(tài)中性文件，再利用ADAMS接口將文件調(diào)入進(jìn)ADAMS生成模型中的柔性體。通過利用模態(tài)疊加法計算其在動力學(xué)、運動學(xué)中的受力情況。優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型包含目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量和約束條件3部分。其中，平順性評價指標(biāo)包含車身加速度、懸架動形成和輪胎接地力。對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時，需要考慮到駕駛員的舒適性、貨物安全及整車平順性，將引擎車和空氣懸架系統(tǒng)的阻尼系數(shù)作為設(shè)計變量。

2.2 力學(xué)模型

牽引車主要由動力總成系統(tǒng)、駕駛室、前懸架系統(tǒng)等組成。利用ADAMS軟件中的Car模塊實現(xiàn)對前懸架、后懸架、車架、鞍座等的分析，然后完成一系列操作，建立一個動力學(xué)模型。以后懸架多體動力學(xué)模型為例，采用的空氣懸架模式主要由空氣彈簧、高度控制閥、導(dǎo)向鋼板等組成，其中，導(dǎo)向鋼板彈簧的建立使用有限元軟件Hypermesh將導(dǎo)向鋼板UG模型進(jìn)行柔性化處理，將得到的結(jié)果轉(zhuǎn)化為ADAMS可以識別的模態(tài)中性文件。

3 選定空氣氣囊懸架要點

鋼板彈簧后端式這種懸架具有良好的減震效果，不僅能夠發(fā)揮導(dǎo)向作用，還能夠發(fā)揮一部分彈性元件的作用。而雙縱臂式導(dǎo)向機構(gòu)是在車橋的前、后、左、右安裝4個空氣彈簧，承受來自垂直方向的載荷，通過與橫向穩(wěn)定桿的相互配合從而提高整個汽車的側(cè)傾剛度。這種方式結(jié)構(gòu)型式簡單，安裝布置也簡單，很多大客車就是采用這種懸架。雙橫臂式導(dǎo)向機構(gòu)能夠使車輪在跳動時定位參數(shù)的變化發(fā)生在合理的范圍之內(nèi)。單縱臂式導(dǎo)向機構(gòu)能夠起到有效降低縱傾力矩中心高度的效果，這對于提升車身抗側(cè)傾能力有著重要意義。通過螺旋彈簧加減震器的方式將導(dǎo)向桿與車軸連接，對于延長使用壽命有著積極意義。在實際中，可根據(jù)不同的懸架型式特點選擇不同的空氣懸架。

4 對比不同型式懸架貨車的優(yōu)化效果

通過對不同形式的懸架貨車進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效改善汽車的行駛平順性。其具體原理是：因空氣彈簧具有理想的非線性剛度特性，能夠根據(jù)行駛道路狀況和整車參數(shù)對空氣彈簧的特性曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得額定負(fù)載保持在最小的剛度值左右，這就得到較低懸架固有振動頻率，從而達(dá)到改善汽車平順性的效果。空氣懸架剛度和阻尼都具有時變性和非線性，懸架參數(shù)的不同會引起不同的振動特性與振動效果，這對于提高車輛行駛平順性有著積極意義。空氣彈簧剛度呈現(xiàn)的是非線性，在工作狀態(tài)下處于動態(tài)變化過程中，減震器阻尼可調(diào)節(jié)，能夠與空氣彈簧動態(tài)的剛度形成最佳匹配與優(yōu)化，將空氣懸架的最高性能發(fā)揮出來。

優(yōu)化過后使用空氣懸架的汽車在操作舒適性上更加明顯，能夠有效降低駕駛疲勞，這對于提高行駛安全性有著積極意義。

5 空氣氣囊懸架裝配工藝分析及優(yōu)化

考慮到空氣懸架型式多、結(jié)構(gòu)又復(fù)雜，加上在運動的過程中橫向穩(wěn)定桿與縱向推力桿的運動過程也十分復(fù)雜，通過利用軟件建立懸架各個部分的實體買模型之后，利用軟件中的軸約束、面約束、相對位置約束功能完成裝配。

考慮到空氣懸架在運行的過程中縱向推力桿和橫向穩(wěn)定桿需要對懸架的縱向與橫向產(chǎn)生力的作用，所以保證了空氣懸架運動的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

本文對4×2牽引車空氣氣囊懸架結(jié)構(gòu)及裝配工藝進(jìn)行了重點研究與分析，本身具有一定的實用性和研究性。本次研究是根據(jù)我國目前重型載貨汽車空氣懸架的現(xiàn)實需要，在分析4×2牽引車懸架結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上開始建模，以數(shù)學(xué)建模和力學(xué)建模展開，進(jìn)行優(yōu)化分析，最終目的就是希望能夠為空氣懸架結(jié)構(gòu)的設(shè)計與開發(fā)提供有價值的理論基礎(chǔ)。本次研究的不足之處在于需要對側(cè)傾控制、縱傾控制2個方面進(jìn)行深入研究。

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〔編輯：劉曉芳〕