某中型客车侧倾问题分析

王昆，余英俊，袁绍华，袁绍显

（金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏苏州215026）

某中型客车侧倾问题分析

王昆，余英俊，袁绍华，袁绍显

（金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏苏州215026）

建立客车侧倾的数学模型，并利用所建立的模型对某中型旅行客车的侧倾角进行计算，最后就提高客车抗侧倾能力的措施进行分析。

中型客车；侧倾问题；数学模型

客车侧倾稳定性是整车一项重要的性能部分，是影响其操纵稳定性、乘坐舒适性和安全性的一项重要因素［1-2］。特别是山区行驶的旅行车和有人站立的城市客车对侧倾安全性提出更高的要求。山区行驶的旅行车如果侧倾稳定性差很容易造成侧翻事故，城市客车侧倾稳定性差，会使乘客感到极其不舒适。因此提高客车抗侧倾能力是客车设计过程中要重点考虑的问题。本文针对客户反映的我司某中型旅行客车在行驶过程中侧倾稳定性差，车辆在通过弯道转向过程中侧倾角度过大，如果车速过快存在侧翻可能的问题，对该车型的侧倾稳定性进行研究，提出了相应的解决方案。

1　存在的侧倾问题

1.1整车主要参数及悬架结构简介

该中型客车相关设计数据见表1。

表1　某中型客车相关设计参数

该中型客车前后都装配空气弹簧非独立悬架，其中前悬采用2个空气弹簧，后悬采用4个空气弹簧。由于空气弹簧只能承受垂直载荷，所以空气弹簧悬架必须装备导向机构，前悬架采用纵向钢板弹簧、横向推力杆作为导向机构，后悬架采用纵向推力杆和横向推力杆作为导向机构。前悬架结构如图1，后悬架结构如图2。

图1　前悬架基本结构

图2　后悬架基本结构

1.2侧倾模型的建立和侧倾角的计算

评价汽车抗侧倾能力的指标是“在一定侧向加速度或侧向力的作用下，车身或簧载质量相对地面的侧倾角”；也可以用侧倾阻抗或者侧倾稳定性系数来表示。本文采用前者评价指标对此问题展开讨论。

整车侧倾力臂的简化模型如图3所示，由此可得侧倾力臂［3］:

图3　侧倾力臂模型

簧上车身可以被视为刚体，并且前后悬架角刚度为并联的，悬架为气簧非独立悬架，所以侧倾角刚度Cφ为前后悬架的弹性元件、横向稳定杆、导向杆系等部件侧倾角刚度的总和。

式中:CφA为弹性元件空气弹簧角刚度；CφL为钢板弹簧和稳定杆角刚度；CφW为悬架车轮接地点的角刚度，对于车轮刚度较大者，例如客车，只需要计入悬架弹簧在车轮接地点的折算刚度CφW，不再计入轮胎的变形；CφLB为悬架导向臂与前轴的合成角刚度。

前悬架安装钢板弹簧与横向稳定杆各项参数:弹性元件空气弹簧角刚度CφA1=250 000 N·m/rad；钢板弹簧与横向稳定杆角刚度CφL1=220 000 N·m/rad；前悬架非独立悬架，车轮接地点的角刚度与横向稳定杆角刚度相等:CφW1=40 000N·m/rad；导向臂与前轴的合成角刚度CφLB1=30 000N·m/rad。

前悬架整体侧倾角刚度:

后悬架只安装横向稳定杆各项参数:弹性元件空气弹簧角刚度CφA2= 250 000 N·m/rad；横向稳定杆角刚度CφL2=180 000 N·m/rad；后悬架非独立悬架，车轮接地点的角刚度与横向稳定杆角刚度相等:CφW1=70 000 N·m/rad；导向臂与前轴的合成角刚度CφLB2=50 000 N·m/rad。

后悬架整体侧倾角刚度:

车轮接地点角刚度，对于非独立悬架，其大小等于稳定杆的角刚度。对于独立悬架，其大小与稳定杆角刚度满足如下关系:

式中:B为轮距，L为稳定杆两端点间的中心距，d fb/d fw为在设计位置稳定杆端点的位移与车轮接地点垂直位移的比值，既杠杆比。本文中研究的中型客车安装的是非独立悬架，所以车轮接地点的角刚度等于稳定杆的角刚度。

悬架导向臂与前轴的合成角刚度，由于二者的弹性作用是串联关系，其合成角度的计算公式为:

