（车辆工程专业论文）虚拟环境下客车空气悬架的动力学仿真研究.pdf

武汉理i ：大学硕十学位论文 摘要 随着空气悬架在汽车上的推广使用，汽车的操纵稳定性和行驶平顺性得到 了很大的提高。为了提高汽车自主开发能力、缩短汽车开发周期、降低开发成 本，本文以某客车为平台，对其空气悬架进行仿真研究。通过对整车动力学模 型操纵稳定性和行驶平顺性的仿真分析和计分评价来验证空气悬架的使用有利 于提高客车的行驶性能。 本文首先提出了课题的研究内容和意义，详细介绍了空气悬架的结构类型 及其弹性元件的特性。然后对客车空气悬架系统做了匹配研究，并详尽地分析 了空气悬架系统对汽车操纵稳定性和行驶平顺性的影响。 其次，利用a d a m s c a r 模块建立前扭杆弹簧独立悬架、后空气悬架、转向 系统、车身、轮胎系统和路面系统的整车仿真多体动力学模型，并对各部件之 间的运动和联接做了深刻的分析。 最后，在整车多体动力学模型的基础上根据汽车操纵稳定性试验方法、汽 车平顺性脉冲输入行驶试验方法和汽车平顺性随机输入行驶试验方法的要求， 设置实验参数和环境，对所建整车模型进行了稳态回转试验、转向盘角阶跃试 验、转向盘角脉冲试验、蛇形试验、平顺性脉冲输入试验和平顺性随机输入试 验的仿真分析；并根据汽车操纵稳定性指标限制和评价方法对试验结果进行了 计分评价，验证了空气悬架的使用有利于提高客车的操纵稳定性和行驶平顺性。 关键词：客车，空气悬架，虚拟样机，操纵稳定性，行驶平顺性 武汉理一j ：人学硕十学位论文 a bs t r a c t w i t ht h eu s eo ft h ea i rs p r i n gi nt h ev e h i c l e ，c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f v e h i c l ea n da u t o m o b i l er i d ec o m f o r th a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e d i no r d e rt oi m p r o v e t h ea u t o m o b i l es e l f - d e v e l o p m e n tc a p a c i t y , s h o r t e nt h ev e h i c l ed e v e l o p m e n tc y c l e ， r e d u c ed e v e l o p m e n tc o s t s ，a i rs p r i n gs y s t e mo fb u sh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r a d v a n t a g ew i t hu s eo fa i rs p r i n gh a sb e e nv a l i d a t e dt h o u g hs i m u l a t i o na n da n a l y s i s a n de v a l u a t i o np o i n t so ft h ew h o l ev e h i c l e f i r s t l y , t h i sp a p e re x p l a i n st h ec o n t e n ta n ds i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t ，a n d i n t r o d u c e sa i rs p r i n gs u s p e n s i o ns y s t e ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fi t sa i rs p r i n g t h e nt h e m a t c h i n gs t u d yo fv e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e mh a sb e e nm a d e ，a n di n f l u e n c eu p o n c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fv e h i c l ea n da u t o m o b i l e r i d ec o m f o r th a sb e e n e x p l a i n e dp a r t i c u l a r l y s e c o n d l y , m