基于操纵稳定性的某客车空气悬架系统结构改进*

苏家竹赵野杨祥利袁刘凯王良模

（1.南京依维柯汽车有限公司；2.南京理工大学）

基于操纵稳定性的某客车空气悬架系统结构改进*

苏家竹1赵野2杨祥利1袁刘凯1王良模2

（1.南京依维柯汽车有限公司；2.南京理工大学）

针对某空气悬架客车在行驶转向时车身侧倾角过大问题，提出在后空气悬架导向臂尾端添加车身侧倾稳定板的改进方案。对改进前、后空气悬架系统进行了K&C分析，结果显示改进后的悬架系统侧倾刚度得到了有效提高。基于刚柔耦合建模方法，建立了改进前、后整车多体动力学模型。仿真结果显示改进后车辆稳态回转时车身侧倾角明显减小，不足转向度也有所改善；整车试验结果验证了仿真结果的正确性和改进方案的可行性。

本文针对某客车后空气悬架系统因侧倾刚度偏低导致稳态回转时车身侧倾角偏大问题，提出了在后空气悬架结构中加装车身侧倾稳定板的改进方案。基于ADAMS/Car平台建立了刚柔耦合整车多体动力学模型，根据国标GB/T6323进行了稳态回转仿真分析，并通过整车试验验证了方案的正确性。

1 后悬架系统K&C仿真分析与改进

在对某客车进行操纵稳定性试验时发现车身侧倾角过大，尤其是在稳态回转试验中，悬架侧倾刚度偏低，同时不足转向度较差。

通常情况下安装横向稳定杆可以提升悬架的侧倾刚度，且主动横向稳定杆可以同时提升整车操纵稳定性和平顺性[2]。但是由于该客车后空气悬架结构布置空间的限制，安装横向稳定杆会带来较多部件的改动，从而产生较大的成本。针对此问题，提出了在后空气悬架左、右导向臂之间加装车身侧倾稳定板（图1中零件6）的改进措施，在一定程度上提升了悬架侧倾刚度，并对后空气悬架系统进行了K&C仿真分析验证。

文中所研究的空气悬架系统采用导向臂式结构，如图1a所示，其中零件6即为改进方案中所加装的车身侧倾稳定板。由后轴传递来的载荷经过导向臂传递给车架和4个气囊，导向臂承载的载荷较大，会发生相对较大的弹性变形。文中采用柔性体建模方式，结合刚柔耦合多体动力学建模方法建立了改进前、后的后空气悬架总成多体动力学模型，如图1b所示。

空气弹簧的静态特性曲线描述了弹簧载荷与初始气压和弹簧压缩量的关系，基于试验数据拟合的弹簧特性曲线可以更完整、准确地反映弹簧性能，直接利用其参与仿真计算是更合理的选择[4,5]。在AD⁃AMS/Car中根据气囊特性曲线可以方便地建立简化的空气弹簧模型[6]。经过对试验数据的拟合，文中空气悬架前、后气囊静态特性曲线如图2所示。

通过悬架K&C仿真与分析可以得到有无车身侧倾稳定板情况下悬架侧倾刚度的差异如图3所示。可知，当反向车轮跳动（即对应车身侧倾角）逐渐增大时，无车身侧倾稳定板的悬架侧倾刚度逐渐减小，不利于抑制转向工况下的车身侧倾，而加装车身侧倾稳定板的悬架侧倾刚度相对无车身侧倾稳定板状态较大，且随车轮反向跳动呈增大趋势，可以有效抑制车身侧倾。

2 刚柔耦合整车多体动力学模型

基于刚柔耦合建模方法在ADAMS/Car中建立整车多体动力学模型，依据国标GB/T6323进行了操纵稳定性试验。

2.1 柔性部件的建立

对于实际工况中变形较大的零部件，采用柔性体建模会得到更加符合实际的仿真计算结果[7]。文中对车架和空气悬架导向机构进行了柔性化处理，在Hyperworks中进行前处理与网格划分，由Nastran求解器求解。其中导向机构和车架的前5阶模态振型如图4所示。导向机构（左右对称）前5阶振型性质分别为垂向1阶弯曲（94.08 Hz）、横向1阶弯曲（132.96 Hz）、垂向2阶弯曲（170.70 Hz）、垂向3阶弯曲（413.83 Hz）和1阶扭转（尾部气囊支座扭转，481.46 Hz）；车架前5阶振型性质分别为1阶扭转、垂向1阶弯曲、横向1阶弯曲、横向2阶弯曲。取前20阶模态进行柔性体的建立。