为了能方便地建立侧倾角模型，设定汽车侧倾时前后悬架的力矩中心不变，即整车的总侧倾力矩中心位置不变，侧倾时簧载质量质心绕这一点转动。侧倾力矩为簧载质量质心处的侧倾惯性力和重力对力矩中心之和。又由于侧倾角φ一般很小，根据侧倾力矩、侧倾角刚度和侧倾角之间的关系［4］可得:

式中:φ为侧倾角，R0为汽车质心处转弯半径，v2/R0为汽车侧向加速度。对于空气悬架客车:高等级高速客车，一般低速客车，山区使用或者是乘客站立的城市客车［5］。

取侧向加速ag=0.4 g，根据各个设计参数和建立的侧倾角计算模型，利用MATLAB软件建立计算模型［6-7］如图4所示。

图4　 MATLAB计算模型

通过计算可得侧倾角φ=6.505°＞6°，不能满足一般低速客车的要求。接下来将探讨通过那些措施可以提高整车侧倾能力。

2　提高抗侧倾能力的措施

从前面建立的侧倾数学模型可以看出，提高整车侧倾能力的主要可行措施是增加悬架刚度、减短侧倾力臂和增大侧倾角刚度［8-9］。

2.1增加悬架刚度

增加悬架刚度是降低整车侧倾角的直接有效措施，但是并不能一味地增加悬架刚度。因为悬架刚度过大会直接影响到整车的平顺性和舒适性。利用上文建立的模型，以前悬架为研究对象，通过计算可知当前悬架刚度由Cφ=550 000 N·m/rad增加到Cφ=576 000 N· m/rad时侧倾角φ=6°，这说明只有前悬架总侧倾角刚度大于476 000N·m/rad才可以满足整车侧倾角小于6°的要求。在该种情况下计算悬挂加速度加权均方根值aw= 0.291m/s2＜0.615m/s2，悬挂加权加度度均方根值在小于0.315m/s2的情况下人体主观感觉没有不舒适感［4］。所以改变悬架刚度后能够满足整车平顺性要求。

增大悬架侧倾角刚度是防止整车侧倾的有效因素。增大悬架侧倾角刚度的方法有如下几种:

1）为了增加侧倾角刚度，可以优先采用独立悬架。常用的独立悬架有双横臂、滑柱单臂、单纵臂、单横臂、单斜臂。但是使用独立悬架会提高整车的成本，所以独立悬架大多使用在高一级的旅行车上。

2）对于空气悬架可以使用C型梁或者井字梁将空气弹簧布置在车轮前后位置，同时拉大左右空气弹簧的距离。对于后悬架，应该尽量采用两个高度阀分别控制左右气囊的高度，增大悬架的侧倾角刚度。此外也可以采用具有较大刚度的柔性单纵臂或者钢板弹簧导向臂来增大空气悬架侧倾角刚度。

3）加装横向稳定杆，这是提高整车侧倾角刚度保证整车行驶稳定性最便捷和有效的方法。横向稳定杆一般优先考虑加在前悬架，以便增大不足转向特性。

4）对于空气悬架，也可以加装电控式空气悬架系统（ECAS），在侧向加速度达到一定数值后隔离左右气簧，使之产生对应的侧倾角刚度。

最后，需要注意的是不能为了保证整车的侧倾稳定性，把侧倾角刚度设计得很大。侧倾角刚度太大，当车辆行驶在不平路面时，平顺性会变坏［10］，同时也降低了整车的舒适性。更甚者会使前后桥产生对扭，使车架和车身的扭转应力变大，导致车辆的早期损坏，降低整车的使用寿命。

2.2减短侧倾力臂

1）从侧倾力矩的计算公式中可以看出，降低簧载质心高度hs可以有效地减短侧倾力矩，但是降低簧载质心高度往往受到诸多不利因素的制约，例如:行驶于山区的客车对通过性提出一定要求，发动机前进角和离去角都需要保持一定的大小，这样底盘离地高度就受到了限制，势必将抬高质心高度，给质心高度的降低带来一定困难；发动机、变速器等动力部件是整车主要重力部件，但是为了保证发动机的安全，发动机油底壳必须保证一定的离地间隙，这也限定了质心高度的有效降低；长途客车为了获得较大的运输效益，基本会要求大的行李舱，大的行李舱必然会抬高车身高度，这也将会制约质心高度的降低。所以降低整车质心高度需要在多重因素下综合考虑。

