基于车厢侧倾的空气悬架导向机构稳健设计

宋 礼 ，马文兵，温玉成，冯中友，谭小英

SONG Li1 , MA Wen-bing2, WEN Yu-cheng2, FENG Zhong-you2, TAN Xiao-ying2

（1.重庆市长安汽车股份有限公司，重庆 400023；2.力帆实业（集团）股份有限公司，重庆 400707）

0 引言

将稳健设计思想运用到产品的开发和设计中，既能降低生产成本，又能保证产品质量。对汽车企业而言，能够用廉价的生产手段，生产质量稳定可靠的产品，是企业降低生产成本的手段。如果产品的设计对制造尺寸的变差不是很灵敏，而且产品还具有所期望的质量特性，就能提高企业效益。同时产品在不同的环境中具有较好的抗干扰能力，产品就具有较好的可靠性，能够提高企业在市场的信誉。

空气悬架的特点和优势都比较突出，空气悬架车辆的行驶平顺性和安全性相比一般悬架都有明显改善。空气悬架系统是有市场潜力的悬架系统，在我国各大客车制造商已经开始发展和制造空气悬架，对于空气悬架系统稳健性方面的研究具有重要意义。

近些年来很多科研单位和企业对空气悬架的导向机构都进行了研究，比如厦门金龙的侯永坤，在理论的基础分析了几种典型导向机构中V型杆的运动过程，探讨了V型推力杆使用过程中影响其性能的主要因素，指出产生的“干涉应力”的原因是由于空气悬架的结构设计不合理[1]。株洲时代新材料科技股份有限公司张俊荣等，利用有限元方法对40t重型汽车悬架推力杆进行了分析，在此基础上优化其结构强度[2]。东风汽车研究院孙为群详细的分析了几种典型的导向机构，对导向机构与整车操纵稳定性之间的关系进行了阐述[3]。

其实空气悬架的导向机构也严重影响汽车的操纵稳定性，对汽车转向特性、车厢侧倾、制动点头等都很大影响，本文基于车厢侧倾对导向机构的参数进行稳健设计。

1 建模与验证

1.1 动力学模型的建立

根据某实车参数，利用CATIA建立大客车底盘的三维实体模型，然后通过CATIA和ADAMS之间的数据接口，将建立好的三维实体模型导入ADAMS中，根据实车参数应用ADAMS建立整车底盘系统的动力学仿真模型，参数如表1所示。将三维模型转换为动力学模型时，将各个构件质量特性参数化；然后根据实车结构，用运动副和弹性元件连接各个构件，这样就将三维模型转化为可仿真的虚拟样机。建立好的模型如图1所示。

表1 整车部分参数表

图1 整车底盘动力学模型

1.2 稳态回转仿真试验及验证

根据国标GB/T 6323.6—94进行仿真，汽车起步逐渐加速车厢侧倾，使整车转弯半径在15m～20m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[4]。稳态回转的运动轨迹如图2所示。在稳态回转过程中主要对汽车三个指标进行评价，三个指标为，中性转向点的侧向加速度an，不足转向度u，车厢侧倾刚度K。然后根据汽车行业标准QC/T480-1999，汽车操纵稳定性限定指标与评价方法，对6t以上的客车指标的规定及评分计算方法，将仿真值计算于表2中。

图2 稳态回转运动轨迹

然后计算的稳态回转的综合分数，计算方法如下[5]：

试制车检验报告的综合评分为86.43，实车检验报告来源于国家客车质量检测中心，仿真结果和检验结果有差异。造成差异的原因是，仿真状态衬套的刚度设置和实际的衬套存在差异；仿真时各个构件为刚体，不考各个虑构件在实际情况下变形。通过结果对比，相差结果小于5%，验证了模型的正确性。

2 实验设计

实验设计（Design of Experiments，DOE）也称试验设计，就是对试验进行合理科学的安排，达到最好的试验效果。

2.1 试验指标及仿真工况

仿真试验时，试验模型的运动轨迹如图3所示。6.7s开始转向，转向轮在15s时停止转向，保持原转向角不变，转过的度数θ为23°，仿真时转向的车速U=9.7m/s。

图3 运动轨迹

汽车在开始转向时就有侧倾角，随着车厢侧倾角度的变大，侧倾角也变大，在整个运动过程中，在14.1s时出现了侧倾峰值，这是由于车厢侧倾时速度较快，产生的侧倾振动现象。取14.1s时的侧倾值为试验指标，初始值为4.54°。

图4 侧倾角随时间的变化

表2 稳态回转仿真试验

2.2 试验因素及其水平值的确定

在实际确定因素时，有以下几个原则，第一应该选取对试验结果（试验指标）影响较大的因素；第二，选取未掌握对试验结果影响规律的因素；第三，选取尽量选取未被考查过得因素。那些对试验结果影响较小、对试验结果的影响规律已被掌握的因素尽量少选或者不选。上、下导向杆相对于水平面的夹角，上下导向杆之间的距离，会对汽车车厢侧倾特性产生影响，也是未被考查过的因素。本文所选取的因素主要是导向杆与车桥连接端的连接点。因素所指具体位置，如图5所示；因素的具体说明如表3所示。

