客车空气悬架振动特性仿真研究

程相勋

摘 要：本文在建立客车空气悬架振动模型的基础上，进一步对客车空气悬架振动特性进行了仿真模拟，对其位移、加速度等重要参数进行了一定分析，并在此基础上对客车空气悬架模型控制系统进行了改进，旨在为进一步提升我国客车空气悬架创新水平带来一定的思考和启迪。

关键词：客车;空气悬架;仿真研究

1 引言

随着我国科技的进一步发展和人民生活水平的不断提升，我国交通网络系统进一步完善，客车、小汽车、轿车等交通工具数量进一步增多，在为人们日常生活和工作学习提供方便的同时，也对我国客车质量及其它重要性能提出了更高要求。悬架振动控制装置是客车行车系统的重要组成部分，其性能的良好与否在极大程度上与客车车身和车轮之间的弹性连接、减少行车荷载、缓和冲击力及保持车身稳定等诸多功能直接相关。因此，加强对悬架振动控制技术的探讨和研究有利于不断提升客车实际运行能力，在此背景下，对客车空气悬架振动特性的仿真研究与模拟便有着不容忽视的重要理论意义和现实价值。

2 空气悬架模型的建立

通常情况下，为更方便地研究客车车辆的悬架动力学特性，大多将客车车辆系统进行简化，利用2自由度1/4车辆模型对客车悬架动力学相关性能和重要参数进行探讨研究。因此，本文在对客车空气悬架振动特性进行仿真研究和模拟试验时，也进一步采用了2自由度1/4车辆力学模型，以此尽可能真实科学地反映客车车辆在实际运行过程中的垂向动力学特性。同时，为更准确、更科学地描述空气弹簧的实际刚度特性，本论文进一步采用了空气弹簧刚性特性曲线对客车实际运行过程中的空气重要参数进行模拟。在选择空气弹簧为主要试验对象的同时，利用加载部件、空气压缩机及其他测试系统，以255mm为空气弹簧静态平衡的实际工作高度，利用固定工作高度下分别充气到0.3帕、0.4帕和0.5帕的方式，尽可能周全地记录空气弹簧实际工作高度与荷载的对应关系，获取不同静荷载下的空气弹簧特性曲线图，进而为计算客车空气悬架振动特性相关参数奠定一定基础。在此背景上，本文进一步利用了ADAMS软件中的交互式图形环境和诸多数据库，创建了全参数模型下的客车机械系统几何结构模型，在建立系统动力学方程的基础上对客车机械系统模型进行了一定的力学分析，进而输出相应的位移、速度、加速度甚至反作用曲线示意图。

3 客车空气悬架振动特性仿真分析

3.1 仿真实验方案

以某低入口型客车作为本论文实验仿真对象，借助空气弹簧作为重要弹性元件，客车1/4车辆的满载质量为2700千克，弹簧下的质量为320千克，轮胎整体刚度为1200千牛每米，仿真试验所用的减振器阻尼系数为13.7。在整个仿真试验过程中，以0-8赫兹的不同频率和5-10毫米的不同振幅信号作为激励参数，以此方式测定整个客车车身的实际位移响应和加速度响应，进而对整个车辆的实际行驶平顺性进行科學评价。同时，就客车系统而言，车内乘客的多少会进一步引起实际弹簧载重质量的变化，而在传统模式下的金属弹簧悬架中，簧载质量的变化会进一步导致客车车身离地高度发生变化，进而使悬架固有频率发生相应变化。但针对客车空气悬架系统而言，该系统可进一步借助高度阀自动调节空气弹簧内的气压，以此方式保证客车车身的高度不变，保证悬架固有频率不变。在空气弹簧高度保持不变的前提下，利用每一簧载质量、对应的空气弹簧初始静态气压计算和绘制出如前文所述的空气弹簧刚性曲线图，对图形进行对比分析，以探究不同簧载质量下客车空气悬架的实际振动特性。

3.2 位移和加速度响应的时间历程

在对客车空气悬架进行振动仿真实验的基础上，通过控制弹簧静态气压、簧载质量、激振频率和振幅等重要参数，本文得出了图1和图2所示的客车激励位移与实际响应位移时间历程、激励加速度与实际响应加速度的时间历程示意图。由图可知，客车空气悬架系统中的激励信号和实际响应信号的变化趋势相同，两者处于相同的频率变化范围，但整个空气悬架系统的相位差值与振幅差异有所不同，且系统整体响应信号略微滞后于激励响应信号。

3.3 位移幅频特性

根据上述仿真试验重要参数、实验数据记录和实验结果分别绘制客车空气悬架系统在不同振幅数值和不同数值的弹簧初始气压下的悬架位移幅频特性曲线示意图。由图可知，在客车空气悬架系统的整个仿真实验过程中，共振点将会出现系统整体位移传递率的最大值。若仿真试验系统的初始气压和簧载质量均较大，客车空气悬架在共振点出现的位移传递率最大值将会进一步增加;而当激振频率超过客车空气悬架系统共振区的数值范围后，位移传递率的最大值与簧载质量呈反比例关系，簧载质量越大，位移传递率反而越小。此外，客车空气悬架系统初始气压与共振频率呈反比例关系，较大的客车空气悬架共振频率反而略低于较小气压的共振频率，但两者间的相位相差并不大，大多集中在1.1-1.2赫兹左右。也就是说，对客车空气悬架系统而言，簧载质量的变化对整个悬架系统的固有频率影响不大，也在一定程度上反面印证了客车空气悬架系统相关性能优于钢板弹簧悬架系统的重要特性。

3.4 加速度均方根值

根据仿真试验和重要参数结论，分别绘制客车空气悬架系统在不同振幅激励和不同的初始弹簧气压下的客车车身加速度均方根值变化曲线示意图。由图可知，客车车身在实际运行过程中的加速度随频率值的上升缓慢增大，当频率值相对较低时，不同气压值下的客车车身加速度基本无变化。也就是说，在小于1.5赫兹的较低的频率范围内，簧载质量的变化对客车车身加速度的影响可以忽略不计。而当频率值逐步增大时，初始气压越大，客车车身加速度值越大，且加速度增加的绝对值随着频率值的增高愈加明显。

4 改进悬架控制系统

在改进客车空气悬架控制系统相关性能的过程中，有关工作人员可进一步利用单片机技术有效控制减振器的实际阻尼效果，进而改善整个空气悬架系统的非线性振动特性，以最大程度上控制悬架系统的实际振动效果。在对空气悬架的减振器阻尼进行一定调节时，客车车身的实际振动会因此受到直接调控，也就会影响到客车车身的实际振动加速度振幅响应。因此，设计人员可将减少客车车身的垂直振动加速度作为实际控制目标，而在以客车空气悬架2自由度振动模型为重要研究对象的基础上，工作人员还可进一步通过改变减振器节流口的大小或减振油液粘度的方式改善减振器实际处理效果。

5 结论

总之，现阶段随着国内高速公路网络系统的不断完善和民众对客车性能要求的不断提升，传统模式下的钢板弹簧悬架已然不能满足人们多样化的需求，因此，空气悬架控制系统凭借其良好性能获得了相关设计人员的关注，为进一步改善客车空气悬架系统模式下的乘坐舒适度做出了重要贡献，更极大地满足了民众出行需求。

参考文献：

[1]丁继斌，何仁.农用运输车油气悬架振动特性仿真研究[J].机械设计与制造工程，2015，44（3）：27-32.

[2]王艳霞.汽车悬架振动主动控制技术[J].现代商贸工业，2013（21）：196.