客车空气悬架行驶动力学分析与优化

李恩科，宋礼，樊成程，张东方，吴张兵（.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆40；.重庆长安汽车股份有限公司，重庆40003）

客车空气悬架行驶动力学分析与优化

李恩科1，宋礼2，樊成程2，张东方2，吴张兵2
（1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆401122；2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆400023）

根据某空气悬架大客车的设计要求，建立整车底盘系统的ADAMS多体动力学模型，并对其进行动力学仿真分析；通过和实验数据对比，验证模型的正确性。对整车悬架布置进行优化，以减小制动点头量。

客车；空气悬架；行驶动力学

空气悬架客车有平顺性好、整车整备质量小、车辆对路面的损坏少等优点。但在行驶过程中稳定性略有不足，加速有明显的“仰头”和制动有过大的“点头”。本文基于某公司在研发的客车悬架参数，应用多体动力学软件ADAMS建立某空气悬架客车底盘系统模型，分析空气悬架导向机构与车架连接点（也称为“硬点”），对整车制动时动力学性能的影响，并进行优化。

1　导向机构对行驶动力学的影响分析

大客车在制动或加速工况下，前后悬架因负荷转移使地面给轮胎的法向反力发生变化，导致悬架变形而使车身纵倾，即产生“点头”或“仰头”现象。如果这种现象被地面制动力或驱动力引起的悬架变形所抵消，这样的悬架就具有抗“点头”或抗“仰头”的能力。

任何双臂导向机构都可以等效简化为单纵臂形式的导向机构［1］。只是双臂导向机构的瞬时运动中心可在车体内外，并随路面行驶工况的变化而改变，而单纵臂的瞬时运动中心是车体内某一固定点，如图1中的点OFP、ORP。导向机构后文统称导向杆。

汽车制动轮胎抱死时，前轮的受力如图1所示，对OFP点取矩得：

式中：Gf为前轴静载荷；Zf为地面对轮胎的法向反力；Wd为制动时载荷的变化；FBf前轮所受的地面制动力；A为OFP点到轮胎接地点的水平距离。

式中：W为整车重量；ax为前进方向的加速度。

Wd越大时，前悬弹簧被压缩的越厉害，制动点头量就越大，稳定性越差。由式（3）可知，改变前悬架导向杆交接点的位置，就可以改变Hr与A的比值，从而改变Wd的大小，以改变制动点头量。

在车辆制动过程中，俯仰角度θp为前后悬架绕度的总和除以轴距［2］。

式中：δf、δr为前后悬架的扰度；Kf、Kr为前后悬架的刚度。

当俯仰角度为零时，即制动时空气弹簧不变形，即100%抗“点头”，满足条件：θp=0，即

这样的现象可以通过导向杆的布置实现。所以导向机构的布置对整车行驶动力学性能起着至关重要的作用。

2　对抗点头进行优化

本文通过优化上下导向杆与车架和车桥的连接点来适当减小制动点头量，以提高客车的行驶平顺性。本文研究的空气弹簧大客车前悬架采用四连杆导向机构，如图2所示。

2.1三心定理的应用

由三心定理可知，车轴为连杆BC，上下导向杆分别为摇杆AB、DC，车架为机架，这样可以确定一个运动瞬心P，如图3所示。瞬心P在图1中可以看作是铰接点［3］。图3中，改变A、B、C、D的位置到a、b、c、d时，运动瞬心位置变为p，结合前面的理论分析，改变上、下导向杆与车架和车桥的连接点，就可以改变合力对导向的瞬时运动中心OFP的力矩，从而优化制动点头量［4-5］，以提高该悬架的抗点头能力。

2.2动力学模型的建立

建模时，首先利用CATIA软件建立大客车底盘的三维实体模型，然后通过CATIA和ADAMS之间的接口，依据部分整车参数，应用ADAMS建立整车底盘系统的动力学仿真模型［6-7］，如图4所示。图4中，将三维模型转换为动力学模型时，根据实车结构，用运动副10个和弹性元件28个连接各个构件，将三维模型转化为可运动的虚拟样机。转向节与车桥的连接由转动副模拟，导向杆与车架之间由衬套连接。模型的部分参数和几何参数如表1所示；该参数由厂方提供。

表1　整车部分参数表

2.3稳态回转仿真试验及验证

根据国标GB/T6323.6-94汽车起步逐渐加速转向［8］，整车转弯半径为15～20 m范围内，然后固定方向盘不动，缓缓均匀的加速，直到汽车加速到侧向加速度在3～6m/s2范围内。然后测量其侧向加速度和侧倾角。稳态回转的运动轨迹如图5所示。

