7m客车用独立前空气悬架的设计开发

张秋芳，何文彪，冯春华，吴纪刚

（中国公路车辆机械有限公司，北京　102600）



7m客车用独立前空气悬架的设计开发

张秋芳，何文彪，冯春华，吴纪刚

（中国公路车辆机械有限公司，北京102600）

摘要：介绍一种双横臂式独立前空气悬架的设计开发，用于7m左右的中小型客车。可解决其在发动机前置时，底盘空间狭小、布置独立悬架及转向系统困难的技术问题。此独立前悬采用支撑臂上匹配气囊减振器的结构，目前在国内中小型客车上尚无此类产品。

关键词：7 m客车；发动机前置；独立前空气悬架；双横臂式

Design and Development of Independent Front Air Suspension for 7 m Coach

Zhang Qiufang, He Wenbiao, Feng Chunhua, Wu Jigang
（China Highway Vehicle &Machinery Co., Ltd, Beijing102600，China）

对于中小型客车，为了让前后轴荷均衡，改善车辆高速行驶时的操纵稳定性，一般都要求发动机前置。这对于需要连接轮胎和车身的悬架而言，布置空间非常狭小。尤其是独立悬架，因为每个转向轮分别相对于车架作独立运动，而断开式转向桥与车架的连接都需要一个过渡臂，在底盘布置均需要一定的空间，很难实现[1]。基于以上存在的种种困难，目前国内的中小型客车上用的独立悬架常以扭杆弹簧为减振弹性元件，而其减振性能没有空气弹簧好。另外，由于采用虚拟主销技术，转向节等均为进口，成本偏高。所以市场迫切需要一种新型的国产独立悬架替代进口的扭杆式独立悬架。

1　参数设计及仿真分析

该独立悬架包括轮边总成、悬架系统及转向系统三个部分。悬架系统采用双气囊双减振器的结构，主销后倾角及内倾角均集成于悬架系统上；转向系统采用断开式结构。系统组成如图1所示[2-4]，技术参数如表1所示。

表1　技术参数

图1　独立悬架系统组成

本悬架设计的车桥动行程为上跳80 mm、下跳80 mm，独立悬架简化模型如图2所示；采用Adams软件进行运动仿真分析的建模如图3所示。根据通用汽车实验规程，在独立悬架简化模型车轮部位添加竖直方向的直线驱动，驱动函数为Displacemen（tTime）=80*sin(360 d*time)。

图3　运动仿真模型

仿真分析的结果见图4-图8[5-9]。

1）主销内倾角β0。在独立悬架设计时，希望在车轮跳动过程中，主销内倾角的变化量不要太大。由图4主销内倾角β0随车轮跳动的变化曲线可知：车轮上跳80 mm时，Δβ1=8.09°-7.5°=0.59°；车轮下跳80 mm时，Δβ2=8.04°-7.5°=0. 54°。

主销内倾角增加值较小，相应的主销偏移距减小，对整车性能影响趋于良好。

图4　主销内倾角β0变化曲线

2）主销后倾角γ0。主销后倾角应保证车轮具有合适的回正力矩。一般不希望后倾角在车轮上下跳动过程中出现大的变化，以免在载荷变化时出现回正力矩过大或过小的现象，使操纵性能恶化。由图5主销后倾角γ0随车轮跳动的变化曲线可知：车轮上跳80 mm时，Δγ1=2.5°-2.503 5°=-0.003 5°；车轮下跳80 mm时，Δγ2=2.5°-2.503°=-0.003°。

无论是上跳还是下跳，主销后倾角都是逐渐增加且变化量不大。这表明此独立悬架在车轮跳动过程中，车辆的转向轻便性和高速直线行驶稳定性得到了较好的协调。

图5　主销后倾角γ0变化曲线

3）前轮外倾角α0。由图6前轮外倾角α0随车轮跳动的变化曲线可知：车轮上跳80 mm时，Δα1=1°-0.43° =0.57°；车轮下跳80 mm时，Δα2=1°-0.49°=0.51°。

此数据显示外倾角的变化有利于减小轮胎磨损。变化量和变化趋势对整车的直线行驶稳定性和转弯时的操纵稳定性也是比较理想的。

图6　前轮外倾角α0变化曲线

4）前轮前束角θ0。为了确保良好的直行稳定性，希望前轮上跳时前束呈弱负变化，同时为了减少轮胎磨损，要求前束的变化值趋于弱小为好[10]。由图7前轮前束角θ0的变化曲线可知：车轮上跳80 mm时，Δθ1=0°-（-0.41°）=0.41°；车轮下跳80 mm时，Δθ2=0°-（-0.09°）=0.09°。前束值变化趋势良好。