u l t i - b o d yd y n a m i c sm o d e lo ft h ew h o l ev e h i c l e ，i n c l u d i n gf r o n t t o r s i o nb a rs p r i n gi n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n ，r e a ra i rs u s p e n s i o n ，s t e e r i n gs y s t e m ，b o d y , t i r e sa n dt h er o a ds y s t e m ，h a v eb e e ns e tu pi nv i r t u a lp r o t o t y p i n ge n v i r o n m e n t ，a n d m a d ead e e pa n a l y s i sa b o u tt h em o v e m e n ta n dc o n n e c t i o nb e t w e e nt h ec o m p o n e n t s f i n a l l y , o nt h i sb a s i so f t h ew h o l ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e lo ft h ew h o l ev e h i c l e ， t h i sp a p e rs e tu pe x p e r i m e n t a lp a r a m e t e ra n de n v i r o n m e n tb yc o n t r o l l a b i l i t ya n d s t a b i l i t yt e s tp r o c e d u r eo fa u t o m o b i l ea n da u t o m o b i l er i d et e s tp r o c e d u r e ，a n dm a d e s i m u l a t i o nt e s t ，i n c l u d i n gs t e a d ys t a t i cc i r c u l a rt e s t ，s t e e r i n gw h e e la n g l es t e pt e s t ， s t e e r i n gw h e e la n g l ep u l s et e s t ，p y l o nc o u r s et e s t , p u l s ei n p u tr u n n i n gt e s ta n dr a n d o m i n p u tr u n n i n gt e s t ；g i v ee v a l u a t i o np o i n t so nt h et e s tr e s u l t so fs i m u l a t i o nb yg b ；a n d v a l i d a t ei m p r o v e m e n to fc o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fv e h i c l ea n da u t o m o b i l er i d e c o m f o r tw i t hu s eo fa i rs p r i n gs u s p e n s i o n k e yw o r d ：b u s ，a i rs p r i n g ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , r i d ec o m f o r t n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) e l 期：竺! ：金y 武汉理上人学硕十学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 随着科技的发展和社会的进步，汽车已经成为人们日常生活和工农业生产 中不可或缺的交通工具。在汽车的动力性、经济性得到了极大提高的同时，人 们对汽车的认识也逐步加深，对汽车性能的要求也越来越高，尤其是汽车的操 纵稳定性和行驶平顺性。悬架是汽车的重要组成部分，它的运动学特性对汽车 的整车的操纵稳定性、行驶平顺性及乘坐舒适性等有很大的影响。利用空气弹 簧自身具有高强度、高寿命、高吸振、变刚度等的特点可以克服金属弹簧的不 足，可增加整车的操纵稳定性、行驶平顺性乘坐舒适性。