東風某系列輕型載貨汽車整車性能優化設計

摘要：從東風某系列輕型載貨汽車車型的制動系統優化、懸架系統優化兩方面進行了詳細的論述和分析，提出了投入開發的整車性能優化設計方案，并進行了實驗驗證。研究結論可為以后的同類型的整車性能設計提供技術參考。

關鍵詞：輕型載貨汽車；整車性能；設計

中圖分類號：U469.2 收稿日期：2024-07-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.009

1 前言

隨著輕型載貨汽車市場競爭的日益加劇、高速公路里程的急速增加、普通公里路況條件的不斷改善，為提高產品競爭力，用戶和汽車生產廠家對汽車的舒適性、安全性等都提出了更高的要求。

東風某系列輕型載貨汽車整車性能優化主要包括制動和懸架系統優化、整車主要參數的確定等。本文對該系列車型主要性能設計的要點及過程進行了介紹，同時對整車性能設計中需要注意的一些問題進行了分析說明。

2 設計原則

東風某系列車型主要性能設計原則如下：

a.滿足客戶核心需求的主要總成，如下：采用4F90氣制動發動機、[?]275膜片彈簧離合器、A100變速箱、1.8 t前橋、3.5 t后橋等。

b.零部件盡量與已開發的車型保持最大的通用，以滿足標準化、通用化、系列化的要求，減少試制和生產投入，縮短試制周期和生產準備周期。

c.整車可靠性好（首次故障間隔里程和平均故障間隔里程達到5 000 km），安全性高，維修方便（駕駛室可翻）。

d.主要系統、管線等優化設計。

3 整車參數及性能要求

3.1 整車基本參數

根據用戶核心需求，同時參考基礎車型基本參數，確定整車基本參數如表1所示。

3.2 性能要求

根據國家和行業標準以及整車動力總成匹配需要，確定整車主要性能參數目標見表2。

4 各系統匹配

4.1 制動系統優化設計

某系列車型制動系統組成如下：

a.氣源部分。

該部分主要由空氣壓縮機、卸載閥、儲氣筒、四回路保護閥及其他相關附件組成。

①空氣壓縮機。

采用齒輪傳動單缸水冷式空氣壓縮機。由發動機曲軸驅動。壓縮空氣由此產生，首先進入卸載閥，管路中壓力在卸載閥處得到調節而進入濕儲氣筒。通常調節后壓力在6.5個大氣壓左右。

②卸載閥。

該車型所采用卸載閥為通用件，產品圖號為3512N-010（總成）。主要功能是自動調節制動系統的工作壓力，防止管路氣壓過載，去除水、油等污染物，并向濕儲氣筒供氣。

③四回路保護閥。

四回路保護閥為通用件，產品圖號為3515Q54-010（總成）。主要功能是保證前后回路互相獨立，當其中有一條回路實失效時，其他回路的供氣和充氣不受影響，保持獨立，確保整車制動的安全性。

④儲氣筒。

制動系統共設計有三個儲氣筒。一個濕儲氣筒20 L，前儲氣筒（和濕儲氣筒共用）20 L，后儲氣筒20 L。為了簡化布置，實際設計中采用一個40 L儲氣筒在中間加隔板形成濕儲氣筒和前儲氣筒。儲氣筒的主要作用是儲存高壓氣體，以便給回路供氣。為了滿足安全駕駛的要求，在前后回路中安裝了低壓報警開關，當儲氣筒壓力低于450 kPa時，即向駕駛員發出報警信號。

制動系統結構示意簡圖見圖1。

1.前橋制動氣室 2.快放閥 3.雙腔制動閥 4.后貯氣筒 5.繼動閥

6.后橋制動氣室 7.三通接頭 8.濕貯氣筒 9.前貯氣筒 10.四回路保護閥

11.卸載閥 12.空氣壓縮機 13.放水閥 14.低壓報警開關

b.行車制動部分。

行車制動部分采用雙回路控制，由串列雙腔制動閥來完成，其中制動閥上腔控制前回路。為了減少充放氣時間，改善制動系統的充放氣特性，在前回路中還設計了快放閥，后回路中設計了繼動閥，提高了制動系統的制動反應靈敏度，充分改善了整車的制動特性。

