重型商用车平衡悬架性能研究及分析平台构建

赵雷雷 李胜 黄德惠 宋乃华 王娜 李栋

（一汽解放青岛汽车有限公司）

重型商用车平衡悬架性能研究及分析平台构建

赵雷雷 李胜 黄德惠 宋乃华 王娜 李栋

（一汽解放青岛汽车有限公司）

针对重型商用车钢板弹簧平衡悬架分析困难、开发周期长的问题，利用多体动力学方法建立了钢板弹簧平衡悬架动力学模型；利用优化软件Isight集成Adams软件和Matlab软件，调用word软件直接生成研究报告，从而构建了钢板弹簧平衡悬架分析平台。通过实例分析与试验验证表明，所建立的钢板弹簧平衡悬架模型是正确的，所开发的分析平台高效可靠，可实现对重型商用车钢板弹簧平衡悬架的快速开发和匹配。

1 前言

目前，在重型商用车悬架系统中被广泛应用的依然是钢板弹簧平衡悬架。由于钢板弹簧平衡悬架的空间几何关系复杂，对其模型化及参数分析困难，导致不能对其关键力学性能进行快速、准确的分析和预测，致使钢板弹簧平衡悬架设计和匹配中易存在问题，因而在其使用过程中出现诸多故障[1]，而这些故障会降低钢板弹簧平衡悬架的性能，限制整车性能的提高。

由相关资料可知，国内外学者仅针对平衡悬架某一或某几个性能进行了研究[2～8]，且大多是根据钢板弹簧平衡悬架实际结构，采用传统的平顺性分析方法进行等效简化[9～11]。但这种分析方法降低了设计及分析结果的精度，因此必须寻求一种快速、高效的研究方法，建立钢板弹簧平衡悬架开发平台，以便在整车研制阶段就能全面掌握和预测其设计参数对性能影响的规律，从而改善车辆稳定性、提高安全性和乘坐舒适性。

本文根据钢板弹簧平衡悬架的特点，利用多体系统动力学理论及相应软件建立其动力学模型，利用软件Isight为基础平台并集成Adams软件和Matlab软件对悬架性能进行研究，构建适用于重型商用车钢板弹簧平衡悬架的分析和设计平台。

2 钢板弹簧平衡悬架物理模型

钢板弹簧平衡悬架以钢板弹簧为弹性元件，具有较强的承载能力和良好的通过性，在重型商用车上得到了广泛应用。某钢板弹簧平衡悬架物理模型如图1所示，主要由车架、钢板弹簧、平衡轴总成、V型推力杆（前V型推力杆和后V型推力杆）、直推力杆（共4支）、中桥、后桥等组成。

3 钢板弹簧平衡悬架建模

3.1 钢板弹簧平衡悬架模型构建

根据钢板弹簧平衡悬架CAD模型建立如图2所示坐标系；利用Adams构建钢板弹簧平衡悬架多体系统动力学模型，如图3所示。其中，整体坐标系（xyz）原点o位于车架上平面横梁中心，x轴正方向为悬架纵向平面内由中桥指向后桥，z轴正方向垂直车架上平面向上，y轴正方向根据右手定则确定。在杆系球头位置处均建立局部坐标系。

钢板弹簧平衡悬架多体系统动力学模型的基本信息如表1所列。该动力学模型主要包括车架子系统、悬架子系统、中桥及后桥子系统、轴间传动轴子系统、四立柱试验测试台子系统等6个子系统，具有127个自由度。在该动力学模型中，采用单片钢板弹簧等效代替多片钢板弹簧；在钢板弹簧与中、后桥上的左、右钢板弹簧支座之间，利用AdamsView中的接触Contact（Solid to Solid）建立了4个约束连接；在车架与中、后桥之间，利用AdamsCar中的Bumpstop建立了4个限位块；在杆系球头位置除建立运动副之外，利用Bushing共建立14个橡胶衬套。轮胎为11.00-20型，综合考虑模型的准确度和参数的可获取性，选用适用于平顺性分析的UA轮胎模型建模。模型中悬架的几何参数、质量参数及转动惯量依据CAD模型获取；力学参数如橡胶刚度特性曲线、钢板弹簧弹簧刚度特性等参数均采用实测参数值及厂商提供的试验数据。

表1 模型基本信息

3.2 路谱输入

由于Adams/Car中自带的四立柱试验台不便于对平衡悬架进行静力学分析，故在该研究中构建了能够对平衡悬架快速进行静力学分析的试验台，在该试验台上可以施加各种路谱激励。为模拟商用车通常行驶路况中的真实行驶振动情况，路面输入采用GB7031—86标准路谱等级。根据标准GB7031—86《车辆振动输入―路面平度表示方法》，路面不平度位移功率谱密度拟合式为：