因此，采用空气悬架 并对悬架系统进行仿真研究显得尤为重要。 与此同时，随着经济的发展和市场全球化的形成，使得汽车产业的竞争愈 演愈烈，汽车企业在研发方面投入大量的人力和物力，以提高汽车的性能，满 足广大消费者的需要。汽车不论在设计制造上考虑的如何周密，都必须经过物 理样车试验来检验，通过具体的性能和性能指标加以评价。在物理样车上做试 验成本太高、危险较大、还可能发生严重的破坏。在目前的仿真和建模环境中， 虽然主观上一直强调人的主官能动作用，但由于目前在客观上计算机只能处理 数字化的信息，人和机器的关系是不甚和谐的，仍然存在闭环中驾驶员模型难 以建立，多次物理样机制造费用昂贵、费时等不足，成为车辆开发过程中的难 题。目前，在汽车产品设计开发中广泛采用c a d c a e c a m 、有限元、动力学 仿真分析等技术，明显地降低了零部件和汽车的开发成本、产品的设计缺陷和 开发的风险，但是许多企业仍然认为在新产品上市时间、缩短汽车与用户间距 离等方面还没有取得实质性的突破。为了缩短汽车开发周期、降低开发成本， 汽车的虚拟产品开发已成为汽车企业的首选。 数字化虚拟样机技术( v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t ) 是2 0 世纪8 0 年代随着计 算机技术的发展而迅速发展起来的一项新技术【。虚拟样机技术又称为动态仿 真技术，是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉合在 一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种 工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能 的一种新技术( 2 】。简单地说，虚拟样机技术就是用来代替真实的物理样机技术【3 1 。 武汉理l = 人学硕十学位论文 在常规产品开发过程中，物理样机模型是用来验证设计思想，选择设计产品， 测试产品的可制造性和展示产品。虚拟样机要替代物理样机，至少要具备上述 功能。这样看来，虚拟样机可以用来测试产品的外形和行为，也可以用来进行 一系列的研究。另外，物理样机可使人对一个产品有一种感官的评价，如颜色、 外形、美学特性，因此人和产品的交互应该包含在虚拟样机罩。通过以上分析， 虚拟样机技术就是用来代替物理产品的计算机数字模型，它能像真实物理模型 一样，对所关心产品的全寿命周期，如设计、制造、服务、循环利用等，进行 展示、分析和测试。这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术【3 】【4 】【5 1 。 随着虚拟产品开发、虚拟制造技术的逐渐成熟，计算机仿真技术得到大量 应用，许多国际知名汽车企业已经建立了数字化虚拟样机设计、开发环境，许 多产品已完全实现了数字化，系统动力学仿真是数字化虚拟样机技术的核心技 术。对汽车而言，车辆动力学性能尤为重要，为了降低产品开发风险，在样车 制造出之前，利用数字化样机对车辆的动力学性能进行计算机仿真，并优化其 参数就显得十分必要了。虚拟样机技术的掌握和运用对于提高我国汽车工业技 术水平、降低汽车开发成本和提升企业竞争力具有重要意义【2 】【6 1 。 1 2 和本课题有关的国内外研究现状 多体系统动力学，包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究多 体系统运动规律的学科。多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组 成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、 非完整约束。研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、 运动学表达式等公式以及其他一些量的公式。多柔体系统动力学的研究对象是 由大量刚体和柔体组成的系统【7 】【8 】【9 1 。 多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学问题，各个构件之 间可以有较大的相对运动。多柔体系统动力学是多刚体系统动力学的自然延伸， 一般是以多刚体系统动力学为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，将柔性 体的分析结果与多刚体系统的研究方法相结合，最终得到系统的动力学方程。 在应用多体系统动力学理论解决实际问题时，一般要经过以下的步骤： ( 1 ) 实际系统的多体模型简化； ( 2 ) 自动生成动力学方程： ( 3 ) 准确的求解动力学方程。 