表1列出了车架前5阶模态计算值与试验值，二者频率基本吻合，验证了车架柔性体模型的准确性及柔性体建模方法的正确性。

表1 车架柔性体模型仿真主要参数 Hz

2.2 整车模型的建立

基于ADAMS/Car平台建立整车多体动力学模型，整车主要仿真参数如表2所示。

表2 整车多体动力学模型仿真主要参数

前悬架采用纵向扭杆弹簧式双横臂独立悬架，其中，扭杆弹簧用非线性梁模拟，鉴于轮胎模型对整车操纵稳定性有重要作用[10]，文中采用了PAC2002型轮胎。基于刚柔耦合建模方法建立的整车多体动力学模型包括轮胎模型、纵向臂式扭杆弹簧前悬架、前悬架横向稳定杆、导向臂式空气弹簧后悬架、底盘与车身、发动机以及转向系统，如图5所示。

3 仿真结果分析与整车试验验证

3.1 稳态回转仿真与结果分析

基于图5中的整车多体动力学模型，依据国标GB/T6323进行操纵稳定性仿真分析，包括稳态回转、转向回正、转向角阶跃、转向角脉冲、转向轻便性和蛇形仿真等。因实际情况中稳态回转工况下车身侧倾度最大，受悬架侧倾刚度影响较大，所以文中仅对整车的稳态回转性能进行了计分评价与分析。

根据国标GB/T6323，对有、无车身侧倾稳定板两种情况分别进行稳态回转仿真分析，由仿真结果可以得到车身侧倾角随时间的变化关系如图6所示。相对于原悬架结构，在有车身侧倾稳定板的情况下，稳态回转时车身侧倾角明显减小，验证了改进方案的有效性。

根据国标QCT480对仿真结果进行计分，其中，中性转向点的侧向加速度an的评价计分值按式（1）计算（大于100时按100分计）：

不足转向度U按前、后桥侧偏角差值与侧向加速度关系曲线上侧向加速度值为2 m/s2处的平均斜率计算，评价计分值按式（2）计算：

式中，NU为不足转向度的评价计分值；U为不足转向度的试验值；U60为不足转向度的下限值，取1.2（°）·s2/m；U100为不足转向度的上限值，取0.5（°）·s2/m；λ是根据U60和U100比值计算的系数，

车厢侧倾度KΦ按车厢侧倾角与侧向加速度关系曲线上侧向加速度值为2 m/s2处的平均斜率计算，评价计分值按式（3）计算：

式中，NΦ为车厢侧倾度的评价计分值；KΦ60为车厢侧倾度的下限值，取1.2（°）·s2/m；KΦ100为车厢侧倾度的上限值，取0.7（°）·s2/m；KΦ为车厢侧倾度的试验值。

稳态回转仿真计算的评分结果如表3所示。由表3可见，加装车身侧倾稳定板后车身侧倾度的表征值有所降低，车身侧倾问题得到改善；同时不足转向性能也得到改善，原因之一在于当车身发生侧倾时，该空气悬架系统的左、右导向臂将分别绕着其与车架的连接吊耳转动，受压较多的一侧车轮向后相对位移较大（图7），从而使后轴绕垂直方向有一个横摆角，这个横摆角将增加车辆的过度转向；当悬架侧倾刚度增大时，在同样的侧向加速度下车身侧倾角减小，车身侧倾引起的后轴绕垂直方向转动（即后轴横摆角）减小，从而不足转向性能得到改善。

表3 稳态回转仿真结果评分

3.2 整车试验与结果分析

为了验证仿真结果正确性，确定改进方案的可行性，在定远试验场进行了整车操纵稳定性试验。试验前对仪器设备进行了预热，同时以一定的侧向加速度行驶一段时间以对轮胎进行预热。

依据国标分别对有、无车身侧倾稳定板时整车进行了稳态回转试验和相应的计分与评价。图8对比了原车状态下的整车试验结果与仿真结果，可见仿真结果与试验结果基本吻合，验证了仿真结果的正确性。

