（车辆工程专业论文）带提升桥重型汽车空气悬架设计方法研究.pdf

鼍 ， 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子 杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和 借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并 向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博 硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学 研究生处办理。 本学位论文属于不保密面。 学位论文作者签名：王锦 矽1 1 年( 月l 二日 指导教师签 沙、年弋肌l 日 3 带提升桥重型汽车空气悬架设计方法研究 r e s e a r c ho nd e s i g nm e t h o do fa i rs u s p e n s i o no f h e a v y - d u t y t r u c kw i t hl i f t i n ga x l e 姓 2 0 1 1 年5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的持续快速发展，运输车辆向高速重型化方向发展，减小重型车辆动 态载荷对路面的破坏已成为我国车辆技术的又一重要研究课题。车辆悬架性能的好坏直 接影响其行驶平顺性及道路友好性，安装空气悬架可以获得理想的固有频率、良好的平 顺性，并能够减小车辆对道路的损伤，因此空气悬架在重型汽车上的应用已越来越广泛。 带提升桥重型汽车空载及轻载时，提升桥浮起离开路面，可降低油耗并减少轮胎磨损； 重载及满载时，提升桥落下承载，使轴荷分配合理。 本文针对带提升桥重型汽车空气悬架的参数选取开展研究，以重型汽车的道路友好 性为评价指标，在路面随机激励下应用随机振动理论和优化设计理论在时域范围内对重 型汽车动态轮荷( 轴荷) 进行仿真，并分析空气悬架刚度系数及阻尼系数对车辆道路友 好性的影响规律，为重型汽车空气悬架参数设计提供理论依据。 在m a t l a b s i m u l i n k 软件环境下通过建立二自由度车辆悬架仿真模型，以轮胎动态 载荷系数为评价指标，仿真对比空气弹簧悬架车辆与钢板弹簧悬架车辆的道路友好性， 研究表明空气弹簧悬架的使用可降低重型汽车整车对路面的破坏；其次，通过分析影响 车辆道路友好性因素知，适当降低空气悬架刚度系数，增加悬架阻尼系数可进一步改善 车辆的道路友好性。在此基础上，建立了带空气悬架提升桥重型汽车的1 2 车辆模型， 以道路损伤系数为评价指标，分析了影响车辆道路友好性的提升桥悬架参数。结果表明， 提升桥悬架的使用可大幅降低重型汽车对路面的损伤，但提升桥悬架刚度系数不宜选择 过小，否则将增大整车对路面的损伤；同时，本文所得车辆道路友好性随提升桥悬架参 数的变化曲线可作为重型汽车提升桥悬架设计及空气弹簧设计的理论依据。最后，通过 试验测试了空气弹簧刚度特性。 通过该研究可使设计人员在产品开发阶段就能对产品的道路友好性做出理论性的 预测，从而缩短开发周期，降低开发成本。 关键词：空气悬架，提升桥，道路友好性，悬架参数，车辆动力学。 带提升桥重型汽车空气悬架设计方法研究 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t r a n s p o r tv e h i c l e sa r gd i r e c t e dt o h i g h s p e e dh e a v y d u t y r e d u c t i o no ft h ed a m a g eo fh e a v y - d u t yd y n a m i cl o a d st op a v e m e n t h a sb e c o m et h es e r i o u sp r o b l e mf o r t h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sv e h i c l et e c h n o l o g y p e r f o r m a n c eo fv e h i c l es u s p e n s i o n d i r e c t l ya f f e c t st h er i d i n gc o m f o r t a b l e n e s sa n dr o a d f r i e n d l i n e s s h e a v y d u t yw h i c ha r ee q u i p p e dw i t hp n e u m