2 武汉理j i ：人学硕+ 学位论文 随着对机械系统的高性能、高精度的设计要求不断的提升，加之高精度、 高性能计算机的发展和计算方法的成熟，使得多体系统动力学得到快速发展， 己经形成了比较系统的研究方法，主要包括多刚体系统动力学研究方法和多柔 体系统动力学研究方法。 多体系统动力学是在经典力学的基础上发展起来的，在发展过程中，结合 了运动生物力学、航天器控制、机器人学、车辆设计和机械动力学等学科，成 为一门具有广泛用途的新兴力学分支。与传统的集中质量模型相比，近代发展 起来的多刚体系统动力学可大大地提高复杂车辆模型的精度。随着计算机技术 的飞速发展，车辆的多刚体模型逐步向多柔体模型发展。多体系统动力学的基 本方法是，对一个由不同质量和几何尺寸组成的系统施加一些不同类型的连接 元件，建立起一个合适的模型，自动产生相应的时域非线形方程，并在给定的 输入下进行求解【1 0 j 1 1 1 】。 随着多体系统动力学的发展和日益成熟的车辆模型开发，使汽车多体系统 动力学成为汽车c a e 技术的重要组成部分。目前应用在汽车动力学研究中的 c a e 软件，在汽车动力学研究中应用的较多的多体动力学软件有美国m d i 公司 的a d a m s 、比利时l m s 公司的d a d s ，以及德国航天局的s i m p a c k 等。另 外韩国f u n c t i o nb a y 公司开发出的新一代多体系统动力学仿真软件r e c u r d y n ， 采用相对坐标系运动方程理论和完全递归算法，非常适合于求解大规模及复杂 接触的多体系统动力学问题，为工业界解决刚性、高速、接触问题提供了又一 项解决方案。美国e t a 公司在l s d y n a 软件平台上开发的虚拟实验场v p g 技 术应用于当前汽车产品开发中的前沿。 国外汽车动力学的研究经历了由试验研究到理论研究，由开环研究到闭环 研究的发展过程。力学模型逐渐由线性模型发展到非线性多体系统模型，模型 的自由度由二个自由度发展到数个自由度，2 0 0 2 年中国农业大学的王国权概述 了这一发展过程。模拟计算也由稳态响应特性的模拟发展到瞬态响应特性和转 弯制动特性的研究。j e b e m a r d 介绍了多体动力学程序在汽车中的模拟应用情况， 但几乎都是采用多刚体系统模型，w k o r t u m 考虑了弹性车架的汽车模型，但也 仅仅建立了只含两个物体的汽车模型【1 2 】【1 3 】【1 4 】。 2 0 世纪8 0 年代，有许多通用的软件可以对汽车系统进行分析计算，而且还 有各种针对汽车某一类问题的专用多体软件。研究的范围从局部结构到整车系 统，涉及汽车系统动力学的各个方面。8 0 年代中期是多体系统动力学在汽车工 程上应用发展最快的时期。国外各主要汽车厂家和研究机构在其c a d 系统中安 武汉理r 大学硕士学位论文 装了多体系统动力学分析软件，并与有限元、模态分析、优化设计等软件一起 构成一个有机的整体，在汽车设计开发中发挥了重要作用。商品化的多体软件 的销量呈上升趋势。目前市场上占有率最高的是原m d i 公司的a d a m s ，该软 件在为客户提供通用平台同时，还专门提供了用于车辆分析的专门模块 ( a d a m s c a r ) ，使用起来非常方便。 在国内新型计算方法与软件的开发也取得了很大的进步。同济大学在 a d a m s v i e w 的基础上成功开发了用户化车辆仿真分析模块( c a a m ) ，上海交 通大学根据柔性多体系统动力学单向递推组集建模理论和计算方法开发了柔性 多体系统动力学软件以d a m b ，中国农业大学开发了机械系统虚拟样机仿真分 析软件的原型m s v p 。 国内从七十年代初，长春汽车研究所和清华大学同时发展了汽车动力学的 研究，工作主要集中在汽车操纵稳定性和行驶平顺性指标的评价方法、实验方 法及操纵稳定性的模型建立、模型的计算、性能预测和优化设计方法等。力学 模型从七十年代研究汽车侧偏和横摆运动的二自由度线性模型，发展到包括侧 倾和转向在内的三至五自由度乃至十三自由度的非线性模型，其功能也从对汽 车操纵稳定性的稳态和瞬态响应的分析，发展到汽车转向制动性能的分析【1 5 1 。 从八十年代中后期开始，我国的部分高等院校相继将多刚体系统动力学方 法，引入到汽车运动学和动力学研究中，其中在应用多体动力学开展汽车动力 学研究较多的著名高校有吉林工业大学、清华大学、上海交通大学、北京理工 大学、同济大学等。至今为止，研究领域也从开始的刚体系统的运动学研究扩 展到包含柔体的多体系统动力学研究，许多学者的研究成果为我国的汽车制造 企业在开发具有自主知识产权的汽车中起到了指导性作用，并在每两年举行一 次的国际车辆动力学会议上发表了许多有价值的论文。 