式中，n为空间频率；n0=0.1 m-1为参考频率；Gd（n0）为路面不平度系数；w为频率指数。

采用谐波叠加法生成随机不平度路面，并导入Adams中，步骤如下。

a.将路面不平度位移功率谱密度的空间频率区间（n1，n2）划分为N个，每小区间标准差为，其中，nmid-i是第i（i=1，2，3…N）个区间的中心频率；Δni为第i个区间的频率间隔。

b.路面不平度空间频域第i个小区间相应的时域为，其中，θi为[0， 2π]上均匀分布的随机数。

c.时域下路面不平度可以表达为每个三角函数的叠加：

d.按照路面不平度等级分类标准，采用MAT⁃LAB计算出相应的A、B、C、D等4级路面不平度。

e.将MATLAB生成的4级路面不平度数据导入Adams中。如，在Adams中生成的D级路谱如图4所示，在整车行驶振动仿真时，可直接调用x随y的变化曲线，从而提供路面激励输入。

4 钢板弹簧平衡悬架分析平台开发

钢板弹簧平衡悬架系统零部件繁多，利用模型仿真计算时迭代次数多、数据规模大。仅利用Adams软件可针对某一需求工况对钢板弹簧平衡悬架进行分析，但对于多工况、多需求任务的分析及设计结果的提取较困难和繁琐，分析和设计效率低。为此，必须利用虚拟试验技术，借助于集成软件提供基础平台，构建钢板弹簧平衡悬架开发平台。

4.1 钢板弹簧平衡悬架分析平台功能

4.1.1 静力学分析

钢板弹簧平衡悬架静力学分析是通过分析悬架在空载、半载及满载状态下的各项性能指标，从而全面掌握悬架的静力学特性。如，对中后桥转角的分析可为转动轴的布置提供参考和依据；对各部件模态频率的分析便于设计者全面掌握悬架的偏频，合理布置悬架的频率分布，从而提高舒适性；对轴距变化的分析可为解决轮胎过度磨损问题提供数据支持。

4.1.2 运动学分析

钢板弹簧平衡悬架运动学分析是通过分析悬架在单轮跳动工况、俯仰运动工况、侧倾运动工况及对扭运动工况下相应指标的变化，确定平衡悬架机构的空间几何参数及其变化规律。

4.1.3 动力学分析

钢板弹簧平衡悬架动力学分析是通过分析悬架在不同载荷（空载、半载和满载）、不同路面（A级～D级）和不同车速（40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h），共48种组合工况下各项性能指标的变化，从而为改善悬架性能提供依据。如，通过对不同工况下限位块撞击几率的分析，可为限位块提供设计依据，使得限位块充分发挥在恶劣路况下的防撞功能并避免过早损坏；通过对轮荷变化的分析可获得车轮相对动载数据，便于评价和提高悬架的安全性；通过对车架振动加速度的分析，使设计人员全面掌握设计参数对舒适性影响的规律，以进一步提高整车舒适性能；通过对不同工况下橡胶衬套的受力和变形分析，可实现橡胶衬套刚度、强度与不同车型的悬架的合理匹配，避免过早磨损；通过对组合工况下各动力学指标的分析，可为如何选用平衡轴铸造一体式结构、分开式结构提供依据，便于实现不同车型对平衡轴结构的合理匹配。

4.2 钢板弹簧平衡悬架分析平台构建

素质教育更注重对学生综合水平的培养，这种培养可以让学生更好地适应这个社会。在这个培养过程中，教学的多样性引导应该被体现出来。音乐是一种能很快让学生产生情感共鸣的一门艺术，且学生对音乐具备一定的喜爱性。在进行初中音乐课程教学的过程中，应充分发挥这种喜爱性，并做到对学生的适当引导教学，帮助学生进行全面的发展，全面助力素质教育的推进。

以多学科/多目标优化软件Isigh为基础平台来构建钢板弹簧平衡悬架分析平台，如图6所示，其执行流程如图7所示，可以满足图5所示的所有功能需求。

该分析平台共包含7个模块，按照执行顺序依次为：

a.利用其驱动栏中的Task模块建立钢板弹簧平衡悬架总分析任务单元（Susp analyses）；

b.利用试验设计模块DOE的试验功能，按顺序分配钢板弹簧平衡悬架分析的每一项任务；

c.利用Activities栏中的Matlab模块建立参数修改单元（Modify Paras），负责执行不同任务时的参数修改；

d.利用通用集成模块Simcode建立钢板弹簧平衡悬架多体动力学模型求解模块（Runsolver），从而调用采用Adams/car软件所建立的钢板弹簧平衡悬架多体动力学模型，并利用Adams软件的标准求解器进行求解；

e.利用Simcode建立仿真计算数据后处理模块（RunAview），用于对所求解结果的后处理；

f.利用Matlab模块建立文件名重命名单元（Re⁃name File），负责修改生成的结果文件名与分析任务相统一；

g.利用Matlab模块建立生成报告单元（Re⁃name File），负责调用word文档生成钢板弹簧悬架研究报告。

该分析平台为开放平台，如果以试验设计模块DOE替换Isight中的优化模块，则可实现对钢板弹簧平衡悬架的多目标优化设计，其优化设计流程如图8所示。如，以橡胶衬套的刚度及杆系球头局部坐标系的原点点位为优化变量，以车架加权加速度为舒适性指标，以车轮相对动载为安全性指标，建立多目标优化目标函数，对平衡悬架的安全性和舒适性协同优化。同时，可根据研发需求增加分析功能模块，构建一个功能更齐全、更高效的虚拟试验平台，实现联机协同仿真，协调各科研人员的输入和输出。还可以依托此平台构建使用钢板弹簧平衡悬架的重型商用车整车仿真与设计平台，使虚拟试验成为一个整体，从而实现悬架匹配与整车试验的一体化设计。

