基于ADAMS/Car的两种商用车空气悬架建模及性能分析

赵 轩，李智超，王 媛

基于ADAMS/Car的两种商用车空气悬架建模及性能分析

赵 轩，李智超，王 媛

（陕西重型汽车有限公司 汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

文章介绍了两种空气悬架的结构差异和空气悬架系统多体建模方法，在ADAMS/Car中完成两种空气悬架多体模型的建立，对比分析了平行轮跳和反向轮跳两种试验工况，结果表明，两种空气悬架的运动杆系对整车行驶平顺性影响较小，多功能稳定杆相比稳定杆结构空气悬架有利于改善车辆行驶稳定性，该研究结果为商用车空气悬架方案设计提供理论依据。

商用车空气悬架；稳定杆；多功能稳定杆；ADAMS/Car

随着我国长途物流运输行业的蓬勃发展以及新国标GB1589和GB7258的实施，空气悬架在快递运输和危险货物运输车中得到了大量应用[1]，各主机厂基于各自的技术路线研发了不同结构的悬架，汽车悬架的特性是悬架系统的重要指标。因此，本文针对某6×4牵引车后悬架，重点从悬架性能方面研究两种具有代表性的空气悬架方案差异，以便指导工程设计。

1 两种商用车空气悬架方案简介

空气悬架是利用空气弹簧传递垂直载荷的一种悬架形式，一般是由空气弹簧、推力杆、稳定杆、减振器等零件组成。图1为两种空气悬架结构，其中图1(a)为传统的双桥八气囊稳定杆结构空气悬架，图1(b)为一种双桥八气囊多功能稳定杆空气悬架。图1(b)与图1(a)空气悬架的导向杆系不同，图1(b)所使用的多功能稳定杆空气悬架是在图1(a)这种传统稳定杆空气悬架基础上，将四件下推力杆和两件稳定杆优化为两件集成稳定杆，如图2所示。多功能稳定杆空气悬架的零件数量减少、成本和重量降低等优势，更加贴合商用车轻量化的发展趋势。

图1 两种空气悬架结构

图2 多功能稳定杆结构变化

2 相关参数

两种空气悬架相关参数如表1所示，本文基于表1参数研究了稳定杆结构和多功能稳定杆结构两种空气悬架对车辆性能的影响。

表1 两种空气悬架相关参数

项目稳定杆结构多功能稳定杆结构 工作气压/bar6.86.8 满载簧载质量/kg13 00013 000 空气弹簧直径/mm290290 空气弹簧刚度/(N/mm)126126 压缩行程/mm100100 拉伸行程/mm140140 稳定杆直径/mm58 V型推力杆直径/mm5252 下推力杆直径/mm50 多功能稳定杆直径/mm 70

3 空气悬架刚度特性

对于商用汽车，空气悬架具有较好的行驶平顺性特性，深受快递运输、危险品及精密仪器运输用户的青睐，但该类空气悬架采用的空气弹簧垂直刚度小、弹簧布置中心距小，使得悬架侧倾刚度较小，车辆转向时产生较大侧倾角，进而会对汽车操稳性能产生不利影响。为兼顾汽车行驶平顺性和操稳性能，使用空气悬架的车辆需增加横向稳定杆以增加整车侧倾角刚度[2]。本文在空气弹簧和相关布置尺寸不变情况下，按照式（1）分别对稳定杆结构和多功能稳定杆结构空气悬架的侧倾刚度进行理论计算，结果显示多功能稳定杆结构比稳定杆结构空气悬架侧倾刚度大34%。

式中，1为空气弹簧刚度；2为稳定杆刚度；为簧距；为悬架总侧倾刚度。

4 空气悬架ADAMS多体动力学建模

4.1 稳定杆和多功能稳定杆柔性体建立

利用ADAMS建立稳定杆模型[3]，进一步分析两种稳定杆结构对空气悬架系统的影响。对于稳定杆和多功能稳定杆这类变形较大的弹性元件，为更准确地分析其特性，应将这类零件进行柔性体处理，因此将稳定杆和多功能稳定杆的三维模型导入HyperMesh中进行有限元前处理、网格划分，材料特性定义，并进行模态分析后输出稳定杆和多功能稳定杆的MNF文件，如图3所示。

图3 两种稳定杆柔性体模型

4.2 空气弹簧属性文件

通过导入特性文件来建立ADAMS/Car空气弹簧模型[4]，编辑气囊直径、初始安装高度和刚度曲线等参数；刚度曲线图由多条曲线组成，代表不同气压下初始空气弹簧载荷-位移数据。通过仿真软件将这些数据进行差值计算，得到空气弹簧的刚度，如图4所示。

图4 ADAMS/Car空气弹簧特性曲线

4.3 空气悬架总成仿真模型

在ADAMS Car/Template 模块中分别建立悬架模板、稳定杆模板和多功能稳定杆模板，再用已生成的模板在ADAMS Car/Standard标准界面建立各子系统[5]，将稳定杆子系统、多功能稳定杆子系统、悬架子系统和试验台分别进行装配后即完成仿真模型的建立，如图5所示。