1 9 8 6 年，吉林工业大学的温吾凡等人利用多刚体系统动力学方法，对二维 刚体系统进行运动学分析，并编制了一个人机对话型的分析程序【1 6 1 。1 9 8 9 年， 吉林工业大学的林逸利用r w 方法，建立了对汽车悬架中的单横臂及摆柱式悬 架进行空间运动分析的通用计算程序【1 7 】。1 9 9 2 年，清华大学的张海岑采用多刚 体动力学的n e w t o n - - e u l e r 方法，建立了汽车列车的七十四个自由度的非线性数 学模型，其中包括多种轮胎模型、悬架系统模型、转向系统模型，深入研究了 汽车列车的操纵稳定性【l0 1 。1 9 9 7 年，清华大学的张越今采用多刚体系统动力学 方法，应用a d a m s 软件，进行了汽车前后悬架系统和整车动力学性能仿真及 优化研究，分析了汽车中柔性元素对动力学性能的影响【l 引。2 0 0 2 年，中国农业 4 武汉理- l = 人学硕+ 学位论文 大学的王国权建立了8 自由度车辆平顺性分析的微分方程模型和5 9 6 个自由度 的卡车虚拟汽车模型。前者考虑了车身的侧倾，结合随机路面激励的时域模型， 在h 级路面输入条件下，进行了时域仿真求解，得到车辆在汽车坐标系中各个 方位上随时间历程的运动位移。后者考虑了影响平顺性的各种因素，然后通过 对路面功率谱的变换生成适合于a d a m s t i r e 的路面文件，实现了整车样机在 随机输入激励下，车辆模型的时域仿真求解【1 8 】。 1 3 本课题的研究内容及意义 本课题来源于导师和国外合作的房车预研项目，考虑到客车改装成房车的 便利性，本文以某客车底盘为研究载体，用机械系统动力学仿真分析软件 a d a m s c a r 对客车空气悬架系统进行动力学仿真研究。考虑模型的精确程度， 把前后悬架、转向系统和车身等系统的详细几何结构参数和把空气弹簧的非线 性特性加入到整车模型中，使模型接近汽车的实际情况。在此基础之上建立汽 车整车动力学模型，根据汽车实验的中国国家标准对其进行操纵稳定性、行驶 平顺性等仿真研究，并根据汽车操纵稳定性指标限制和评价方法对试验结果进 行了计分评价，验证了空气悬架的使用有利于提高客车的操纵稳定性和行驶平 顺性，对空气悬架在客车上的推广有着重要的意义。 5 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章客车空气悬架系统的特性分析及匹配 2 1 空气悬架的结构及特性分析 2 1 1 空气悬架组成及工作原理 空气悬架系统主要由导向机构、空气弹簧、减振器、高度控制阀、横向稳 定器、空气压缩机、油水分离器、调压阀、储气罐、储气筒、空气滤清器、车 身高度控制阀、控制连杆、连接管路、缓冲限位块和橡胶衬套等部分组成【1 9 】， 如图2 - 1 所示。 图2 1 空气悬架的组成 1 压气机2 油水分离器3 调压阀4 储气筒5 、1 0 空气滤清器6 高度控制阀7 控制连杆 8 空气弹簧9 一储气罐 在发动机带动下，空气压缩机产生的压缩空气经过油水分离器和调压阀进 入储气简。当汽车载荷增加时，车架和车桥之间的相对距离减小，通过控制连 杆机构的作用，打开充气阀，压缩空气流入到空气弹簧的气囊中，使气囊中的 压力增加，同时使车身升高，直到充气阀关闭为止，此时车身恢复到载荷增加 前的高度。当汽车载荷减少时，车架和车桥之间的相对距离增加，通过控制连 杆机构的作用，打开放气阀，气囊中的压缩空气排入空气，气囊中的压力减小， 同时使车身下降，恢复到载荷减小前的高度。因此，装有空气弹簧悬架的汽车， 从空载到满载的各种载荷状态下均能保持车身高度基本不变。 6 武汉理工人学硕士学位论文 2 1 2 空气悬架的分类 根据结构型式的不同空气悬架可分为3 种：独立悬架、非独立悬架和浮动桥 悬架三种【2 0 】。 ( 1 ) 独立悬架的结构特点是两侧的车轮各自独立地与车架或车身弹性连 接，减少了汽车的非簧载质量，悬架受到的冲击载荷也减小，可以提高汽车的 平均行驶速度。汽车的前悬架通常采用独立悬架，当车辆高速行驶时，减少了 车轮跳离地面的倾向，同时还可以消除前轮的偏摆现象，提高汽车的操纵稳定 性和行驶平顺性。但独立悬架结构复杂，制造成本高，维修保养不便。 ( 2 ) 非独立悬架的结构简单，工作可靠。采用非独立悬架的目的是为了简 化结构，便于车辆的改装，提高汽车底盘的通用性。 ( 3 ) 浮动桥悬架是在车架上再安装可升降的车轴，它由升降气囊、提升臂、 导向机构和相应的空气控制系统及空气弹簧等组成，见图2 2 。浮动桥空气悬架 在汽车空载和部分承载时，可以进行单轴和多轴提升，以便减少轮胎的磨损， 减少其它轴上轮胎的摩擦。