①制動閥。

制動閥為串列雙腔室制動閥，是制動部分的主要控制元件，它可以分別控制各自獨立的前后制動回路，當一腔失效時，另一腔仍能正常工作。該車型所采用的制動閥為通用件，圖號為3514V66-001。

②繼動閥和快放閥。

繼動閥和快放閥均為通用件圖號分別為3527D9-010（總成）和3533N1-010（總成）。加裝這兩種閥主要是為了及時充、放氣，縮短制動和解除制動時的滯后時間，更加有利于及時制動和制動過后的整車及時加速。

③制動器。

該車型所采用的制動器均為非平衡式鼓式制動器，采用普通氣室，規格及具體參數如表3所示。

前后制動器結構簡圖見圖2[1]。

4.2 駐車制動部分

駐車制動部分結構采用側拉式操縱機構，中央鼓式制動器，制動鼓鼓徑[?]210 cm，制動蹄寬65 cm。手制動系統結構簡圖見圖3。

4.2.1 汽車制動時的受力分析

汽車制動時的受力圖見圖4。

由圖4可求得地面法向反作用力[2]為：

[Fz1=mgLb+hggdudt] （1）

[Fz2=mgLa+hggdudt] （2）

式中，[Fz1]為地面對前輪的法向反作用力;[Fz2]為地面對后輪的法向反作用力;[m]為汽車質量;[g]為重力加速度;[L]為汽車軸距;[a]為質心至前軸中心線的距離;[b]為質心至后軸中心線的距離;[hg]為汽車質心高度;[dudt]為汽車制動減速度，通常用j代表。

4.2.2 目前制動系統存在的問題

該系列車型設計引用基礎車型，滿足通用化要求，兩車型制動系統完全一致。目前基礎氣剎車制動系統存在的問題是整車制動力偏大，前后制動力的分配不合理，造成整車制動時粗暴及甩尾。參考文獻［1-2］進行理論分析，所引用數據如表2所示。

a.制動器制動力的計算分析。

前制動器規格為[?]310，制動調整臂長110 mm，氣室有效面積為76 cm2。

前制動器產生的制動力F1=2 374 kg。

后制動器規格為[?]310，制動調整臂長125 mm，氣室有效面積為102 cm2。

后制動器產生的制動力F2=3 620 kg。

總的制動力：

F=F1+F2=5 994 kg （3）

b.同步附著系數的計算。

制動力分配系數[2]：

[β=F1F1+F2=0.396] （4）

空載時同步附著系數[3]：

[?0=Lβ-L2空hg=3 300×0.396-1 823755=-0.684] （5）

滿載時同步附著系數[3]：

[?0=Lβ-L2滿hg=3 300×0.396-1 296980=0.011] （6）

利用附著系數曲線如圖5所示。

根據以上計算結果分析，發現基礎氣剎車的整車制動力偏大，前后制動力的分配不是很合理。基礎氣剎車的整車滿載質量為4 495 kg，而整車制動力為5 994 kg。而且前后制動力的分配不是很合理，其利用附著系數曲線在空滿載情況下均超出法規要求，這就是整車制動時粗暴及甩尾的原因。

4.2.3 制動系統優化設計方案

為了重新匹配整車制動力，后橋的氣室有效面積由102 cm2減小為76 cm2，制動調整臂規格由125 mm降為110 mm。這樣其總的制動力F=F1+F2=4 748 kg。制動力分配系數[β=0.5]，空載時同步附著系數[?0=3 300×0.5-1 823755=-0.23]，滿載時同步附著系數[?0=3 300×0.5-1 296980=0.36]。