a t i cs u s p e n s i o ns y s t e mc a ng e t p e r f e c tc o n n a t u r a lf r e q u e n c y , b e t t e rr i d ec o m f o r t a b l e n e s s ，a n dl e s sd a m a g eo fr o a d ，s o p n e u m a t i cs u s p e n s i o nh a sb e e nu s e di nh e a v y d u t ym o r ea n dm o r ew i d e l y t os a v ef u e la n d r e d u c et h ew e a ro ft y p e s ，w h e nh e a v y - d u t yi sr u n n i n gi nt h ee m p t yl o a d e da n dl i g h tl o a d e d ， l i f t i n ga x l ei sf l o a ta n do f fg r o u n d ；w h e ni ti sr u n n i n gi nt h ef u l ll o a d e da n do v e r l o a d e d ，p u t d o w nt h el i f t i n ga x l et om a k ee q u i t a b l ed i s t r i b u t i o no fl o a d i nt h i sp a p e r , t h ep a r a m e t e r so fh e a v y d u t yw i t hl i f t i n ga x l ep n e u m a t i cs u s p e n s i o na r e s e l e c t e dt or e s e a r c h ，r o a df r i e n d l i n e s so fh e a v y d u t ya st h ei n d e x ，r a n d o mr o a de x c i t a t i o na s i n p u t ，w i t h i nt h et i m e d o m a i nr a n g eu s i n gr a n d o mv i b r a t i o nt h e o r ya n do p t i m u md e s i g n t h e o r ys i m u l a t e t h e d y n a m i cw h e e lo ra x l el o a do fh e a v y d u t ya n da n a l y z es t i f f n e s s c o e f f i c i e n ta n dd a m p i n gc o e f f i c i e n to fa i r s u s p e n s i o n o nt h e i m p a c to fv e h i c l er o a d f r i e n d l i n e s s ，t op r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rh e a v y d u t yp n e u m a t i cs u s p e n s i o np a r a m e t e r s d e s i g nr e s e a r c h t w od e g r e e so ff r e e d o m v e h i c l es u s p e n s i o nm o d e l si se s t a b l i s h e di nt h es o f t w a r e m a t l a b s i m u l i n k s e l e c t i n gd y n a m i cw h e e ll o a da st h er o a df r i e n d l i n e s si n d i c a t o ro fv e h i c l e ， s i m u l a t ea n dc o m p a r er o a df r i e n d l i n e s sb e t w e e np n e u m a t i cs u s p e n s i o nv e h i c l ea n dl e a f s u s p e n s i o nv e h i c l e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t ：e q u i p p e dw