5 钢板弹簧平衡悬架分析实例与试验验证

根据图1所示钢板弹簧平衡悬架的实际参数建立了多体动力学模型，并利用钢板弹簧平衡悬架分析平台进行仿真计算，快速自动生成了钢板弹簧平衡悬架分析报告word文档。该分析报告的分析数据主要由钢板弹簧平衡悬架的静力学分析结果、运动学分析结果、动力学分析结果三部分组成，每部分都由数据分析表（共35个）、数据分析指标曲线（动力学分析48种工况，每种工况有42条曲线，共2 016条）、分析结论等组成。其中，钢板弹簧平衡悬架静力学分析结果基本数据如表2所列，可用于对模型的正确性和分析平台的可靠性进行验证。

表2 静力学分析结果基本数据

为验证分析平台的可靠性，进行了钢板弹簧平衡悬架的静力学试验，包括轮荷测试、钢板弹簧变形量测量、中后桥转角测量等，经数据处理后得到用于验证模型的试验数据。试验测得空载、半载和满载下轮荷依次为8 640 N、3 0691 N和6 2541 N，仿真计算值依次为8 450 N、30 600 N和62 400 N，相对误差分别为2.20%、0.30%和0.23%；测得满载情况下钢板弹簧弧高为-11 mm，仿真计算值为-10.43 mm，相对误差为5.18%；满载中桥姿态角试验值为-3.39°，仿真计算值为-3.43°，相对误差为1.18%；后桥姿态角试验值为-3.53°，仿真计算值为-3.55°，相对误差为0.57%。根据表2及试验数据的对比可知，所建立的钢板弹簧平衡悬架模型是正确的，所开发的钢板弹簧平衡悬架分析平台是可靠的。因此，该平台可用于对重型商用车钢板弹簧平衡悬架进行分析设计和匹配，利用其分析结果和结论，能够使设计人员在整车研制阶段全面掌握和预测其设计参数对性能影响的规律，利于提高整车性能。

6 结束语

利用优化软件Isight集成Adams软件、Matlab软件及word软件构建了重型商用车钢板弹簧平衡悬架开发平台。通过实例仿真和试验验证表明，所开发的平台能够快速、高效地对钢板弹簧平衡悬架进行分析，在整车研制阶段即能全面掌握和预测其设计参数对整车性能影响的规律，有利于改善车辆稳定性、提高安全性和乘坐舒适性。依托此平台还可构建平衡悬架的整车仿真与设计平台，使虚拟试验成为一个整体，从而实现悬架匹配与整车试验的一体化设计。

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3 张子春，马力，王皎，等.考虑部件弹性变形的平衡悬架运动干涉分析.拖拉机与农用运输车，2006，33（4）：66～68.

4 付李.重型汽车钢板弹簧平衡悬架的仿真分析：[硕士论文].武汉：华中科技大学，2009.

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6 练宏俊.载重汽车平衡悬架特性分析：[硕士论文].上海：同济大学，2002.

7 赵礼东.重型汽车多轴平衡悬架运动分析及仿真：[硕士论文].武汉：武汉理工大学，2004.

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9 任卫群，杨勇，蒋鸣，等.采用多体系统动力学的平衡悬架牵引车平顺性研究.汽车工程，2004，26（3）：331～335.

10 蒯行成，李永红，任恒山.采用平衡悬挂系统的载重汽车的随机响应分析.湖南大学学报，2005，32（2）：25～28.

11 杨放梁.平衡悬架的振动特性分析.武汉科技大学学报，2007，30（2）：168～170.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2014年12月22日。

Study on Performance of Balanced Suspension for Heavy Commercial Vehicle and Platform Construction Analysis

Zhao Leilei,Li Sheng,Huang Dehui,Song Naihua,Wang Na,Li Dong
（FAW Jiefang Qingdao Auto Co.,Ltd）

To solve the problem of the difficulties in analysis of balanced suspension for a heavy commercial vehicle and long development cycle,a model of leaf spring balanced suspension is built using multi-body system dynamics.An analysis platform is constructed with Software Isight integrated Adams with Matlab,and by calling software Word to generate research report directly.Practice analysis and test verification show that the model of leaf spring balanced suspension is accurate,and the analysis platform is efficient and reliable,which can be used for rapid development and adaptation of leaf spring balanced suspension of heavy commercial vehicles.

Heavy vehicle,Balanced suspension,Mechanical properties,Analysis platform

重型商用车 平衡悬架 力学特性 分析平台

U463.33

A

1000-3703（2015）02-0048-05