图5 两种空气悬架仿真模型

4.4 平行轮跳工况分析

4.4.1悬架垂直刚度

为了改善车辆的平顺性，在设计过程中常对垂直刚度设定较小，一般通过增加稳定杆方式提高车辆的侧倾刚度。在平行轮跳试验中，两种空气悬架垂直载荷相同，多功能稳定杆空气悬架比稳定杆结构的垂直刚度仅大1.1%左右，说明在空气弹簧参数相同时，空气悬架导向杆系对车辆的垂直刚度和整车平顺性影响较小。垂直载荷与车轮跳动行程关系如图6所示。

图6 垂直载荷与车轮跳动行程关系

4.4.2轴距变化

在车辆行驶过程中，轴距随着悬架的压缩和伸张发生变化。轴距变化较大时，会影响汽车行驶稳定性。在平行轮跳试验中，车轮向上跳动时，多功能稳定杆结构比稳定杆结构的轴距变化仅大0.2 mm左右，车轮向下跳动时则与之相反，差值较小说明两种悬架杆系对轴距变化影响不大。轴距变化与车轮跳动行程的关系如图7所示。

图7 轴距变化与车轮跳动行程关系

4.5 双轮反向轮跳工况

4.5.1侧倾中心高度

侧倾中心高度是影响转向时侧倾角大小的主要因素，侧倾中心越大，转向时侧倾角越趋近于簧上质量质心，有利于减小转向时的侧倾力矩和侧倾角，从而增加车辆舒适性和操稳性能。降低后悬架侧倾中心高度时，后悬架不足转向特性将愈发明显。如图8所示，为两种空气悬架侧倾中心高度与车轮跳动行程关系，分析结果显示在设计状态时多功能稳定杆结构相比稳定杆结构空气悬架侧倾中心低200 mm左右，说明多功能稳定杆结构空气悬架更有利于改善车辆操稳性。

图8 侧倾中心高度与车轮跳动行程关系

4.5.2侧倾角刚度

汽车转向时，在离心力的作用下，外侧车轮的悬架弹簧被压缩，而内侧车轮的悬架弹簧被伸张，从而使车辆产生横向倾斜，引发横向角振动并引起内外侧车轮的载荷产生变化。在悬架设计状态时，多功能稳定杆结构的侧倾角刚度为1.18E+07 Nmm/deg，稳定杆结构的侧倾角刚度为6.46E+06 Nmm/deg，如图9所示，多功能稳定杆结构提供的侧倾角刚度大于稳定杆结构，说明多功能稳定杆结构有利于改善车辆行驶稳定性。

图9 侧倾角刚度与侧倾角关系

5 结论

1）本文分析了商用车市场使用的两种空气悬架结构，多功能稳定杆结构相比传统稳定杆结构，具有结构集成度高、零件数量少、重量轻和成本低的优点，应用前景广阔。

2）本文基于ADAMS/Car介绍了空气悬架系统多体建模方法，完成两种空气悬架的建模与仿真，结果显示，运动杆系对于整车行驶平顺性无影响；多功能稳定杆结构空气悬架相比稳定杆结构空气悬架，具有侧倾中心低和侧倾刚度大的特点，在改善整车行驶稳定性方面贡献较大。同时，所得结论可为工程实践提供较好理论支撑，为空气悬架设计选型提供理论依据，有益于提高设计开发效率。

[1] 姜立标,王登峰.货车空气悬架的现状及发展趋势[J].齐齐哈尔大学学报(自然科学版),2005,21(1):66-69.

[2] 徐兴,施天玲,江昕炜,等.准零刚度空气悬架系统建模与动态特性研究[J].振动与冲击,2021,40(24):205- 211.

[3] 李琤.刚柔耦合稳定杆模型对悬架侧倾刚度影响分析[J].噪声与振动控制,2021,41(1):61-65.

[4] 陈双,钟孝伟,李刚,等.基于ADAMS/Car的空气悬架虚拟样机建模研究[J].农业装备与车辆工程,2016,54 (2):29-32.

[5] 纪秀业,侯献晓,袁晓红.基于ADAMS的某乘用车悬架系统匹配计算[J].机械设计,2021,38(7):90-95.

Modeling and Performance Analysis of Two Commercial Vehicle Air SuspensionSystems Based on ADAMS/Car

ZHAO Xuan, LI Zhichao, WANG Yuan

( Automotive Engineering Research Institute,Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

This paper introduces the structural differences of the two air suspensions and the multi-body modeling method of the air suspension system,the establishment of the multi-body models of the two air suspensions in ADAMS/Car, and compares and analyzes the two test conditions of parallel wheel jump and reverse wheel jump. The results show that the motion linkage of the two air suspensions has little impact on the ride comfort of the whole vehicle, compared with air suspension with stabilizer bar structure, multifunctional stabilizer bar is beneficial to improve vehicle driving stability.

Commercial vehicle air suspension; Stabilizer bar; Multi-function stabilizer bar;ADAMS/Car

U463.1

A

1671-7988(2023)11-101-05

赵轩（1990－），男，硕士，工程师，研究方向为汽车底盘设计，E-mail:zhaoxuan@sxqc.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.018