i t ha i rs u s p e n s i o ns y s t e mc a ng e t l e s sd a m a g eo fr o a df o rh e a v y d u t y ；s e c o n d ，a p p r o p r i a t et or e d u c ea i rs u s p e n s i o ns t i f f n e s s c o e f f i c i e n ta n di n c r e a s ea i rs u s p e n s i o nd a m p i n gc o e f f i c i e n tc a ni m p r o v ev e h i c l e sr o a d f r i e n d l i n e s sf u r t h e r b ya n a l y z i n gt h ef a c t o r so fv e h i c l er o a df r i e n d l i n e s s o nt h i sb a s i s ，a1 2m o d e lo fh e a v y d u t yw i t hl i f t i n ga x l ep n e u m a t i cs u s p e n s i o ni ss e tu p s e l e c t i n gr o a dd a m a g ec o e f f i c i e n ta st h er o a df r i e n d l i n e s si n d i c a t o ro fv e h i c l et oa n a l y z et h a t l i f t i n ga x l es u s p e n s i o np a r a m e t e r si m p a c t e dt h er o a df r i e n d l i n e s so fv e h i c l e t h er e s u l t i n d i c a t e st h a t ：u s i n gl i f t i n ga x l ep n e u m a t i cs u s p e n s i o nc a n s i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ed a m a g eo f r o a df o rh e a v y d u t y , h o w e v e ll i f t i n ga x l ep n e u m a t i cs u s p e n s i o ns t i f f n e s sc o e f f i c i e n ts h o u l d n o tt ob ec h o s e nt o os m a l l ，o rt h ed a m a g eo fr o a dw i l lb ei n c r e a s e d ；a n dt h ec u r v e so f l i f t i n g i i i 带提升桥重型汽车空气悬架设计方法研究 a x l es u s p e n s i o np a r a m e t e r sa n dt h er o a dd a m a g ec o e f f i c i e n to fv e h i c l ec a nb eo b t a i n e da st h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no fl i f t i n ga x l es u s p e n s i o na n da i rs p r i n g f i n a l l y , t h en o n l i n e a r s t i f f n e s sc h a r a c t e r i s t i co fa i rs p r i n gw a st e s t e d s u c has t u d yf o ra i rs u s p e n s i o ns y s t e mo fh e a v y d u t yw i t hl i f t i n ga x l ec a nh e l pt h e d e s i g n e r si n t h ep r e d i c t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo ft h es u s p e n s i o n ；i tc a ns h o r t e nt h e d e v e l o p m e n tc y c l ea n dr e d u c et h ed e v e l o p m e n tc o s t s k e y w o r d s ：p n e u m a t i cs u s p e n s i o n ，l i f t i n ga x l e ，l o a df r i e n d l i n e s s ，s u s p e n s i o np a r a m e t e r , v e h i d ed y n a m i c s i v 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 空气悬架研究现状及发展趋势。