图5 导向机构及因素所在空间机构位置

表3 因素说明

试验因素水平一般选取2～4为宜，以原设计参数为中心值，结合整车尺寸实际情况，选取因素水平值,各因素的水平值如表4所示。

表4 因素水平表

2.3 正交表的选取

试验因数的水平是实现试验目的前提，也是选取正交表的依据，一般情况下，选用正交表时不能删减试验因素，也不能缩减试验因素的水平。如果选取的正交表能满足以下两个条件：一，正交表能安排所有试验因素的所有水平值；二，试验号最小；就可以认为所选的正交表是最合适的正交表。根据上述原则选取的正交表为：L9（34），如表5所示。

表5 L9（34）正交表[6]

悬架系统和车架、车桥连接是柔性连接，在安装和运行过程中均有误差，故应该考虑噪声因素对试验结果的影响，误差因素同样取三水平，误差水平表如表6所示。

表6 误差因素水平表

2.4 表头设计

正交表的每一列安排一个因素，表头设计就是将每一个试验因素分别安排到所选正交表各列中去。如果不考虑因素间的交互作用，那么各个因素就可以任意安排到正交表各列中去。这里暂不考虑因素的交互作用。

2.5 试验方案

表头设计工作完成以后，将正交表中所有的数字所代表的因素的水平替换成相应因素水平对应的数值，这样就完成了试验方案的编制。实验方案如下：

1）不考虑误差因素总的试验方案

表7 试验方案

2）考虑误差因素的试验方案

对第一组试验考虑误差因素，对第一组试验编制试验方案。

表8 考虑误差因素的第1组试验方案

3 试验过程

按照上述试验方案，以第一组试验为例，按照表8进行试验，每一次试验整车的侧倾角大小如图6所示。图7为图6的局部放大图。

图6 整车侧倾角的变化（°）

图7 图6局部放大图

按照总的试验方案依次进行9组试验，得到如表9所示数据。第9组试验时，出现较大的侧倾现象，第八次试验计算出侧倾角为5.7°，说明第9组参数组合的质量输出波动比较大，不稳定，在设计时应该注意合理选择参数，适当避免。

表9 试验数据（°）

4 数据分析

望小特性参数设计是基于损失模型的稳健设计类型之一，该方法最早是日本学者G.Taguchi博士提出创立的，从狭义上讲，三次设计中的参数设计G.Taguchi式稳健设计，亦称田口氏稳健设计。是确定可控因素水平值的最佳组合的一种设计方法，达到质量稳定的目的。

根据望小特性公式[7]，计算信噪比。

计算过程中，首先计算每一组试验的侧倾角平方和。

表10 每一组试验的侧倾角平方和

根据上述公式计算出每一组试验的信噪比，计算结果表11所示，结论为第4号试验侧倾角度值最小，其平均值为4.0367°，其参数组合为A2B1C2D3；并且信噪比值最大，说明质量特性最稳定。对于汽车来说，也就是车厢侧倾特性比较稳定，受外界干扰的情况下，这一组参数组合，能够使汽车车厢侧倾相对于其他参数组合情况较为稳定。

表11 每一组试验的信噪比

9组试验的试验结果如表9所示，通过第2、3、4、7、8组试验结果的数值也可以看出，所有结果都小于原始设计状态下的值16.43m，这说明在这样的导向机构参数组合下，整车的车厢侧倾趋势有所减小，在考虑多目标时可以从这几组参数组合中进一步优化；第9组试验数据表明，在A3B3C2D1这样的参数组合下容易出现侧翻，是设计时应该注意的。

5 结束语

根据某客车实车参数，建立了底盘动力学模型，按照国家标准，进行了稳态回转仿真，通过仿真试验结果和实车检验报告的结果对比，仿真试验结果与实车检验结果相差在合理范围内，验证了模型的正确性。根据田口氏稳健设计基本原理，利用正交试验法，以空气悬架导向机构参数为试验因素，确定试验因素的水平为三水平，设计了总的仿真试验方案；考虑环境因素、安装及生产过程中对导向机构空间位置引起的的误差，确定具体的试验方案，探索质量特性最稳定的参数组合。利用信噪比原理，对试验结果进行处理，最终确定A2B1C2D3为质量特性最稳定的参数组合。仿真试验表明，空气悬架的导向机构确实对整车的车厢侧倾特性有重要影响。

[1]侯永坤.悬架系统v 型杆的结构分析[J].客车技术与研究,2007,(4).

[2]张俊荣,李建林,邓永,等.40t重型汽车平衡悬架用推力杆的强度设计[J].汽车技术,2008,(3).

[3]孙为群.汽车空气悬架的结构型式及导向机构研究[J].汽车科技,2000.

[4]GB/T 6323.6—94汽车操纵稳定性试验方法稳态回转[S].

[5]QC/T480-1999汽车行业标准[S].

[6]任露泉.试验设计及其优化[M].2009.240.238.

[7]陈立周.稳健设计[M].1999.80-81.