基于ADAMS/Car的兩種商用車空氣懸架建模及性能分析

趙 軒，李智超，王 媛

基于ADAMS/Car的兩種商用車空氣懸架建模及性能分析

趙 軒，李智超，王 媛

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

文章介紹了兩種空氣懸架的結構差異和空氣懸架系統多體建模方法，在ADAMS/Car中完成兩種空氣懸架多體模型的建立，對比分析了平行輪跳和反向輪跳兩種試驗工況，結果表明，兩種空氣懸架的運動桿系對整車行駛平順性影響較小，多功能穩定桿相比穩定桿結構空氣懸架有利于改善車輛行駛穩定性，該研究結果為商用車空氣懸架方案設計提供理論依據。

商用車空氣懸架；穩定桿；多功能穩定桿；ADAMS/Car

隨著我國長途物流運輸行業的蓬勃發展以及新國標GB1589和GB7258的實施，空氣懸架在快遞運輸和危險貨物運輸車中得到了大量應用[1]，各主機廠基于各自的技術路線研發了不同結構的懸架，汽車懸架的特性是懸架系統的重要指標。因此，本文針對某6×4牽引車后懸架，重點從懸架性能方面研究兩種具有代表性的空氣懸架方案差異，以便指導工程設計。

1 兩種商用車空氣懸架方案簡介

空氣懸架是利用空氣彈簧傳遞垂直載荷的一種懸架形式，一般是由空氣彈簧、推力桿、穩定桿、減振器等零件組成。圖1為兩種空氣懸架結構，其中圖1(a)為傳統的雙橋八氣囊穩定桿結構空氣懸架，圖1(b)為一種雙橋八氣囊多功能穩定桿空氣懸架。圖1(b)與圖1(a)空氣懸架的導向桿系不同，圖1(b)所使用的多功能穩定桿空氣懸架是在圖1(a)這種傳統穩定桿空氣懸架基礎上，將四件下推力桿和兩件穩定桿優化為兩件集成穩定桿，如圖2所示。多功能穩定桿空氣懸架的零件數量減少、成本和重量降低等優勢，更加貼合商用車輕量化的發展趨勢。

圖1 兩種空氣懸架結構

圖2 多功能穩定桿結構變化

2 相關參數

兩種空氣懸架相關參數如表1所示，本文基于表1參數研究了穩定桿結構和多功能穩定桿結構兩種空氣懸架對車輛性能的影響。

表1 兩種空氣懸架相關參數

項目穩定桿結構多功能穩定桿結構 工作氣壓/bar6.86.8 滿載簧載質量/kg13 00013 000 空氣彈簧直徑/mm290290 空氣彈簧剛度/(N/mm)126126 壓縮行程/mm100100 拉伸行程/mm140140 穩定桿直徑/mm58 V型推力桿直徑/mm5252 下推力桿直徑/mm50 多功能穩定桿直徑/mm 70

3 空氣懸架剛度特性

對于商用汽車，空氣懸架具有較好的行駛平順性特性，深受快遞運輸、危險品及精密儀器運輸用戶的青睞，但該類空氣懸架采用的空氣彈簧垂直剛度小、彈簧布置中心距小，使得懸架側傾剛度較小，車輛轉向時產生較大側傾角，進而會對汽車操穩性能產生不利影響。為兼顧汽車行駛平順性和操穩性能，使用空氣懸架的車輛需增加橫向穩定桿以增加整車側傾角剛度[2]。本文在空氣彈簧和相關布置尺寸不變情況下，按照式（1）分別對穩定桿結構和多功能穩定桿結構空氣懸架的側傾剛度進行理論計算，結果顯示多功能穩定桿結構比穩定桿結構空氣懸架側傾剛度大34%。

式中，1為空氣彈簧剛度；2為穩定桿剛度；為簧距；為懸架總側傾剛度。

4 空氣懸架ADAMS多體動力學建模

4.1 穩定桿和多功能穩定桿柔性體建立

利用ADAMS建立穩定桿模型[3]，進一步分析兩種穩定桿結構對空氣懸架系統的影響。對于穩定桿和多功能穩定桿這類變形較大的彈性元件，為更準確地分析其特性，應將這類零件進行柔性體處理，因此將穩定桿和多功能穩定桿的三維模型導入HyperMesh中進行有限元前處理、網格劃分，材料特性定義，并進行模態分析后輸出穩定桿和多功能穩定桿的MNF文件，如圖3所示。

圖3 兩種穩定桿柔性體模型

4.2 空氣彈簧屬性文件

通過導入特性文件來建立ADAMS/Car空氣彈簧模型[4]，編輯氣囊直徑、初始安裝高度和剛度曲線等參數；剛度曲線圖由多條曲線組成，代表不同氣壓下初始空氣彈簧載荷-位移數據。通過仿真軟件將這些數據進行差值計算，得到空氣彈簧的剛度，如圖4所示。

圖4 ADAMS/Car空氣彈簧特性曲線

4.3 空氣懸架總成仿真模型

在ADAMS Car/Template 模塊中分別建立懸架模板、穩定桿模板和多功能穩定桿模板，再用已生成的模板在ADAMS Car/Standard標準界面建立各子系統[5]，將穩定桿子系統、多功能穩定桿子系統、懸架子系統和試驗臺分別進行裝配后即完成仿真模型的建立，如圖5所示。