1 1 1 1 国外空气悬架研究现状及发展趋势1 1 1 2 国内空气悬架研究现状及发展趋势3 1 2 重型汽车空气悬架设计方法研究现况4 1 3 本文研究的主要内容及意义。6 1 3 1 主要研究内容6 1 3 2 研究目的及意义6 第二章空气悬架系统结构设计及性能特点8 2 1 空气悬架系统设计与整车总体设计的关系8 2 2 空气悬架系统结构型式的选取9 2 2 1 根据结构型式选取9 2 2 2 根据进气控制方式选取1 0 2 2 3 根据悬架参数的可控性选取1 1 2 3 空气悬架系统结构件的选取1 1 2 3 1 空气弹簧。1 1 2 3 2 减振器1 3 2 3 3 导向机构1 3 2 3 4 提升机构1 4 2 4 空气弹簧特性及空气悬架性能1 5 2 4 1 空气弹簧特性1 5 2 4 2 空气悬架对整车性能的影响1 7 2 5 空气悬架参数选择及计算1 7 2 5 1 空气悬架刚度系数及固有频率的计算1 7 2 5 2 空气悬架阻尼系数的计算1 9 2 6 本章小结1 9 第三章重型汽车空气悬架道路友好性设计分析2 0 3 1 道路友好性评价指标2 0 3 1 1 动态载荷系数。2 0 3 1 2 道路应力因子2 1 3 1 3 道路损伤系数2 1 3 1 49 5 百分位四次幂和力一2 2 v 带提升桥重型汽车空气悬架设计方法研究 3 1 5 全概率损伤系数2 2 3 2 路面输入模型2 3 3 2 1 频率模型2 5 3 2 2 时域模型。2 6 3 3 车辆道路友好性分析2 8 3 3 1 动力学方程及仿真模型的建立2 9 3 3 2 模型仿真分析。3 0 3 4 影响车辆道路友好性因素3 0 3 4 1 行驶速度及路面不平度的影响。3 1 3 4 2 轮胎刚度系数的影响3 2 3 4 3 悬架参数的影响3 2 3 5 本章小结3 4 第四章重型汽车提升桥空气悬架道路友好性设计分析。3 5 4 1 重型汽车动力学方程的建立3 8 4 1 1 提升状态3 8 4 1 2 工作状态3 9 4 2 动力学仿真模型的建立4 0 4 3 模型仿真及悬架参数设计4 2 4 3 1 重型汽车提升桥的效用4 2 4 3 2 提升桥空气弹簧的选择一4 3 4 3 3 提升桥悬架刚度系数设计分析4 5 4 3 4 提升桥悬架阻尼系数设计分析4 7 4 4 本章小结4 9 第五章空气弹簧特性试验5 0 5 1 试验设备及试验方法5 0 5 2 试验结果5 1 5 2 1 提升桥空气弹簧5 1 5 2 2 后轴空气弹簧5 4 5 3 本章小结。5 7 第六章结论与展望5 8 6 1 结论5 8 6 2 展望5 9 致谢6 0 参考文献6 l 研究生期间发表的论文“ v l 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 悬架是车身( 或车架) 与车桥( 或车轮) 之间一切传力连接装置的总称，是现代车 辆的重要总成之一，其主要功用是传递作用在车轮和车架( 或车身) 之间的一切力和力 矩，并且缓和由不平路面传给车身( 或车架) 的冲击载荷，衰减由此引起的振动，以保 证车辆的正常行驶【1 1 。随着我国经济的持续快速发展，重型汽车在物流运输上发挥着重 要作用，其营运工况越来越被人们所重视，因此，设计重型汽车悬架系统时要求尽可能 降低悬架系统固有频率，缓和高速行驶时路面不平度对车身的振动和冲击，减少车辆对 路面的损伤，并使车辆保持较高的平均行驶速度，从而使得车辆在不同道路状况和载荷 条件下都具有良好的行驶性能。 空气悬架利用气体的可压缩性实现弹性作用，很好地满足了上述要求。过去受整车 生产技术的影响，空气悬架在重型汽车上的使用率很低。近年来，随着我国高性能商用 车产量和保有量持续快速增长，空气悬架的生产和应用得到了迅速发展。相对钢板弹簧 悬架，空气悬架突出的优点是平顺性好，维修少，寿命长，对承运的乘客和货物的保护 比钢板弹簧悬架有很大的提高，而对整车和路面的损坏程度却大大降低。随着国内高速 公路的持续发展，公路运输量的增加及政府对道路破坏的日益关注，空气悬架凭着其自 身的优越性能在重型汽车上的应用必将越来越广泛。 