当车辆通过较滑路面时，通过把浮动桥上的载荷短 时间降低，从而把更多的载荷分配给驱动轴来提高驱动轮附着力。在其它车轴 过载的情况下，提升车轴会自动回位。浮动桥悬架多数安装在汽车的后轴上， 安装在中轴的浮动桥提升时要避免与传动轴发生干涉，布置相对困难。 由于空气弹簧只能承受垂直载荷，所以在汽车空气悬架中必须设计导向机 构来传递纵向力和侧向力。按导向机构的形式可分为钢板弹簧式、单纵臂式、a 形架式、双横臂式和四连杆式五种【2 1 】【2 2 】： ( 1 ) 钢板弹簧式空气悬架主要用于复合式的空气弹簧悬架中，钢板弹簧不 仅起导向作用，也兼起弹性元件的作用，也就是导向的同时也承担一部分载荷。 一种为空气弹簧直接布置在板簧中部的上方，这种结构实质上是板簧与空气弹 簧并联，多数用在前悬架：另一结构型式为空气弹簧布置在钢板弹簧的一端， 多用于汽车的后悬架。对于混合式空气悬架来说，汽车的侧向力、纵向力及其 力矩均由钢板弹簧承受，这就要求钢板弹簧具有很高的强度和刚度，而钢板弹 簧刚度特性是线性，因此，比较难得到理想的弹性特性。但这种导向机构易于 在原来的钢板弹簧车辆上变型，故仍被采用。如图2 3 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 浮动桥式悬架示意图图2 - 3 钢板弹簧空气悬架 ( 2 ) 单纵臂式空气悬架可降低汽车纵向倾覆力矩中心位置，增加了车身抗 纵倾能力，见图2 - 4 。前悬架导向臂一般较长，可保持主销后倾角不变。通常导 向臂与车桥及车架弹性连接，使导向臂与车桥具有一定的变形能力，消除了刚 性连接应力集中的影响，也可减少噪声的传递。 ( 3 ) a 形架式空气悬架的两根纵向导向臂在车架的连接处合并，在传递纵 向力的同时还传递侧向力，见图2 - 5 。采用这种机构避免了在悬架系统内产生附 加的载荷，避免空气弹簧有过大的垂直位移。常把a 形架做得较大以增加摆臂 的长度，使得整个导向机构的尺寸和重量变大。由于此结构的空气弹簧中心距 近似于轮距，具有很好的抗侧倾能力，仍被部分车所采用。 爹 图2 - 4 单纵臂式空气悬架图2 - 5a 型架式空气悬架 ( 4 ) 双横臂式空气悬架的上下横臂长度的合理布置可以使轮距及前轮定位 参数变化均在限定范围内，保证有良好的行驶稳定性。但其结构复杂，车身受 力点集中。采用前置笈动机前驱动时，双横臂导向机构的布置比较困难。因而， 对于发动机后置的汽车，前悬架可采用双横臂式空气悬架，见图2 - 6 。 ( 5 ) 四连杆式空气悬架是由两根上纵臂和两根下纵臂组成四连杆机构，这 种导向机构的两根上纵向推力杆在水平面内倾斜布置的方式构成一个三角架， 武汉理工大学硕+ 学位论文 该三角形架可看成是一根纵向推力杆，三角形架除传递汽车纵向力外，还可以 传递汽车的侧向力，在设计时，应尽可能把二斜杆的交点布置在垂直于后桥的 横向平面内，见图2 7 。 e 警 图2 - 6 双横臂式空气悬架图2 - 7 四连杆式空气悬架 导向机构杆系选用主要是根据整车的总体布置情况来选择的。由于导向机 构和汽车的操纵稳定性有着密切的关系，合理设计和布置悬架系统的导向机构 可以改善整车的操纵稳定性。 空气悬架还可按控制方式分为机械控制式和电子控制式( e c a s ) 两种。机械 控制式空气悬架成本小，但路况不好时频繁进放气影响性能，只能设定一个平 衡高度。机械控制式空气悬架目前在国内应用比较广泛。国外有少数高级轿车 使用了电子控制式空气悬架，但随着科技的发展和计算机技术的提高，电子控 制式空气悬架在汽车上的应用将是未来的发展趋势。 2 1 3 空气弹簧结构及分类 空气弹簧是由气囊、底座、上盖板等部件组成，是利用橡胶气囊内部压缩 空气的反力作为弹性恢复力的一种弹性元件口”。 根据橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧可分为囊式空气弹簧、膜式空 弹簧和混合式空气弹簧三种。膜式空气弹簧有效面积变化率较小。容易得到较 低的自振频率；膜式空气簧的底座同时也是活塞，膜式气囊变形时，卷曲部分 在活塞表面滚动，通过改变活塞的形状和尺寸，可以改变空气弹簧的有效面积 变化率，以得到所需的弹性特性，并且许多膜式空气弹簧的底座还可以作为辅 助气室以增大空气弹簧总容积，可进一步降低刚度；同时膜式空气弹簧结构简 单，便于大量生产。通过根据橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧可分为囊 式空气弹簧、膜式空气弹簧和混合式空气弹簧三种，分别如图2 8 、2 - 9 、2 - 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 所示 图2 - 8 囊式空气弹簧图2 - 9 膜式空气弹簧图2 1 0 混合式空气弹簧 根据橡胶气囊曲数的不同，囊式空气弹簧又可分为一曲囊式空气弹簧、= 曲囊式空气弹簧等。