图7　前轮前束角θ0变化曲线

5）轮胎滑移量d。轮胎滑移是导致轮胎发生磨损的重要原因。实际工况中车轮向上跳动的概率要大于向下跳动的概率。由图8单侧轮胎滑移量d随车轮跳动的变化曲线可知：车轮上跳80 mm时，Δd1=6.7 mm；车轮下跳80 mm时，Δd2=5.9 mm。极限跳动状态轮胎滑移量变化较小，特别是在车轮上跳工况时较小，变化趋势有利于减少轮胎磨损。

2　干涉校核及装车试验

转向干涉校核模型采用Solidworks建模，如图9所示。图9中双点划线为转向节臂前端的球销点受转向横拉杆牵动时的运动轨迹，半径为左转向横拉杆的长度。运动仿真的初始条件为固定悬架的上、下摆臂车架连接端，并处于水平状态。在此简化模型主销部位添加竖直方向的直线驱动马达，驱动输入数据为Akima样条曲线（图10），用于模拟车轮随时间匀速上下跳动（车桥跳动量±80 mm）[11]。

图9　转向干涉校核模型

图10　　fgdfgdfAkima样条曲线

图11为车轮跳动时转向节臂前端的球销点水平方向的位移结果。由曲线可知，车轮上跳80 mm时，水平方向位移D1=8.45 mm；下跳80 mm时，水平方向位移D2= 9.06 mm。

图11　转向节臂点水平位移变化曲线

另外，图9同时也简单示意了转向节臂前端的球销点受转向横拉杆的牵引时水平方向的位移，车轮上跳和下跳80 mm时，水平方向位移均为D=8.1mm。

综上所述，可计算出转向系统与导向机构干涉量如下：

车桥上跳时，转向干涉量ΔD1=D1-D=8.45-8.1= 0.35 mm；车桥下跳时，转向干涉量ΔD2=D2-D=9.06-8.1 =0.96 mm；转向干涉量均非常小，性能优良。

本文设计的独立前空气悬架在某主机厂进行了实际装车，与此前悬架匹配的后悬架为板簧结构。装车后的四轮定位参数检测的结果未完全达到设计状态，有少许的偏差。通过初步试车，实验人员的反馈是高速稳定性整体不错，转向手感明显；高速回正尚可，但低速回正欠佳；转向空行程稍微偏大，转向杆系球铰摩擦以及方向机的参数匹配等对它都有一定的影响。

总体来说，此次试车情况尚可，如果悬架装车后的参数能完全达到设计状态，并在满载的情况下，整车的悬架性能应该能达到优良水平。由于主机厂生产进度调整的原因，目前此车尚未进行正式路试。

3　结束语

本文通过利用三维软件建立悬架模型进行虚拟样机的运动仿真，对输出结果进行分析，并进行实际装车试验，全面介绍了7 m客车用独立前空气悬架的设计开发过程。本文所述的独立前空气悬架具有以下几个优点：采用空气悬架系统，气囊承载，舒适性能好；气囊、减振器均位于大梁外侧，布置紧凑；主销后倾角及内倾角均集成于悬架系统上，装配难度降低，结构简单；所有零部件均为国内生产采购，成本低廉；采用断开式转向系统，能适应发动机前置。

参考文献：

[1]陈家瑞.汽车构造[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2]刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001.

[3]郭孔辉.汽车操纵稳定性[M].长春：吉林人民出版社，1983.

[4]初亮，彭彦宏，鲁和安，等.双横臂独立悬架转向梯形断开点位置的优化及分析[J].汽车工程，1998（3）：176-182.

[5]胡宁，郑冬黎.双横臂独立悬架运动学分析[J].汽车工程，1998（6）：29-33.

[6]上官文斌，黄虎.多刚体系统动力学在双横臂悬架运动学分析中的应用[J].汽车技术，1990（9）：15-21.

[7]张景骞，毛明.轮式车辆双横臂独立悬架的运动优化设计[J].汽车工程，1997（3）：180-185.

[8]马昌友.汽车双横臂独立悬架运动分析和最佳设计探讨[J].客车技术与研究，1999，23（1）.

[9]盛鹏程,简晓春.基于ADAMS的转向轻便性与转向回正性的合理匹配[J].机械与电子，2008（4）：71-73.

[10]孔明树.解放牌CA10B型汽车前轮前束的改进[J].汽车技术，1986（3）.

[11]詹迪维.SOLIDWORKS2013机械设计教程[M].3版.北京：机械工业出版社，2013.

修改稿日期：2015-07-06

作者简介：张秋芳（1983-），女，硕士；机械工程师；主要从事客车用空气悬架的设计开发。Abstract: The authors describe the design and development of double wishbone independent front air suspension for 7 mcoaches. This can solve the technique problems that the chassis space is narrow, the arrangement ofindependent suspension and steering system are difficult. This independent front suspension uses a structure of air spring and shock absorber mounted on the support arm, which is presentlyrare tobe found in middle and small-sized coaches. Keywords: 7 mcoach; engine front-mounted; independent front air suspension; double wishbone

中图分类号：U463.33+1

文献标志码：B

文章编号：1006-3331（2016）01-0020-03