1 1 空气悬架研究现状及发展趋势 1 1 1 国外空气悬架研究现状及发展趋势 空气悬架的核心部件是空气弹簧，它利用气体的可压缩性实现弹性作用，其发展一 定程度上决定于空气弹簧的发展。空气弹簧发明于1 8 4 7 年，第一个空气弹簧专利 ( u s 4 9 6 5 ) 申请于美国；第一个用于有轨电车悬架的空气弹簧专利( u s 6 7 3 0 1 1 ) 公 布于1 9 0 1 年；第一个汽车悬架空气弹簧专利( u s 9 8 0 1 3 8 ) 申报于1 9 0 8 年，且于1 9 1 0 年获得授权。空气弹簧早期主要用于机械设备隔振。2 0 世纪3 0 年初，美国f i r e s t o n e 轮胎公司首次将空气弹簧应用于汽车工业，该公司于1 9 3 4 年研制出了“a i r i d e 空气 弹簧。1 9 3 8 年f i r e s t o n e 轮胎和橡胶公司与美国通用汽车公司( g m ) 合作开发豪华大客 车空气悬架系统，并于1 9 4 4 年进行了首轮试验，试验结果显示了空气悬架系统的内在 1 带提升桥重型汽车空气悬架设计方法研究 优越性；之后经过大量的产品研制开发工作，1 9 5 3 年这两家公司开始向g r e y h o u n dl i n e s 运输公司提供有空气悬架的豪华大客车，为空气悬架系统的发展插上了腾飞的翅膀。 1 9 5 8 年，美国的奇姆西( g m c ) 公司生产了装有空气弹簧悬架的牵引车，英国生产了装 有空气弹簧悬架的1 2 1 5 吨挂车。随后不久，意大利、英国、法国及日本等发达国家相 继对汽车空气悬架作了应用研究。 早期空气悬架是由空气弹簧与钢板弹簧二者组成的复合悬架“钢板弹簧+ 空气弹 簧 ，其中，钢板弹簧不仅起导向作用，也兼起一部分弹性元件的作用。这种悬架型式 结构简单，便于在原客车上改装，但较难达到理想的弹性特性。针对“钢板弹簧+ 空气 弹簧 复合悬架的不足，后来开发了车身载荷几乎完全由空气弹簧承受的被动全空气悬 架。随着现代控制技术的发展，被动全空气悬架逐渐被电子控制空气悬架系统 ( e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e da i rs u s p e n s i o ns y s t e m ，简称e c a s ) 所取代。由此可以看出： 空气悬架经历了“钢板弹簧+ 空气弹簧复合悬架一被动全空气悬架一主动全空气悬架( 电 子控制空气悬架系统) 的发展历程。 目前，空气悬架在国外发达国家豪华汽车上已经被广泛采用，在高速客车和豪华城 市客车上的使用率已经达到1 0 0 ，在中、重型货车以及挂车上的使用率也超过8 0 。 1 9 6 1 年，奔驰公司推出了第一款带有空气悬架的轿车b e n z3 0 0 s e ；至2 0 0 2 年，欧洲生 产的8 种主流重型汽车的后悬架已全部采用了空气弹簧，其中6 种为4 气囊空气悬架。 如今许多高级轿车，例如奔驰的b e n zs 级，宝马的b m w7 系列，通用的c a d i l l a c 系列 中的很多车型都安装了空气悬架系统。此外，在一些专用车辆( 如对防振性要求较高的 仪表车、救护车及要求高度调节的集装箱运输车) 上空气悬架的应用就更加广泛。目前 汽车工业发达国家己形成几个较大的空气悬架和空气弹簧生产厂家，如n e w a y 、 r i d e w e l l 、f i r e s t o n e 、c o n t i t e c h 、h e n d r i c k s o n 、s a f 和b p w 等【2 】。 随着空气悬架应用的推广，国外对空气悬架的研究也得到了重视。j r e v a n s 等人 对空气弹簧在火车上的应用作了深入的研究，并在1 9 7 0 年进行了空气弹簧垂直特性试 验，建立了空气弹簧垂直动态特性模型。汽车空气弹簧的侧向特性试验于1 9 9 4 年完成， 在较宽频带内和大幅值条件下，测量了空气弹簧在不同载荷下的侧向力和变形，并用正 弦波和锯齿波输入来观察速度对侧向特性的影响。在空气悬架系统中，除空气弹簧外， 还要有辅助气室和连接管路来实现空气弹簧刚度系数的连续变化。k a t s u y ay o y o f u k u 等 人通过研究振动频率和弹簧反应之间的关系，分析了管路和气室对弹簧特性变化的影响 【3 】。j o nb u n n e 和r o g ej a b l e 研究了空气悬架对汽车传动系统振动的影响【4 1 。j o h n 2 江苏大学硕士学位论文 w o o d r o o f f e 通过试验评价了分别装有空气悬架和钢板弹簧悬架的重型载货汽车路面附 着性和行驶平顺性【5 1 。随后，a l f h o m e y e e r 等人采用有限元法优化了空气弹簧结构，提 出了空气弹簧设计的新思想【6 1 。 