对左转与右转分别进行了几次试验，对明显偏离其他组的数据进行舍弃，得到改进前、后稳态回转部分整车试验结果如表4所示。其中，R0为初始转弯半径，R为某时刻转弯半径。由试验结果可见，在左转侧向加速度为2.0 m/s2时，有、无车身侧倾稳定板情况下前后轴侧偏角差值分别为1.05°和0.76°（右转分别为1.19°和0.76°），即有车身侧倾稳定板时不足转向性能较好；有、无车身侧倾稳定板情况下车身侧倾角分别为1.63°和1.96°（右转分别为1.71°和2.13°），即有车身侧倾稳定板时车身侧倾角较小，悬架的抗侧倾性能较好。

根据国标对改进前、后整车操纵稳定性试验结果进行计分评价，整车试验的计分评价结果如表5所示，可知相对于无车身侧倾稳定板，改进后稳态回转性能的综合计分值提高。

表4 稳态回转部分试验结果

表5 稳态回转试验结果评分

4 结束语

a. 采用刚柔耦合建模方法建立的整车多体动力学模型可以更加真实地反映整车的运动状态，提高了仿真模型精度和结果可靠性。

b.基于整车操纵稳定性对某轻型客车后悬架系统结构进行改进并与原车进行了对比分析，仿真计算与整车试验结果都验证了改进方案对车身侧倾具有改善作用，提高了该车的操纵稳定性。

c. 所提出的结构改进措施可以降低车身侧倾角并提高不足转向性能，对于类似结构的空气悬架系统布置具有一定的借鉴性。

1. 郭二生.空气悬架大客车操纵稳定性和行驶平顺性仿真与试验研究：[学位论文].长春：吉林大学，2005.

2 P.H.Cronje,P.S.Els.Improving off-road vehicle handling using an active anti-roll bar.Journal of Terramechanics, 2010（47）:179～189.

3 崔晓利.车辆电子控制空气悬架理论与关键技术研究：[学位论文].长沙:中南大学,2011.

4 陈燎,周孔亢,李仲兴.空气弹簧动态特性拟合及空气悬架变刚度计算分析.机械工程学报,2010,46（4）:93～98.

5 王家胜,朱思洪.基于ADAMS客车空气悬架振动特性仿真研究.机械设计，2010,27（10）:35～38.

6 宋宇.空气悬架车辆ADAMS与MATLAB联合仿真研究.汽车技术，2008（10）:40～43.

7 Andreas T.Pfeiffer,Jun-Seong Lee,Jae-Hung Han,et al. Ornithopter Flight Simulation Based on Flexible Multi-Body Dynamics.Journal of Bionic Engineering,2010（7）: 102～111.

8 杨新军,康峰,蔡维,谭芬,谭宇文.麦弗逊前悬架的刚柔耦合模型仿真及优化分析.计算机辅助工程,2013（22）:102～106.

9 高立新,胡延平,吴红艳.基于ADAMS的刚柔耦合汽车悬架性能分析.合肥工业大学学报（自然科学版）, 2009,32（6）:814～817.

10 Hans B.Pacejka.Tire and Vehicle Dynamics（Third Edi⁃tion）.Butterworth-Heinemann,2012:1～58.

11 宋宇,陈无畏,陈黎卿.基于ADAMS与Matlab的车辆稳定性控制联合仿真研究.机械工程学报,2011,47（16）: 86～92.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为2014年11月1日。

The Structure Improvement of A Bus Air-suspension System Based on Handling Stability

Su Jiazhu1,Zhao Ye2,Yang Xiangli1,Yuan Liukai1,Wang Liangmo2
（1.NAVECO Automobile Co.,Ltd;2.Nanjing University of Science&Technology）

To address the problem of excessive body roll angle of a bus with air suspension in turning,an improvement is proposed to add a body roll stability cross board at the end of the guiding arm of the air suspension.The K&C analysis is made to both the original and the improved structure,the results show that the roll stiffness of the modified suspension has been effectively improved.The multi-body dynamic model of the vehicle is established based on the rigid-flexible coupling method for both the original and the improved structure.The simulation results show that the roll angle of the body is reduced significantly and the degree of understeer is also improved in steady state cornering. Vehicle test results verify accuracy of the simulation results and feasibility of the improvement plan.

Bus,Handling stability,Air suspension,Structure improvement

客车 操纵稳定性 空气悬架 结构改进

U461.6

A

1000-3703（2015）01-0013-05

江苏省产学研合作项目，南京市产学研合作项目（编号201306011）。