基于后轴空气悬架的货车平顺性比较研究＊

刘 霞 高梦起 何 杰 陈一锴

（东南大学交通学院1） 南京 210096） （河南省交通科学技术研究院有限公司2） 郑州 450006）

国内对车辆平顺性的研究主要采用国际标准化组织公布的标准ISO2631－1：1997（E）《人体承受全身振动评价——第一部分：一般要求》或我国修订的相应标准GB／T 4970－1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》这2个标准.主要以人体对振动的反应为研究对象，采集座椅支撑面处3个方向（x，y，z）的加速度的曲线图，以总的加权加速度均方根值为评价指标，对车辆的平顺性进行研究.在研究中有两种路面输入，分别为随机路面输入和脉冲路面输入，分别代表车辆平顺性的随机工况和典型工况［1－4］.本文主要研究后轴空气悬架对货车行驶平顺性的影响，以货物振动强弱为参考研究对象，采用简化的货物质心垂直方向（即y方向）的加速度均方根值为评价指标.考虑驾驶室距离后轴比较远，后轴空气悬架对其影响很小，将不予考虑.因为汽车行驶工况大多位于随机路面，本文只考虑随机输入下的虚拟行驶试验.

1 整车ADAMS建模

1.1 钢板弹簧平衡悬架货车建模

考虑建立整车虚拟样车模型既要保证运动系统的准确性，又要对和主要研究目标影响不大的因素进行适当简化，以提高仿真计算的速度［5］.本文以8×4双轴转向载重货车为例，忽略影响关系不大的发动机等机构，在ADAMS／View中建立包括车架系统、车身系统（含座椅）、前悬架系统、后悬架系统及转向系统在内的整车模型.

建模所需参数来自于CATIA实车模型，整车总质量为30.905t，整备质量为13.770t，车架宽度为860mm，后轴轴距为1 364mm.其中，后轴悬架采用的是钢板弹簧非独立悬架，如图1所示.

图1 钢板弹簧悬架模型

1.2 后轴空气悬架建模

保持上述货车其他部分不变，只改变后轴悬架的型式，即去掉钢板弹簧、减振器及其导向机构，改装上空气弹簧、减振器及其导向机构.采用NEWAY AD－246重型串联桥空气悬架，悬架高度为254mm，空气悬架全套总自重为433kg.对双轴的承重范围为46 000～52 000lb（即20 866～23 587kg），所需车架宽度为851～867mm，所需轴距为1 321～1 524mm，此空气悬架与上述货车质量、尺寸相匹配，可以用作后轴悬架的替换.

1.2.1 空气弹簧模型的建立 由该型空气弹簧特性刚度曲线在ADAMS中进行拟合，可以建立空气弹簧刚度的非线性样条曲线.图2为拟合出的空气弹簧负载与变形关系的样条曲线，该曲线的斜率即为空气弹簧刚度.其中横坐标表示空气弹簧的变形，坐标原点表示工作时的平衡位置，正值表示弹簧受到拉伸，负值表示弹簧受到压缩，纵坐标表示弹簧所受的力［6］.

图2 空气弹簧的特性曲线

运用ADAMS中的Spline：F＝f（defo）（弹簧负载－变形曲线）来表达空气弹簧的刚度曲线，具体做法是：在弹簧的Stiffness Coefficient栏的下拉菜单中选择Spline：F＝f（defo），在后面的空白框中输入前面建立的Spline的名称，弹簧需要设定一定的预紧力为35.857kN，这是整车系统位于静平衡状态时弹簧所受的力.

1.2.2 减振器模型的建立 减振器是悬架系统的主要阻尼元件，与空气弹簧并联在车桥和车架之间，车轮与车架间的相对振动主要由减振器衰减.这里采用JR300型减振器，将减振器等效阻尼特性曲线在ADAMS中拟合，得到如图3所示样条曲线，该图反映了阻尼力与活塞速度的关系.在减振器压缩行程，阻尼力较小；在减振器伸张行程，阻尼力较大［7］.

图3 减振器阻尼力－速度特性曲线

具体做法为：在减振器的Damping Coefficient栏的下拉菜单中选择Spline：F＝f（velo），在后面的空白框中输入前面建立的Spline的名称，减振器无预紧力.