2）从侧倾力矩计算公式中同时可以看出，提高前、后悬架力矩中心离地高度h1和h2，是减短侧倾力臂的有效方法。利用所建立的侧倾模型和选定的某8m客车各项参数可以得到前、后悬架力矩中心离地高度对侧倾角影响的关系，如图5所示。

图5　前/后悬架力矩中心离地高度对侧倾角的影响

提高前、后悬架力矩离地高度，对于独立悬架，主要借助导向杆系的布置来实现，也就是使车轮接地点相对于车身的运动轨迹呈“倒八字”，左右车轮接地点的约束反力合力作用线呈现“正八字”。其交汇点就是力矩中心应尽量高一些，但是也不能太高，如果过高的话车轮斜度就会过大，势必要造成轮距变化过大，同时车轮内倾角和外倾角也将发生变化，最终使整车操纵稳定性变坏，轮胎磨损加剧。一般希望独立悬架的力矩中心位于地面之上，并不宜高过车轮半径。对于非独立悬架，主要借助于提高横向受力元件的位置来实现。例如横向推力杆布置得高一些，将钢板弹簧布置在桥的上方。但是同样不能布置得过高，如果过高的话，在不平路面上车轴产生较大的角位移时整车会承受较大的横向冲击力，从而降低了整车的稳定性。

减短侧倾力臂是提高整车抗侧倾能力的有效措施，但是这需要从整车设计初期考虑，从整车设计的总布置阶段就应该考虑到该问题。对于整体设计已经完成的车辆，改变悬架刚度是最方便和节约开发成本的方式。所以论文中所选车型建议采用更换大截面横向稳定杆增加悬架刚度的办法来提高抗侧倾能力。更改结果已经在2.1中计算。

3　结束语

本文建立了客车侧倾角模型，并利用建立的模型对某8m客车进行侧倾角的验证计算，同时提出改进意见。最后基于建立的模型探讨了影响侧倾角的因素。本文的内容将会对客车设计工作者提供一定的帮助和参考。关于提高整车侧倾角刚度的办法除本文论述的以外还有增加空气弹簧垂直刚度［11］等，也有待于进一步探讨。

［1］王睿，李显生，任园园，等.基于横向载荷转移量的客车侧倾稳定性分析［J］.湖南大学学报:自然科学版，2013，40（5）: 49-54.

［2］袁伟光，李洋，岳千翔，等.基于ADAMS的客车静态侧倾稳定性仿真研究［J］.硅谷，2014（20）:84-85.

［3］褚观耀，熊祖品.关于车辆侧倾稳定性计算法的分析［J］.专用汽车，2013（9）:85-87.

［4］余志生.汽车理论［M］.5版.北京:机械工业出版社，2010.

［5］陈耀明.汽车悬架论文集［M］.苏州:苏州大学出版社，2012.

［6］刘卫国.MATLAB基础与应用教程［M］.北京:人民邮电出版社，2009.

［7］周俊杰.MatlabSimulink实例详解［M］.北京:中国水利水电出版社，2014.

［8］盛遥，陈永光，白云，等.重型汽车侧倾稳定性影响因素分析研究［J］.机械工程师，2014（3）:84-87.

［9］肖杰，雷雨成，张平，等.汽车静态最大侧倾稳定角及其影响因素敏感度分析［J］.机械设计与制造工程，2006，35（11）:64 -67.

［10］刘汉辉.基于主动悬架的汽车侧向稳定性研究［D］.成都:西华大学，2013.

［11］赵萍，仰蕾伊，张海南.大客车空气悬架气囊刚度对侧倾稳定性的仿真研究［J］.客车技术与研究，2011，33（4）:17-19.

修改稿日期:2016-03-05

Analysison SideOverturning Problem for a Medium-sized Coach

Wang Kun，Yu Yingjun，Yuan Shaohua，Yuan Shaoxian
（HigerBusCompany Limited，Suzhou 215026，China）

The authorsdevelop amathematicalmodelof coaches'side overturning，and calculate the side overturning angle of amedium-sized coach based on the establishedmodel.Finally，theymake a analysison the improving measuresof the coach anti-sideoverturningability.

medium-sized coach；sideoverturning problem；mathematicalmodel

U462.3+3

A

1006-3331（2016）05-0023-04

王昆（1979-），男，工程师；主要从事客车底盘制造问题分析工作。