囊式空气弹簧标准刚度低于膜式空气弹簧，囊式空气弹簧 配有辅助气室来获得较低的刚度：囊式空气弹簧有效面积变化率较大，自振频 率较高。混合式空气弹簧的气囊上部与囊式气囊的上部基本相同，它的下部则 与膜式空气弹簧类似，其运动时在活塞的表面滚动。 2 2 空气悬架的匹配分析 2 2 1 空气悬架类型的选择 本文以1 3 座客车作为研究对象，对悬架系统的选择不仅要考虑整车的操纵 稳定性和行驶平顺性，还要考虑其悬架系统的制造成本。 由于本文研究车型为1 3 座客车，整车装备质量不超过3 5 0 0 k g ，考虑到整车 的性能，可选用独立悬架系统，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受影响， 两边的车轮可以独立运动，车身的侧倾中心高度比较低，提高了汽车的平稳性 和舒适性。故可以选用双横臂式导向机构空气悬架系统，但其结构复杂，车身 受力点集中，对于无车架的承载式车身不利。采用前置发动机前驱动时，双横 臂布置相当困难，且成本高。故本客车的前悬架系统仍采用原双横臂扭杆弹簧 式独立悬架。 由于本客车的承载质量大于乘用车，考虑到其后悬架系统的承载能力和整 车的操纵稳定性和行驶平顺性，选用非独立空气悬架系统。单纵臂式空气悬架 系统的导向机构可降低汽车纵向倾覆力矩中心位置，增加了车身抗纵倾能力。 通常导向臂与车桥及车架弹性连接，使导向臂与车桥具有定的变形能力，消 武汉理_ 【大学硕士学位论文 除了刚性连接应力集中的影响，也可减少噪声的传递。故本客车的后悬架系统 选用单纵臂式空气悬架。 2 2 2 悬架静挠度的选取 悬架静挠度z 是指汽车满载静止时悬架上的载荷瓦与此时悬架刚度c 之比 【2 4 1 。汽车前后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶 平顺性的主要参数之一。因现代汽车的质量分配系数占近似等于1 ，于是汽车前 后轴上方车身两点的振动不存在联系。因此，汽车前后部分车身的固有频率n ，和 n ，( 亦称偏频) 可用下式表示： 啊= q 玛( 2 万) ；n z = 4 c 2 m 2 ( 2 n ) ( 2 1 ) 式中，c 1 、e 2 为前后悬架的刚度( n e m ) ； m 、m ，为前后悬架的簧上质量( k g ) 。 悬架的静挠度可用下式表示： 丘= m g c ( 2 2 ) 式中，g 为重力加速度，g = 9 8 1 c m s 2 。 将式( 2 2 ) 代入式( 1 1 ) 得到 r l = 5 ( 2 - 3 ) 分析式( 2 3 ) 可知：悬架的静挠度f 直接影响车身振动的偏频刀。因此， 欲保证汽车有良好的行驶平顺性，必须正确选取悬架的静挠度。在选取前后悬 架的静挠度值时，应当使之接近，并希望后悬架的静挠度比前悬架的静挠度小 些，这有利于防止车身产生较大的纵向角振动。理论分析证明：若汽车以较高 车速驶过单个路障，n ，n ： 图4 1 前进车速响应 图4 - 2 车身侧倾角响应 2 9 武汉理下大学硕十学位论文 图4 3 横摆角速度响应 图4 4 侧向加速度响应 仿真试验得到前进车速响应、车身侧倾角响应、横摆角速度响应、侧向加 速度响应见图4 1 4 4 所示。 4 2 2 稳态回转试验仿真实验数据处理 ( 1 ) 转弯半径比r r 与侧向加速度口订的关系： 根据记录地横摆角度与汽车的前进车速，用下列公式计算各点的转弯半径： 足= m q f = 1 ，2 ，3 ( 4 1 ) 口订= m q i = 1 ，2 ，3 。 式中：m 一第i 点前进速度，m s ： q 一第i 点横摆角速度，r a d s ： r 一第i 点转弯半径，i n ； 一第i 点侧向加速度，m s 2 。 3 0 ( 4 2 ) 武汉理r 大学硕士学位论文 进而能够算出各点的转弯半径比r r 与侧向加速度以y 关系。 旷砰r 罢 ( 4 - 3 ) 根据计算结果，绘出转弯半径比r g o 与侧向加速度的关系曲线( 图4 - 5 ) 。 图4 - 5 转弯半径比弓r 与侧向加速度的关系曲线 ( 2 ) 汽车前后侧偏角差值( 磊一4 ) 与侧向加速度以，的关系： 点一岛= 等c 去一寺 件4 ， 有上面公式可得侧偏角差值( 4 一疋) 与侧向加速度口，的关系： = 等c 去一争 件5 ， 式中：磊，皖一前后轴侧偏角， o ) ； i ，一汽车轴距，m 。 根据计算结果，绘出前后侧偏角差值( 4 一嗄) 与侧向加速度口，的关系曲线( 图 4 6 ) 。 ( 3 ) 车身侧倾角与侧向加速度日“的关系曲线可由a d a m s c a r 后处理器直 接求得见图4 7 。 武汉理i ：人学硕士学位论文 图4 - 6 前后侧偏角差值( 4 一色) 与侧向加速度口y 的关系曲线 图4 7 车身侧倾角与侧向加速度的关系 表4 1 原钢板弹簧悬架客车稳态回转试验仿真参数 、 一： o 51 52 o2 53 o3 54 o4 5 评价参数 侧偏角差( 4 一岛)o )o 2o 4o 61 21 82 23 24 o 车身侧倾角( o ) 0 51 82 53 o3 53 84 24 8 图4 5 为稳态回转转弯半径比与侧向加速度关系曲线。在前轮转角一定的条 件下，刚开始车速极低、侧向加速度接近于零时，转向半径为r ，而一定车速 下有一定侧向加速度时的转向半径为砾，转弯半径之比足r 可用于表征汽车的 稳态响应。在稳态回转试验中，转弯半径比r r 1 ，并且半径比值随着侧向加 速度的增大而逐渐增加，说明该空气悬架客车有比较明显的不足转向特性。当 侧向加速度约大于5 m s 2 时，转向半径比曲线逐渐呈现出明显的非线性特性，即 不足转向特性加剧，当侧向加速度达到6 5 m s 2 以后，使得其转弯半径急速增加， 3 2 武汉理工人学硕十学位论文 此时汽车已经处于十分危险的工况，整车试验在侧向加速度大于6 5 m s 2 以后不 能继续进行下去。 图4 - 6 稳态回转前、后轮侧偏角差值( 匹一正) 与侧向加速度a ，关系曲线，可 以看出，在侧向加速度逐渐增加的条件下，前后轮的侧偏角的差值均为正数， 即( 瓿一反) a ，曲线斜率大于零，随着侧向加速度的增加，转向半径增加，汽车 具有不足转向特性。 图4 7 为稳态回转车身侧倾角与侧向加速度关系曲线。车身侧倾角的大小影 响汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。侧倾角的数值影响到汽车的横摆角速度稳 态响应和横摆角速度瞬态响应。侧倾角过大会使驾驶员或乘员感到不稳定和不 安全，同时车身侧倾引起前转向轮绕主销的转动，以及后轮绕垂直于地面的轴 线的转动，引起侧倾转向。随着前、后侧倾转向的方向与数值的不同，汽车的 不足转向量可能增加，也可能减小，而对稳态转向特性产生影响。如果侧倾角 过小，即悬架的侧倾角刚度过大，汽车一侧车轮遇到凸起或者凹坑时，车厢内 会感受到强烈的冲击，平顺性就会比较差【4 1 1 。侧倾角大小随着车辆种类不同而 异，但是换算成0 6 9 侧向加速度下整车侧倾角一般在2 0 5 0 之间【2 1 1 ，由图4 7 可以知道，车身侧倾角大小基本在这个范围之内，能很好的兼顾汽车的操纵稳 定性和行驶平顺性。有以上仿真分析结果可知，其侧向加速度、横摆角速度、 车身侧倾角等随时间的增加而增大，转弯半径比足r 和汽车前后侧偏角差值 ( 最一蠡) 等随侧向加速度的增加而增加，说明该车具有不足转向特性，稳态回转 性能良好。 表4 1 为原钢板弹簧悬架客车做稳态回转试验仿真的性能参数1 3 5 1 ，对比图 4 5 图4 7 可得，在稳态回转试验仿真时，装配空气悬架客车的( 最一正) a ，小 于原客车，在同样加速度情况下的车身侧倾角也相对偏小，故客车装配空气悬 架时的操纵稳定性要优于配备钢板弹簧悬架的客车。 4 2 3 稳态回转试验计分评价 价： 根据国标q c t 4 8 0 1 9 9 9 ( 汽车操纵稳定性指标限值与评价方法) 进行计分评 ( 1 ) 中性转向点的侧向加速度值口。的评分值： n , , = 6 0 - 1 - 。瓦4 0 ( a n - a n 6 0 ) = 8 2 武汉理丁大学硕士学位论文 式中：a n 6 0 一中性转向点的侧向加速度下限值，该客车标准为4 0 0 m s 2 ； a n l o o 一中性转向点的侧向加速度上限值，该客车标准为8 0 0r r d s 2 ： a n 一为中性转向点的侧向加速度的试验值6 2r r d s 2 。 ( 2 ) 车厢侧倾度心的评分值： n 一= 6 0 4 。i ( 髟6 0 - k 一) _ 7 4 8 式中：吃一车厢侧倾度的下限值，该客车标准为1 2 0 o ) ( m s 2 ) ； 髟一车厢侧倾度的上限值，该客车标准为o 7 0 o ) ( 州s 2 ) ； 吒一车厢侧倾度的试验值0 8 8 5 o ) ( m s 2 ) 。 从以上分析结果可以看出，在规定的侧向加速度范围内，侧倾角与侧向加 速度的关系正常，汽车的操纵稳定性比较好，汽车具有不足转向特性，符合设 计要求。 4 3 转向盘角阶跃输入试验仿真 4 3 1 转向盘角阶跃输入试验仿真 瞬态转向特性是指汽车在受到外交扰动下，达到稳态状态前表现出来的特 性，它不仅表征