分步法軸荷計算在客車開發中的應用

田新利 甘冠文 孫星露

摘 要：主要介紹了客車軸荷計算的理論方法，重點闡述了在軸距變化產品開發中分步法軸荷計算的理論推導，此方法可快速、有效的計算整車軸荷，對合理匹配整車性能參數以及車橋、懸架和輪胎選型具有重要意義。

關鍵詞：分步法;軸距變化;產品開發;剛體

Abstract： The theoretical method for calculation on Axle load of bus is mainly explained. The theoretical derivation of step-by-step Method for axle load calculation concerning the development of wheelbase variation is emphatically introduced. This method can calculate the axle load of the whole vehicle quickly and effectively， which is of great significance to the reasonable matching of the performance parameter of the whole vehicle and the selection of the axle， suspension and tire.

Keywords： Step-by-step method; Wheelbase variation; Product development; Rigid body

前言

整車軸荷的合理分配，對于車輛操穩性能、制動性能以及車橋、輪胎選型等都是關鍵因素[1]。因此，在客車開發的初始階段，精確計算整車軸荷至關重要，將直接影響到新開發車型的各項性能指標。

而近些年隨著客戶需求的不斷升級和國家政策的不斷變化，對客車的各項要求在不斷提高;導致整車廠為滿足市場需求，開發新車型的步伐日趨加快。因此，針對不同類型的新車開發，選擇合適的軸荷計算方法對準確、快速計算整車軸荷至關重要，也對整車軸荷評價及關鍵零部件選型具有重要影響。

1 客車軸荷的理論計算

1.1 軸荷計算基本方法

傳統客車由車身、底盤和低壓電器三大部分組成，每個部分又包括多個系統總成，以底盤部分為例，它又包括動力系統、附件系統、行駛系統、操控轉向系統、制動系統、車架系統等;新能源客車除電池、電機、電控等新能源部分外，還包括車身、底盤（新能源系統代替傳統動力系統和附件系統）和低壓電器部分組成。假設車輛各個總成參數見表1，根據杠桿平衡原理，按下列公式計算汽車各軸的軸荷和質心位置[2-3]：

G為車輛總重量（kg）;G1為前軸荷（kg）;

L為軸距（mm）;G2為后軸荷（kg）;

a為質心到前軸距離（mm）;

b為質心到后軸距離（mm）。

1.2 分步法軸荷計算

假設基礎車型為剛體[4]，簡化汽車的支撐模型見圖1。將基礎車軸距由L1調整為L2，對應后橋調整，計算軸距變化后新車型的前后軸荷。

第一步：支撐點變化軸荷計算

假設基礎軸距變化僅調整后軸支撐點，后橋和懸架等其它所有總成保持不變;即總重量和質心位置不變，簡化模型見圖2。

應用公式（2），即可計算基礎車軸距變化為L2的前后軸荷。

第二步：后軸變化軸荷計算

后軸和懸架的總重量為MR，質心距離前軸的位置由L1調整為L2，應用公式（1），即可計算變化軸距后的前軸荷Gc1和后軸荷Gc2。

后軸變化的同時，車架系統、骨架系統等質心位置相對基礎車都有變化，但由于變化量較小，對軸荷分布的影響可以忽略不計。

第三步：變化總成軸荷計算

以變軸距計算的GRc1和GRc2為基礎車，再根據相關總成變化，應用公式（2），即可計算新開車型的軸荷。

2 軸荷計算在新車開發中的應用

2.1 全新平臺開發

整車廠通常根據自身戰略規劃、市場變化等，定期開發出全新產品來滿足市場變化的需求。比如宇通客車2019年推出的7系產品，即為正向的全新平臺開發。

全新平臺開發通常在總布置策劃階段，根據擬開車型關鍵零部件的選型，計算車輛總成的重量以及各總成質心到前軸的距離，利用公式（1～5）即可計算出前后軸荷和車輛的質心位置;

然后根據開發過程中零部件選型變化，調整關鍵零部件的布置位置，優化整車軸荷分布，滿足操穩性能、制動性能、車橋和輪胎負荷等要求。

一臺車輛由幾百個甚至上千個零部件組成，故此種方法計算軸荷的工作量較大;若每個零件質心位置計算稍有誤差，導致最終理論計算值和實測值有較大誤差。因此，只有關鍵總成重量及質心位置計算準確，才能減小軸荷理論計算值和實測值的誤差。

2.2 換代產品開發

參照基礎車型，在車長或造型不變的情況下，總成或關鍵零部件的升級換代，通常是整車廠快速滿足市場需求的重要方法之一。

2.2.1 軸距不變的產品開發

車長、前后懸、軸距都保持不變，僅變更關鍵總成產品開發，根據基礎車型實測的前、后軸荷，通過如下方法可計算新開發車型的軸荷。

已知基礎車型A的距離為L，前軸荷為GA1，后軸荷為GA2，總重量GA= GA1+ GA2。假定更換總電機總成和電池總成，具體參數見表2，根據理論計算公式（2），即可計算新開車型B的前后軸荷。

若更換更多總成，應用同樣方法計算即可。

2.2.2 軸距變化的產品開發

為提升整車性能，或滿足電池安裝需求等，需調整軸距的進行換代開發。整車的車長不變，軸距和后懸變化，軸荷計算如下。

基礎車型和新開發車型相關參數定義見表3 ，根據實車測量和計算，可知基礎車型所有相關參數。假設已知新開車車型前懸、軸距、后懸，求新開車型的前后軸荷。

第一步：支撐點變化軸荷計算

第二步：后軸變化軸荷計算

第三步：變化總成軸荷計算

假定新開發車型更換電機總成，變化參數參見表2，即可計算新開發車型的軸荷：

此計算方法已我司新車開發中應用，并得到驗證，理論值和實測值誤差約為0.5%，遠低于全新開發理論和實際的誤差，可滿足新車開發軸荷計算的需求。

3 結束語

在新產品開發過程中，軸荷計算是極其重要工作，只有準確計算整車軸荷，然后再根據整車操穩、制動等性能要求，合理匹配和優化調整，才能確保新開發產品各種性能達到最優。

對于變軸距的新車開發，本文的計算方法簡單、準確，可應用于軸荷的理論計算。

參考文獻

[1] 王霄鋒.汽車底盤設計[M]（第二版）.北京：清華大學出版社，2018.

[2] 齊汗軍，殷傳文.大客車質心軸荷分布計算及應用[J].客車技術， 2010（6）：35.

[3] 柴新偉，楊世文.三軸汽車軸荷計算及軸距選擇[J].機械管理開發， 2010（2）：53.

[4] 哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學[M]（第八版Ⅰ冊）北京：高等教育出版社，2016.