圖5 兩種空氣懸架仿真模型

4.4 平行輪跳工況分析

4.4.1懸架垂直剛度

為了改善車輛的平順性，在設計過程中常對垂直剛度設定較小，一般通過增加穩定桿方式提高車輛的側傾剛度。在平行輪跳試驗中，兩種空氣懸架垂直載荷相同，多功能穩定桿空氣懸架比穩定桿結構的垂直剛度僅大1.1%左右，說明在空氣彈簧參數相同時，空氣懸架導向桿系對車輛的垂直剛度和整車平順性影響較小。垂直載荷與車輪跳動行程關系如圖6所示。

圖6 垂直載荷與車輪跳動行程關系

4.4.2軸距變化

在車輛行駛過程中，軸距隨著懸架的壓縮和伸張發生變化。軸距變化較大時，會影響汽車行駛穩定性。在平行輪跳試驗中，車輪向上跳動時，多功能穩定桿結構比穩定桿結構的軸距變化僅大0.2 mm左右，車輪向下跳動時則與之相反，差值較小說明兩種懸架桿系對軸距變化影響不大。軸距變化與車輪跳動行程的關系如圖7所示。

圖7 軸距變化與車輪跳動行程關系

4.5 雙輪反向輪跳工況

4.5.1側傾中心高度

側傾中心高度是影響轉向時側傾角大小的主要因素，側傾中心越大，轉向時側傾角越趨近于簧上質量質心，有利于減小轉向時的側傾力矩和側傾角，從而增加車輛舒適性和操穩性能。降低后懸架側傾中心高度時，后懸架不足轉向特性將愈發明顯。如圖8所示，為兩種空氣懸架側傾中心高度與車輪跳動行程關系，分析結果顯示在設計狀態時多功能穩定桿結構相比穩定桿結構空氣懸架側傾中心低200 mm左右，說明多功能穩定桿結構空氣懸架更有利于改善車輛操穩性。

圖8 側傾中心高度與車輪跳動行程關系

4.5.2側傾角剛度

汽車轉向時，在離心力的作用下，外側車輪的懸架彈簧被壓縮，而內側車輪的懸架彈簧被伸張，從而使車輛產生橫向傾斜，引發橫向角振動并引起內外側車輪的載荷產生變化。在懸架設計狀態時，多功能穩定桿結構的側傾角剛度為1.18E+07 Nmm/deg，穩定桿結構的側傾角剛度為6.46E+06 Nmm/deg，如圖9所示，多功能穩定桿結構提供的側傾角剛度大于穩定桿結構，說明多功能穩定桿結構有利于改善車輛行駛穩定性。

圖9 側傾角剛度與側傾角關系

5 結論

1）本文分析了商用車市場使用的兩種空氣懸架結構，多功能穩定桿結構相比傳統穩定桿結構，具有結構集成度高、零件數量少、重量輕和成本低的優點，應用前景廣闊。

2）本文基于ADAMS/Car介紹了空氣懸架系統多體建模方法，完成兩種空氣懸架的建模與仿真，結果顯示，運動桿系對于整車行駛平順性無影響；多功能穩定桿結構空氣懸架相比穩定桿結構空氣懸架，具有側傾中心低和側傾剛度大的特點，在改善整車行駛穩定性方面貢獻較大。同時，所得結論可為工程實踐提供較好理論支撐，為空氣懸架設計選型提供理論依據，有益于提高設計開發效率。

[1] 姜立標,王登峰.貨車空氣懸架的現狀及發展趨勢[J].齊齊哈爾大學學報(自然科學版),2005,21(1):66-69.

[2] 徐興,施天玲,江昕煒,等.準零剛度空氣懸架系統建模與動態特性研究[J].振動與沖擊,2021,40(24):205- 211.

[3] 李琤.剛柔耦合穩定桿模型對懸架側傾剛度影響分析[J].噪聲與振動控制,2021,41(1):61-65.

[4] 陳雙,鐘孝偉,李剛,等.基于ADAMS/Car的空氣懸架虛擬樣機建模研究[J].農業裝備與車輛工程,2016,54 (2):29-32.

[5] 紀秀業,侯獻曉,袁曉紅.基于ADAMS的某乘用車懸架系統匹配計算[J].機械設計,2021,38(7):90-95.

Modeling and Performance Analysis of Two Commercial Vehicle Air SuspensionSystems Based on ADAMS/Car

ZHAO Xuan, LI Zhichao, WANG Yuan

( Automotive Engineering Research Institute,Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

This paper introduces the structural differences of the two air suspensions and the multi-body modeling method of the air suspension system,the establishment of the multi-body models of the two air suspensions in ADAMS/Car, and compares and analyzes the two test conditions of parallel wheel jump and reverse wheel jump. The results show that the motion linkage of the two air suspensions has little impact on the ride comfort of the whole vehicle, compared with air suspension with stabilizer bar structure, multifunctional stabilizer bar is beneficial to improve vehicle driving stability.

Commercial vehicle air suspension; Stabilizer bar; Multi-function stabilizer bar;ADAMS/Car

U463.1

A

1671-7988(2023)11-101-05

趙軒（1990－），男，碩士，工程師，研究方向為汽車底盤設計，E-mail:zhaoxuan@sxqc.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.018