利用附著系數曲線如圖6所示。

通過減小后橋制動力，整車的滿載利用附著系數曲線調整到法規要求的范圍之內，整車制動力能很好地滿足整車制動性能需要。

4.2.4 試驗驗證和結論

將優化前后的整車制動效果作了主觀評價和對比分析。主觀評價試驗結果如下：更換氣室和調整臂前：空車在40 km車速時急踩剎車制動，制動有嚴重的甩尾現象，必須馬上松開制動踏板，否則有翻車的危險。更換氣室和調整臂后：空車在50 km車速時急踩制動，不用松開制動踏板直至停車。后輪拖痕明顯，基本為一直線，沒有甩尾現象。通過以上試驗可以看出，減小后橋制動力可以解決某氣剎車型制動粗暴和甩尾問題。

為了驗證某氣剎車型減小后輪制動力后整車是否滿足國家法規GB 12676要求，由質檢中心按GB 12676要求做了制動性能試驗，試驗結果如表4所示。

從以上數據可以看出，減小后輪制動力后整車的行車制動效能可以滿足國家法規GB 12676要求。

兩種試驗證明制動系統優化設計方案是可行的。

4.3 懸架系統優化設計

4.3.1 目前懸架系統存在的問題

滿足通用化要求，某系列車型設計引用基礎車型的懸架系統，前后為鋼板彈簧結構，前簧為8片，后簧主簧9片副簧5片，前后鋼板彈簧第一片板簧片長為1 400 mm。目前基礎氣剎車懸架系統存在的問題是：與竟品同類型車相比單片片長偏大， 承載性能差，在滿載狀態下整車姿態和空載狀態下整車姿態角度變化偏大，用戶經常被誤判超載嚴重受罰款，嚴重影響該系列車型的銷售。竟品同類型車前后鋼板彈簧第一片板簧片長為1 300 mm，空滿載整車姿態角度變化為不大于0.25°。

該車型優化設計前空滿載整車姿態角度變化如表5所示。

4.3.2 懸架系統優化設計方案

針對存在的問題，對前后伴簧進行優化設計。懸架系統在設計過程中應遵循的原則是：通過合理地布置懸架系統和選擇合適的參數，提高汽車的操縱穩定性和行駛平順性；提高懸架的承載能力，盡量應用現有總成和零件，提高零部件標準化、通用化、系列化水平；合理選取主要零部件的應力值，確保車輛行駛安全性，保證懸架系統零部件足夠的使用壽命［3］。遵循以上原則，前板簧第一片長采用1 300 mm，后板簧第一片長采用1 350 mm。

a.本懸架系統的設計參數如下。

懸架非簧載質量：前Gu1=250 kg；后Gu2=350 kg。

作用在單邊彈簧的載荷P：將軸荷扣去非懸架質量再取半，即為單邊彈簧載荷，計算結果列表如表6所示。

其他設計所需參數見表1所示。

b.前懸架設計計算。

本車前鋼板彈簧總成（2912010）規格為：1 300×75×8-8（2）P，參數含義如下：

[長度×寬度×片厚—總片數（主片片數）矩形鋼]