图6为车厢侧倾角特性曲线，横坐标为侧向加速度，纵坐标为车厢侧倾角。标准QC/T 480-1999规定［9］，车厢侧倾刚度按车厢侧倾角与侧向加速度关系曲线上侧向加速度值为2m/s2处的平均斜率。回转中，图6所示仿真时侧向加速度为2m/s2，侧倾角为1.5°，则侧倾刚度为0.75°/（m/s2）；实车实验数据在侧向加速度为2m/s2时，侧倾刚度为0.53°/（m/s2），数据对比如表2所示。由于橡胶村套的理论刚度和实际刚度有差异，实车轮胎与理论轮胎模型也存在这差异。所以实际的数据和理论数据上有差别。仿真数据和实车实验数据都在合理范围内，如表2所示，验证了模型的正确性，同时也验证了空气悬架变刚度的特点，空弹簧被压缩时弹簧刚度有所增大，侧倾刚度也有所增大。

表2　仿真与实验数据对比

2.4导向机构的优化

试验设计DOE（Design of Experiments）考虑在多个设计变量同时发生变化时，多个设计变量对样机性能的影响。对设计试验过程的设置称为建立设计矩阵。设计矩阵的列表因素、行表运行次数、矩阵中每个元素表示对应因素的水平级，是离散的值。设计矩阵给每个因素指定每次运行的水平级数。只有根据水平级，才能确定因素在运算时的具体值。

1）优化目标函数。仿真时，根据国家标准GB 12676-1999对汽车制动性能试验时的要求［10］，制动初始速度为80 km/h；未制动时，以80 km/h的车速匀速行驶，如图7所示。10 s时开始制动，制动强度为0.5 g［11］。设计要求的制动点头量要小于1°。制动时的车速随时间的变化关系如图7所示；纵向加速度随时间的变化关系如图8所示。优化前点头量如图9中实线所示，最大值为0.993°。虽然小于1°，但是在稳定性方面效果不是很理想。

自变量y1，……，y8是各个硬点在与车轴垂直的平面内的纵坐标值，在优化过程称作设计变量DV1，……，DV8。

2）优化变量的选取及优化。由前面的理论分析得知，主要选取上、下导向杆与车架连接点的y坐标作为优化变量，原始值如表3原始值一栏所示，硬点1、2为两上导向杆与车架的连接硬点；硬点3、4为下导向杆与车架连接的硬点；硬点5、6为上导向杆与车桥的连接硬点；硬点7、8为下导向杆与车桥的连接硬点。变化范围相对于原始坐标变化±50mm。优化时目标函数取值过程如图10所示，优化后的点头量为0.332°。

根据优化分析报告，优化后各设计变量的值如表3优化后的值一栏所示，也就是优化以后各硬点相应的y坐标值。在相同工况下，优化前与优化后的制动点头情况如图9所示，优化前后结果对比比较明显，减小了制动点头量。

表3　设计变量原始值与优化值

3　结束语

应用多体动力学软件ADAMS/View建立某空气悬架客车底盘系统模型，分析了空气悬架导向机构硬点布置对整车操纵稳定性的影响。通过优化结果可以看出，优化硬点可以适当减小点头量。分析结果表明，空气悬架的导向杆对汽车的行驶性能有一定的影响，应当合理的布置导向机构，以满足整车动力学稳定性的要求，为改善汽车操纵稳定性提供可靠的参考意见。

应用虚拟样机技术和试验设计理论可以有效减少试验次数，缩短产品开发周期。下一步研究，结合以上研究结论和方式，可以依据该模型对汽车的侧倾稳定性、转向特性（转向过度或转向不足）进行研究。

［1］唐憬憬，邓楚楠.空气悬架导向机构对汽车操纵稳定性的影响［J］.轻型汽车技术，2008，（1）：8-11.

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［8］GB/T 6323.6-1994，汽车操纵稳定性试验方法稳态回转试验［S］.北京：中国标准出版社，1994.

［9］QC/T 480-1999，汽车操纵稳定性指标限值与评价方法［S］.

［10］GB 12676-1999，汽车制动系统结构、性能和试验方法［S］.北京：中国标准出版社，1999.

［11］李海林，王铁，申晋宪，等.被动空气悬架导向机构仿真与优化［J］.机械传动，2012，36（2）：50-56.

修改稿日期：2015-05-21

Analysisand Optim ization on Coach Air Suspension'sRunning Dynam ics

LiEnke1，Song Li2，Fan Chengcheng2，ZhangDongfang2，Wu Zhangbing2
（1.China Automotive Engineering Research InstituteCo.，Ltd，Chongqing 401122，China；2.Chongqing Changan Automobile Co.，Ltd，Chongqing400023，China）

According to the design requirements of an air suspension coach，the authors establish ADAMSmulti-body dynamicsmodelof the coach chassis system，and carry out the dynamics simulation analysis.Through comparison with test data，they verify themodel correctness.Then they optimize the arrangementofsuspension in order to reducetheamountofbrakenod.

coach；air suspension；runningdynamics

U461.1；U 463.33

B

1006-3331（2015）04-0027-04

重庆市科技攻关计划项目（cstc2012gg-yyjs0867）

李恩科（1987-），男，助理工程师；主要从事汽车整车试验研究工作。