1 1 2 国内空气悬架研究现状及发展趋势 国内于二十世纪五十年代开始对空气弹簧进行研究【7 1 。长春汽车研究所与化工部橡 胶工业研究所合作于1 9 5 7 年制造出我国第一辆装有空气悬架的载重汽车【8 】【9 】【1 0 j l l l l 。八 十年代初长春汽车研究所为武汉客车制造厂、瓦房店客车厂、四平客车厂等几家工厂设 计了空气悬架【1 2 1 ，当时可将平均车速提高1 7 ，车身自振频率降为1 1 1 2 h z 。九十年 代，国内客车厂纷纷从国外购置空气悬架及装有空气悬架的客车底盘，并对其产品进行 技术改造，以提高产品技术含量，抢占国内高档客车市场，如北方车辆制造厂、厦门金 龙联合汽车公司等。同时，国内各大汽车厂、研究所、大专院校的研究机构及相关专家 也做了大量卓有成效的工作，并取得了许多重要研究成果【1 2 l 【1 3 】【1 4 1 。但由于橡胶的寿命 不过关及设计、制造等多方面因素的影响，研究成果的产业化率非常低，导致许多有价 值的研究没能继续坚持和深入下去，使得国内汽车空气悬架技术的研究和应用与欧美日 等发达国家相比落后明显。 近些年，由于高速公路的迅速发展，重型汽车使用量越来越大，对舒适性的要求也 越来越高，国内对空气悬架的理论研究及产品的开发工作又重新重视起来。国内，目前 空气悬架主要应用在高级客车、部分轿车及重型汽车上，受多方面因素的制约，空气悬 架的配置率仍然很低，基本上还属于“导入 阶段。据不完全统计，国内数量相对较大 的应用主要集中在郑州宇通、厦门金龙、苏州金龙、济南重汽、扬州亚星、一汽客车、 东风杭汽等规模较大的客车、载重车及底盘厂家。此外，国内其它一些汽车厂家都是以 选装国外空气悬架产品为主。在空气悬架的自主研发方面，国内已经能够生产优质的空 气悬架部件，以此为支撑，国内汽车厂家已经开始自行设计符合中国道路状况和车辆实 际条件的空气悬架产品，并选装国内部件以降低成本【1 5 】。 目前，国内涉及空气悬架系统生产和研究的公司有很多，但以代理性质居多，公司 本身并无设计能力，且公司规模一般不大，代理产品种类也有限。这就导致国内汽车厂 家出现问题时代理公司往往无法及时处理，影响了被代理产品的声誉及市场，因此，国 外制造公司纷纷以不同的方式直接进入中国市场，如美国f i r e s t o n e 公司在允许一定代 理的同时，在上海设立了销售办事处，日本n h k 弹簧公司在重庆合资成立n h k 重庆 3 带提升桥重型汽车空气悬架设计方法研究 公司【1 6 j 。 总的来说，随着我国高速公路的迅速发展及公路运输量的持续增加，对重型汽车高 速性能的要求越来越高，空气悬架在重型汽车上的应用必将越来越广泛。另外，随着重 型汽车对路面破坏机理的研究及认识进一步加深【1 7 l 【1 8 】【1 9 1 2 0 l ，以及政府对高速公路养护 的进一步重视，空气悬架在重型汽车上的应用也必将进一步增加。同时，汽车控制系统 的智能化程度越来越高，电子控制空气悬架将成为未来发展的必然趋势。这都为空气悬 架产品的推广使用创造了一个良好的外部环境。 1 2 重型汽车空气悬架设计方法研究现况 随着空气悬架在重型汽车上应用的增多，先概念设计和方案论证，然后进行产品设 计，进而制造样机通过试验验证设计；若试验发现缺陷，再修改设计并再次试制样机； 通过周而复始的设计试验设计过程，产品性能才能达到要求，其过程相对冗长，尤其 对于如空气悬架这样结构复杂的系统。 目前，国内空气悬架系统的设计研究主要针对的是客车及轿车，基于改善车辆的平 顺性及操纵稳定性，对重型汽车的研究较少。客车及轿车较重型汽车而言，车辆总质量 小，对路面损伤小，且对车辆平顺性的改善在一定程度上也改善了其道路友好性，因此 往往忽略了车辆道路友好性研究；但重型汽车由于载质量大，对路面破坏相对较严重， 故而在其空气悬架系统设计分析中应充分重视车辆与道路之间的相互作用，以改善车辆 道路友好性，减少路面破坏。 车辆与道路之间的相互作用早已受到发达国家的重视，1 9 5 8 1 9 6 1 年美国洲际公路 工作者协会就通过大量的试验得出了“四次幂定律 ，即车辆对半刚性路面的疲劳损伤 与车辆静态轮胎载荷的四次幂成正比。2 0 世纪8 0 年代以来，为减小重型车辆对高速公 路路面的破坏，美国密西根大学公路交通研究所、美国加州大学伯克利分校、英国剑桥 大学工程系以及加拿大、澳大利亚等国的高等学校和科研机构相继对车辆道路相互作 用问题进行了深入研究。此后，以英国为首的许多西方发达国家不但制定了各种相关法 律、法规，而且鼓励使用道路友好性良好的重型车辆，并适当提高了道路友好性良好车 辆的运输配额，而且积极鼓励开展有关悬架道路友好性的基础研究【2 。英国学者d j c o l e 等利用四次幂指标对被动悬架系统的优化设计进行了较为深入的研究【2 2 1 ，m h u l t a l a 等 通过合理的前悬架钢板弹簧及后悬架空气弹簧设计，正确选择重型车辆的轮胎模型，设 计了基于功能虚拟样机的三、四轴被动悬架重型车辆仿真模型，并通过该模型研究了被 4 江苏大学硕士学位论文 动悬架重型车辆的道路友好性四l 。