該彈簧在U形螺栓跨距為96 mm裝車夾緊時的基本參數為：剛度C=974 N/cm；比應力σ=4 912 N/cm3。

下面進行垂直振動工況的核算。

靜撓度：

[f=P/C] （7）

滿載偏頻：

[n=300/f] （8）

應力：

[σ=σf] （9）

極限應力：

[σmax=σf+fd] &MOD7DqsB1rUc569MPOtAKZSiwuqgvA8Py+U1H22xwyA=nbsp;（10）

式中，[fd]=76 mm為鐵碰鐵時動行程。

將計算結果統計成表格，結果如表7所示。

c.后懸架設計計算。

本車后主簧（2913010）規格為：1 350×75×9-9（2）P。

該彈簧在U形螺栓跨距為150 mm夾緊時的基本參數為：剛度C1=1 452 N/cm；比應力σ1=5258 N/cm3。

本車后副簧（2914010-Q23511）規格為：940×75×8－5（2）P。

該彈簧在U形螺栓跨距為150 mm夾緊時的基本參數為：剛度C2=1 556 N/cm；比應力σ2=9 520 N/cm3。

下面進行垂直振動工況校核。

選定當副簧開始工作時，主簧的變形fk為：

fk=4.8 cm （11）

副簧在滿載時的靜撓度f2：

[f2=P-fkc1c1+c2=1.16 cm] （12）

式中，p=11 900 N為后懸架彈簧單邊負荷。

滿載時主簧靜撓度：

f1=fk+f2=5.96 cm （13）

滿載時副簧承受的負荷P2：

P2=f2C2=1 809 N （14）

滿載時后懸架偏頻n2：

[n2=300/P/（c1+c2）=162次/分] （15）

空載時后懸架偏頻no2：

[no2=300/Po/c1=194次/分] （16）

式中，P0=3 800 N為空載時后懸架單邊彈簧負荷，fd=8 cm為鐵碰鐵動行程，其余計算公式同前簧，計算結果如表8所示。

4.4 整車側傾校核

a.側傾力臂。

前簧主片離地高度h1：

h1=Rc-6+∑h=36 cm （17）

后簧主片離地高度h2：

h2=Rc+6.7+∑h=50.4 cm （18）

簧載質量質心高度：

[shg=Ghg-GuRcG-Gu]=107.6 cm （19）

式中，Gu=Gu1+Gu2=600 kg為整車非簧載質量。

簧載質量質心到前軸距離as：

[as=P2P1+P2L=]201.6 cm （20）

式中，P1=7 575 N為前簧單邊負荷;P2=11 900 N為后簧單邊負荷。

側傾力臂h=shg-h1-as/L（h2-h1）=62.8 cm。

b.懸架角剛度。

前后板簧總角剛度Ca：

Ca=0.5×[CD12+（C1+C2）D22]=1.56×107 N·cm/rad （21）

式中，C=974 N/cm為前簧單邊線剛度;C1=1 452 N/cm為后主簧單邊線剛度;C2=1 556 N/cm為后副簧單邊線剛度;D1=70 cm為前簧左右跨距;D2=89.5 cm為后簧左右跨距。

c.側傾角。公式如下：

[α=V2gRhCaGs-h] （22）

式中，Gs=G-Gu=38 950 N。

當向心加速度取V2/R=0.4 g時，[α]=0.07rad=4o15"（經驗值4o～7o）。

4.5 各項指標計算結果和結論

a.性能指標。

本車滿載時，前懸架之固有頻率為105次/分；后懸架固有頻率為132次/分，兩者之比值為0.79（推薦值0.75～1）。

b.其他指標。

本車懸架系統各設計指標與推薦值比較如表9所示。

由表9可看出，前后懸架設計參數均在推薦值范圍以內，在保證產品質量和正常使用的前提下，本車懸架系統將有較好的工作可靠性。

整車姿態角度變化如表10所示。

根據表10可知，優化設計后空滿載整車角度變化和競品相當，理論上很好地解決了存在的問題。

5 結語

該系列車型平順性和制動性能輸入要求、設計值及試驗值如表11所示。

從試驗數據可得出如下結論：

a.制動系統優化設計結果達到目標要求。

b.平順性能參照市場銷售竟品成熟車型可知懸架系統優化設計結果達到目標要求。

以上各項說明該車型選用各大總成、主要系統優化設計均滿足設計要求，該系列車型設計成功。

參考文獻：

[1]張洪欣.汽車設計[M].北京：機械工業出版社，1990.

[2]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，1990.

[3]《汽車工程手冊》編譯委員會.汽車工程手冊（設計篇）[M].北京：人民交通出版社，2001.

作者簡介：

張兵，男，1986年生，工程師，研究方向為整車性能、整車總布置。

劉麗（通訊作者），女，1976年生，高級工程師，研究方向為整車性能、整車總布置及車架車廂設計。