1.2.3 空气悬架导向机构的建立 空气悬架的导向机构采用串联式单纵臂导向机构，这种导向机构专用于并装双轴上.在ADAMS／View中后轴空气悬架的局部放大图如图4所示，因为在ADAMS中弹簧和减振器无质量，所以调节导向结构的质量使其质量等于433kg，与空气悬架的全套总自重相符.

图4 空气悬架模型

2 仿真结果分析

本实验中，设定上面所建立的车辆模型在C级砂石随机路面上直线加速行驶［8］，分别比较平衡悬架与空气悬架、不同车速、不同货物质量对车辆行驶平顺性的影响，除平衡悬架与空气悬架比较的一节，其余两节都采用空气悬架.以货物质心为测试点，在ADAMS中输出货物质心垂向加速度的时域数据曲线图，然后在ADAMS／postprocessing中对垂向加速度响应进行傅立叶变换（FFT），选用Hamming窗函数，截断频率为fc＝50Hz，得到对应的功率谱密度曲线，输出相应的数据经过matlab整理得到对比曲线图［9］.最后，可直接从ADMSA／Postprossing中读取垂向加速度的均方根值.

2.1 平衡悬架货车与空气悬架货车比较

仿真条件：平均车速20m／s，货物质量为17.135t.

仿真结果：图5为车辆的后轴分别采用钢板弹簧平衡悬架和空气悬架时，货物质心的垂向加速度对比曲线图，图中实线表示后轴为平衡悬架的货车货物质心垂向加速度时域数据曲线，虚线表示后轴为空气悬架的货车货物质心垂向加速度时域数据曲线.经过处理获得功率谱密度曲线如图6所示.

图5 后轴为平横悬架货车与后轴为空气悬架货车货物质心垂向加速度对比曲线图

图6 后轴为平衡悬架货车与后轴为空气悬架货车货物质心垂向加速度功率谱密度曲线图

由图5可以看出，后轴为空气悬架的载货汽车比后轴为平衡悬架的载货汽车对货物质心的振动的影响要减小很多.同样由图6可以看出，后轴为空气悬架货车货物质心的振动频率明显比后轴为平横悬架货车要小，最大峰值也要小很多.货物质心垂向加速度的均方根值对比如表1所列.可以看出，装了空气悬架的货车比装平衡悬架的货车货物质心垂向加速度的均方根值优化了近48.32%.

表1 后轴为平衡悬架与后轴为空气悬架货车货物质心垂向加速度的均方根值对比

2.2 车速对平顺性的影响

货物质量仍为17.135t，分别以平均车速为10m／s（36km／h），20m／s（72km／h）重复上面的试验，得到加速度曲线如图7所示，经过处理得到加速度的功率谱密度曲线如图8所示.

由图7、图8可以看出车速减小，货物质心的垂向加速度也相应减小，货物的振动频率和峰值也有降低，从下面的货物质心的垂向加速度的均方根值的对比表2中可以看出速度减小了一半，均方根值减小了18.26%.

2.3 货物质量对平顺性的影响

图7 不同车速下的空气悬架货车货物质心垂向加速度曲线图

图8 不同车速下的空气悬架货车货物质心垂向加速度功率谱密度曲线图

表2 不同车速下的空气悬架货车货物质心的垂向加速度的均方根值对比

保持货车的平均车速为20m／s，改变货物的质量，从原本的17.135t增加50%到25.703t，重复上述试验，得出货物质心加速度的曲线图如图9所示，经过处理得出功率谱密度曲线如图10所示.

从图中可以看出随着质量的增加，货物质心的加速度也随之增加，货物的振动频率和峰值也有所增加，从表3中可以清楚的看出质量增加到原来的150%，加速度的均方根值增加了30.44%，可以看出质量对行驶平顺性有很大的影响.

图9 不同货物质量下的空气悬架货车货物质心垂向加速度曲线图

图10 不同货物质量下的空气悬架货车货物质心垂向加速度功率谱密度曲线图

表3 不同货物质量下的空气悬架货车垂向加速度的均方根值对比

3 结 论

1）本文所研究的货车后轴由钢板弹簧平衡悬架改装为空气悬架后，货物质心垂向加速度的均方根值减小了48.32%，对货物振动的影响明显减小，说明后轴安装空气悬架能够明显改善车辆的平顺性.

2）车速减小到原来的一半，货物质心的垂向加速度均方根值减小18.26%；货物质量增加到原来的150%，货物质心的垂向加速度均方根值增加30.44%.说明车速和货物质量对车辆的平顺性有很大的影响.

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