通过欧盟资助，以捷克为中心展开的关于车辆一路面 相互作用的s a d t s 研究项目，利用机械多体动力学软件s i m p a c k 建立了重载车辆三 维整车动力学模型，开展了重载车辆半主动悬架系统与路面相互作用的基础研究，分析 了不同控制策略对车辆路面动态载荷的影响【2 q 。 上世纪九十年代，我国逐步重视了车辆动载对道路的破坏问题，并进行了相关的研 究工作。同济大学余卓平【2 5 】等认为车辆对道路的损伤取决于其作用在道路上的轴荷( 包 括静态轴荷和动态轴荷) ，并指出在重型汽车后悬架设置减振器是减轻我国道路损伤的 有效方法。中国农业大学李怀璋、余群等【1 8 】在分析了国内外车辆参数( 悬挂系统、质量 和轴结构等) 对路面动载响应影响的研究现状后，结合我国公路运输中普遍存在的严重 超载、车辆技术结构不合理等实际问题，提出了以合理极限轴载来减轻路面破坏作用等 研究课题。近年来，车辆动载对路面破坏问题的研究工作渐渐深入。哈尔滨工业大学徐 斌等【2 6 1 1 2 7 为探讨悬架系统对乘员舒适性及道路破坏程度的影响规律，分析了悬架刚度 系数、阻尼系数对车辆平顺性和道路友好性的影响，并建议应稍微减小后轴悬架刚度系 数，减小前轴悬架阻尼系数至最佳值，适当增加后悬架阻尼系数。青岛大学陈静、刘大 维等 2 8 1 2 9 】应用a n s y s 有限元分析软件对层状路面在动载作用下路面的动态响应进行 了三维有限元分析，并通过试验研究分析了载荷和行驶速度对路面随机动载的影响。同 济大学胡小弟、孙立军例等利用自主开发的轮胎接地压力测试仪，进行了重型货车不 同花纹轮胎在不同轮胎胎压和不同负荷作用下的接地压力分布测量。青岛大学严天一等 【3 1 】分析了悬架系统对车辆道路友好性的影响，并利用三种典型道路友好性评价指标对 基于最优控制策略的主动悬架系统和被动悬架系统的道路友好性进行了比较分析。 但是，以上研究分析主要存在以下几个问题：首先，研究对象主要是钢板弹簧悬架 车辆，且主要是轻型及中型运输车辆，有违于国内运输车辆的发展趋势；其次，建模分 析时并没有考虑到车辆悬架参数的非线性振动特性，仅仅对悬架系统的线性分析不能反 映实际情况；最后，对重型汽车提升桥的研究还鲜有报道或见诸于文献。因此，为减轻 重型汽车对路面的损伤，有必要对装配空气悬架的重型汽车道路友好性进行分析研究， 明确空气悬架参数对重型汽车道路友好性的影响，改进设计系统中的关键参数以获得更 好的动态性能，缩短空气悬架系统的开发设计周期，提高设计效率。 5 带提升桥重型汽车空气悬架设计方法研究 1 3 本文研究的主要内容及意义 1 3 1 主要研究内容 本研究的对象是带提升桥重型汽车空气悬架系统，前轴采用钢板弹簧悬架、提升轴 的中轴及后轴为空气悬架。提升桥有提升与工作两种状态，车辆空载及轻载运行时，提 升桥被提起离开地面，以减少滚动阻力并使转向运动协调，达到节油和减少轮胎磨损、 延长使用寿命、节省营运费用的目的；车辆重载及满载情况下，提升桥落下参与承载， 以有效提高车辆承载能力，使轴荷符合相关法规规定，确保车辆、道路和桥梁安全使用。 由于车辆主要承载部分采用了空气悬架系统，整车的道路友好性可得以改善，对路面的 损伤大幅降低，同时车辆安全稳定性能及平均车速也得以提升，从而提高了重型汽车运 输生产率，节约了运输成本。 基于以上分析，研究过程中主要完成以下内容： 1 、概述空气悬架技术在国内外的发展状况及重型汽车空气悬架设计方法研究现状； 根据空气悬架系统的设计目的、基本要求及空气悬架系统设计与整车设计的关系选取设 计主要相关部件，阐述空气弹簧的非线性刚度特性及装配空气弹簧车辆的性能特点，说 明空气悬架参数的选择依据。 2 、通过m a t l a b s i m u l i n k 软件建立重型汽车二自由度车辆仿真模型，以随机路面激 励为输入，仿真分析了车辆结构参数对车辆道路友好性的影响，比较了空气悬架与钢板 弹簧悬架对车辆道路友好性影响的差异。 3 、通过建立带提升桥1 2 车辆模型，以随机路面激励为输入，以道路损伤系数为 评价指标，仿真分析提升桥的使用效果和提升桥悬架参数对车辆道路损伤系数的影响， 设计选取适当的提升桥悬架参数以降低整车道路损伤系数，提高车辆道路友好性。 4 、通过试验对空气弹簧的刚度特性进行了测试，并获得了仿真用空气弹簧的刚度 特性曲线方程。 1 3 2 研究目的及意义 据我国交通部统计，全国每年用于路面维修经费高达3 0 0 亿元，因此，降低重型汽 车对高速公路路面的损伤和破坏，已成为车辆设计、公路管理部门十分关注的热点问题。 