空氣懸架客車的操縱穩(wěn)定性研究

郭君娥， 李殿起

（沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，沈陽110870）

0 引 言

隨著時代的發(fā)展和人們生活質量的提高，無論汽車還是客車，在生活中都已經成了必不可少的出行工具，使空氣懸架的應用成為了必然的趨勢，空氣懸架對車輛的操穩(wěn)性和行駛時的舒適性有著很大影響，因此在客車及高檔轎車中得到了廣泛應用[1]。

空氣懸架的設計是為了確保車輛具有良好的操穩(wěn)性、平順性及安全性等。空氣懸架讓車輛有了更多的靈活性，當高速行駛時懸架系統(tǒng)會變硬來達到車身穩(wěn)定的要求；當?shù)退傩旭倳r懸架系統(tǒng)會變軟來達到車輛舒適的要求。由于變剛度的特性及較固有頻率的較低變化，使空氣懸架能夠依據(jù)路面和車速的變化情況，實現(xiàn)客車車身高度的自動調節(jié)變化，這樣不僅有效提高乘坐的舒適性，還讓操縱穩(wěn)定性能更好[2-3]。這就使得空氣彈簧懸架正在逐步取代金屬彈簧懸架。以金龍客車的KLQ6122B 空氣懸架為例，具體分析前、后空氣懸架的設計。然后建立車輛的單論模型，通過微分方程及Matlab仿真，研究車輛的操縱穩(wěn)定性。

1 空氣懸架客車的操縱穩(wěn)定性仿真

1.1 前后空氣懸架的簡介

前空氣懸架系統(tǒng)ASB140如圖1所示。兩個氣囊和兩個減震器安裝在一根整體式車橋上，空氣彈簧安排在車架的下方，布置了橫向穩(wěn)定桿固定在左右懸架上面，防止車輛橫向側翻和提高行駛平順性。前空氣懸架技術參數(shù):懸架高度為261.9 mm；額定軸載為6.35 t；車橋動行程為146.1 mm，向上為70.6 mm，向下為75.4 mm；懸架質量為175 kg；左右兩側空氣彈簧的中心距離為774 mm；客車空氣彈簧板簧梁的中心距離為889 mm。

圖1 前空氣懸架

后空氣懸架系統(tǒng)R130A如圖2所示。4個氣囊和2個減震器布置在整體式的車橋上，每側2個氣囊承受垂直載荷，有上下2種推力桿，其中上推力桿為斜推力桿，下推力桿布置成直推力桿。后空氣懸架技術參數(shù): 懸架高度為230 mm；額定軸載為13 t；車橋動行程為199 mm，向上為94 mm，向下為105 mm；懸架質量為390 kg；空氣彈簧左右中心距為1520 mm；空氣彈簧前后中心距為1680 mm；空氣彈簧安裝高度為242 mm。

前、后空氣懸架的安裝位置如圖3所示，將壓縮的空氣送到空氣彈簧的氣室中，客車的車身高度位移傳感器安裝在前、后輪附近，依據(jù)傳感器的反應，判斷車身的高度變化，使車輛到達減震的效果[4]。整車的性能與空氣懸架的位置有很大的關系，一般情況下在車架外側位置安裝空氣懸架，以此來增加中心距，獲得較大的懸架側傾剛度。當客車滿載時，后空氣懸架比前空氣懸架承受的載荷大。一般行業(yè)內空氣懸架的固有頻率經驗值為1.3～1.4 Hz，該車的前、后空氣懸架都在這個標準范圍內，所以該空氣懸架能夠讓車輛穩(wěn)定安全地行駛。

圖2 后空氣懸架

圖3 前、后空氣懸架的安裝

空氣懸架對車輛的操縱穩(wěn)定性有很大的影響，本文將建立空氣懸架相關的動力學模型，包括輪胎和路面的模型，配合著1/4空氣懸架的車輛模型，分析懸架振動原理，得到仿真結果。

1.2 建立客車模型及評價指標

因為整車七自由度動力學模型的建立是一個復雜的過程，所以采用單輪客車模型的建立取代復雜模型。通過對整車模型進行合理的假設，適當減少建立后模型的自由度，其中最具有代表性的單輪客車模型就是二自由度1/4客車模型[5]。此模型能夠建立的條件是：乘員和車身都看成整個系統(tǒng)，其中傳動系統(tǒng)忽略不計，并且發(fā)動機影響也不考慮，車身簡化后前、后質量看成彼此獨立存在，車輪與地面接觸方式為點接觸；客車的輪胎阻尼相對于減震器的阻尼小到可以忽略不計，故只考慮輪胎的剛度即可[6]。二自由度1/4空氣懸架客車模型如圖4所示。

圖4 二自由度1/4客車模型

求解車輛振動微分方程一般用拉格朗日法或者牛頓法[7]。二自由度1/4空氣懸架客車模型依據(jù)牛頓法求解即可，列出振動微分方程為：

對于二自由度1/4空氣懸架客車模型的穩(wěn)定性分析，具體評價指標如下：

1）衡量垂向運動穩(wěn)定性的重要指標為車身垂向加速度均方根，也被稱為不舒適度參數(shù)(ACC)，它描述了垂向加速度的變化程度[8]。車輛在不平路面行駛時，乘客對4～8 Hz的垂直振動頻率感知最強烈，而乘客對縱向加速度感知不敏感，可忽略不計。車身垂向加速度均方根表達式如下：

1.3 仿真結果分析

根據(jù)客車在路面上的實際行駛情況，通過應用Matlab/Simulink對該模型進行仿真，選擇客車經常駕駛的B路面以及白噪聲作為輸入，Gq（n0）=6.4×10-5，取V=80 km/h。得到仿真結果如圖5～圖7所示，可以看出客車在濾波白噪聲激勵下，勻速直線行駛時，空氣彈簧懸架系統(tǒng)對路面吸振性能很好，在垂直振動的衰減方面成效顯著，與性能需求和懸架設計的預測成效很符合。由Matlab/Simulink仿真數(shù)據(jù)整理得到影響操縱穩(wěn)定性的懸架指標的均方根值，B級路面下，車身垂向加速度均方根值為0.7757 m/s2，懸架動行程的均方根值為0.0604 m，輪胎動載荷均方根值為151 N。由此可以看出車輛的自身調節(jié)能力較強，吸振能力好，有更好的乘坐舒適性和穩(wěn)定性，這也就導致了空氣彈簧懸架越來越多的應用。

圖5 B級路面車身垂向加速度

圖6 B級路面懸架動行程

圖7 B級路面輪胎動載荷

2 結 論

本文主要介紹了空氣彈簧懸架的設計，前后懸架的技術參數(shù)及前后懸架的關聯(lián)性，建立二自由度1/4空氣懸架客車模型。輸入客車經常行駛的路面激勵信號，對客車的垂向加速度、懸架動行程和車輪動載荷這3個影響車輛舒適和穩(wěn)定性的因素進行仿真分析，結合懸架系統(tǒng)的評價指標，發(fā)現(xiàn)空氣彈簧懸架在操縱穩(wěn)定性和舒適性方面很好。