重型汽车数量的迅猛增加使得路面更加容易疲劳损伤，且重型汽车的动态轮胎力一直被 6 江苏大学硕士学位论文 认为是导致路面早期破坏的主要原因，尤其是车辆超限或超载时，严重影响了车辆的动 力学特性，导致路面动态轮胎力过分增加，路面使用寿命明显缩短。据美国u m t r i 和 英国t r i 的大量试验表明，在相同装载质量条件下，作为车辆重要组件的悬架系统对 动态轮胎力的影响最大。装有空气悬架的重型汽车，其悬架的振动性能对重型汽车的动 态轮胎力有很大影响，因此，空气悬架的选用与车辆对路面的损伤及路面的使用寿命都 存在着密切的联系。 本文从实际应用角度出发，针对目前运输车辆中数量快速增长的重型汽车，建立动 力学仿真模型，仿真分析空气悬架参数对路面动态载荷的影响，在空气悬架开发阶段预 测重型汽车的道路友好性，旨在理论上揭示路面损伤与车辆悬架参数之间的内在联系和 规律，以缩短重型汽车空气悬架开发周期，降低开发成本。本文对重型汽车空气悬架设 计具有一定的指导意义，对延长路面的使用寿命具有一定的现实意义。 7 带提升桥重型汽车空气悬架设计方法研究 第二章空气悬架系统结构设计及性能特点 悬架是车辆的一个重要组成部分，其结构型式的选择和参数的设定对整车的诸多行 驶性能都有着决定性的影响。空气悬架系统以空气弹簧为弹性元件，以气体为介质，利 用气体的可压缩性实现弹性作用。较装配钢板弹簧悬架车辆，装配空气弹簧悬架车辆操 纵稳定性及行驶平顺性都得到显著提高，车辆动态载荷也有所降低。随着空气悬架在国 内重型汽车上装配率的持续增加，人们对空气悬架结构型式的选取及空气悬架参数的设 定提出了越来越高的要求，目前主要包括以下几个方面： ( 1 ) 空气悬架系统的设计应符合整车总体设计要求； ( 2 ) 空气悬架系统的设计应使得重型汽车达到较高的平顺性指标； ( 3 ) 空气悬架系统的设计应使得重型汽车具有较低的动态轮荷或轴荷； ( 4 ) 空气悬架系统的设计应保证重型汽车具有足够的抗侧倾和抗纵倾能力； ( 5 ) 空气悬架系统的设计中应充分利用其特有优点。 2 1 空气悬架系统设计与整车总体设计的关系 整车总体设计的任务是给系统的方案设计提供依据，并为其后续的结构工程化设计 做准备。整车总体设计包括进行合理的底盘系统及附件的布置、前后轮跳动空问的确定、 转向杆系的布置、初步结构的确定、整车性能匹配计算、系统运动分析、主要结构件有 限元分析和制造工艺分析、系统动力学分析、系统成本初步分析、并绘制整车总体设计 方案图等。 空气悬架系统设计主要包括系统结构型式的选择和系统参数的选取。其中，系统参 数的选取主要包括悬架刚度系数及阻尼系数的选取与评价指标的选取。空气悬架设计评 价指标主要有三种，即整车的平顺性指标、道路友好性指标、操纵稳定性指标。空气悬 架设计评价指标的选取可根据整车设计目的要求的不同有所侧重，也可选取多种评价指 标进行加权处理。空气悬架系统设计与整车总体设计的相关性如图2 1 所示。 8 江苏大学硕士学位论文 圈圈圈 图2 1 空气悬架系统设计与整车总体设计的相关性 f i g 2 1t h er e l e v a n c eo ft h es y s t e mo fa i rs u s p e n s i o nd e s i g na n dv e h i c l ed e s i g n 2 2 空气悬架系统结构型式的选取 2 2 1 根据结构型式选取 根据结构型式不同可分为三种：独立悬架、非独立悬架及提升桥悬架【3 2 1 。 霸 主哥谣 i 独立愚援 图2 2 独立悬架图2 3 非独立悬架 f i g 2 2i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nf i g 2 3n o n i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n ( 1 ) 独立悬架 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，结构如图 2 2 所示，汽车前悬架通常采用独立悬架。独立悬架的优势在于：在悬架弹性元件一定 的变化范围内，两车轮可以单独运动而互不影响，这样在不平道路上行驶时可以减少车 架和车身的振动，且有利于消除转向轮不断偏摆的不良现象；同时，减少了汽车的非簧 载质量，在道路条件和车速相同的情况下，非簧载质量越小，悬架受到的冲击载荷也越 小，故可提高汽车的平均行驶速度。但独立悬架结构复杂，制造成本高，维修不便。 ( 2 ) 非独立悬架 9 带提升桥重型汽车空气悬架设计方法研究 非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过 弹性悬架悬挂在车架或车身的下面，结构如图2 3 所示。非独立悬架具有结构简单、成 本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点；但两轮受冲击振动时互