空气弹簧大客车前悬架的前轮定位参数仿真研究

空气弹簧大客车前悬架的前轮定位参数仿真研究 空气弹簧大客车前悬架的前轮定位参数仿 真研究 第11期 2009年l1月 机械与制造 MachineryDesign&Manufacture145 文章编号:1001—3997(2009)11-0145—02 空气弹簧大客车前悬架的前轮定位参数仿真研究 秦东晨吴磊顾朝伟 (郑州大学机械工程学院,郑州450002) Simulitionandanalysisofthefrountairsuspensionalignmentparametersof largepassengercar QINDong—chen,WULei,GUChao—wei (MechanicalandEngineeringCollege,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450002,China) testedandthe iconditions,whichcanbeseenthat0ekindofairspringissuitableforvehicleswithmulti—load.Atl ;salTl~time,thekinematicssimulationofthefrontsuspensionofmotorbuseswithairspringis emulatedby; {usingADAMS/CARsware.}! Keywords:Airspring;ADAMS/CAR;Kinematicssimulation 中图分类号:TH16文献标识码:A 1引言 随着汽车工业的研究和发展,车用零部件的性能也在不断的 提高和优化.空气弹簧以其独特的变刚度,低振动频率,高吸振,低 噪声等优良特I生,更加有效地提高了汽车行驶平』I晚『生以及操纵稳定 性,成为汽车钢板弹簧的理想替代品.国外对空气弹簧的研究和应 用很早,目前已经广泛应用与各种客货车.我国在建国之初就开始 了相关研究,可由于设计及制造等复杂凶素的影响,直到近年随 着国外空气悬架的引进,才逐渐在国产高级客车得以广泛应用. 目前字通客车上所用的空气悬架气囊有美国固特异,凡t 通,德国大陆及国产的贵州前进等几个品牌.空气弹簧的技术标 准为:抗拉强度20MPa,拉断时的永久变形35%.密封性要求充 气24h后下降O.02Mpa.压爆压力2.0Mpa.使用寿命300万7欠.空气弹簧的高度是可变的,其初始高度很重要,字通ZK6100系列 客车空气弹簧前气囊的高度为(225?5)mm,后气囊的高度为(2604- 5)mm气囊垂直度要求静止时任意方向的倾斜量不超过.气囊有 整体式气囊和分体式气囊两种类型. 2空气弹簧特性 2.1空气弹簧的刚度特性 空气弹簧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.由于空气弹簧只承受垂直载荷,所以对车 轮垂直跳动具有很好的缓和作用. 由于空气弹簧的支承,弹性作用取决于卒气弹簧内的压缩空 - k来稿日期:2009—01—12 气,可采用气体定律来描述气体压力P和容积的关系: Pn=const(1) 式中:P一绝对压力,即P=+ 指数n的选择取决于弹簧变形的速度,变形速度熳为等温过 程,n=1;变形速度快为绝热过程,n=1.4.空气弹簧的承载能力由 下式得出:A(2) 空气弹簧刚度可以直接由载荷F对位移s求导得到,即= 一 ,则有: 2 =+n(eo+p,A(3) 由式(3)可知:空气弹簧的刚度是可变的,它取决于其J二作压 力,有效面积和工作时的容积;空气弹簧刚度随位移的变化是非 线性的;在工作压力一定的情况下,减小有效面积变化率,增大空 气弹簧容积可减小其刚度. 2_2空气弹簧的频率特性 汽车在行驶过程中,假定不考虑轮胎的质量,刚度和阻尼,可 将汽车简化为单质量弹簧系统.悬架系统的固有频率可由如下公 式计算得到: ,=—,/=},/等 空气悬架在簧载质量即载荷发生较大变化时,空气弹簧的内 部工作压力因高度调节阀的作用而也随之改变.另外,可以通过 降低空气弹簧的工作压力,减小有效面积变化率,增大空气弹簧容积 等简单的减小其刚度,从而使空气悬架具有较低的固有频率. 146秦东晨等:空气弹簧大客车前悬架的前轮定位参数仿真研究第11期 3前悬架动力学建模 建立多体系统动力学分析模型,所需的参数主要可划分为四 类:尺寸(几何定位)参数,质量特性参数(质量,质心与转动惯量 等),力学特性参数(刚度,阻尼等特性)与外界参数(道路谱等). 尺寸参数和大部分的质量特性参数可以通过建立三维数字模型 得到,其它参数需要查阅图纸,计算法等方法获得. 宇通某型豪华大客车的前悬架采用双横臂式独立悬架.前悬 架对整车操纵稳定性能分析有重要的影响.它的主要零部件有: 上横臂,下横臂,转向节,转向横拉杆,转向主拉杆,转向摇臂,车 身,横向稳定杆,膜式空气弹簧,减振器一横臂一端通过球铰与 转向节相连,另一端通过转动铰与车身相连,使其可相对车身上 下摆动.下横臂一端通过球铰与转向节相连,另一端通过转动铰 与车身相连.转向横拉杆一端通过球铰与转向节拉臂相连,另一 端通过球铰与转向主拉杆相连,膜式空气弹簧一端通过固定铰与 下横臂相连,另一端通过固定铰与车身相连.车轮(即hub构件)通 过转动铰与转向节相连.稳定杆中部自由地支承在两个固定在车架 上的橡胶套简内.稳定杆连杆一端通过等速万向节与稳定杆连接, 另一端通过球铰与下控制臂连接.具体结构简图,如图1所示. 图1前悬架双横臂多体动力学结构 1.车轮2左转向节3.左j==控制臂4左下控制臂5左减振器的七部 6.左减振器的下部7左转向横拉杆8左横向稳定器下拉杆 9.左横向稳定器10鬃向主拉杆11转向垂臂12_车专向摇臂 AMADS软件是应用广泛的机械系统动力学分析软件.利用 AMADS软件里的CAR模块,可以方便地建立参数化实体模型, 并应用了多体系统动力学原理进行仿真计算.对于悬架系统来 说,ADAMS/CAR在仿真结束后,可自动计算38种悬架杼I生, 根据这些常规的悬架特性,用户又可定义出更多的悬架特性,产 品设计人员完全可以通过这些特性曲线来对悬架进行综合性能 的评价和分析.就是应用ADAMS软件,在CAR模块里根据所知 数据对大客车前悬架进行建模,如图2所示. 图2前悬架测试平台总成图 其中空气弹簧选择德国大陆762N系列,空气弹簧模型是根 据查得的空气弹簧动刚度曲线簇在ADAMS/CAR中输入其动刚 度曲线得到,论文中的空气弹簧特征曲线,如图3所示. ×10 l/ 7 ./ / . =====l/斗/丁l l 位移(mm) 图3空气弹簧特性曲线 4仿真结果分析 4.1车轮前束角 车轮跳动时的前束变化对车辆的直线稳定性,车辆的稳态响 应牛寺.『生有很大的影响,是汽车悬架的重要参数之一.车轮前束角 可以弥补外倾角带来的不利影响,减少轮胎的磨损.为了使轮胎 磨损不因侧偏而加剧,同时也不增加滚动阻力和不影响车辆直线 行驶能力,车轮在跳动过程中应该尽可能使前束保持不变或者变 化很小.车轮上下跳动时前束角的变化曲线(图略).由图可知,前 束角的变化范围较小,在可接受的范围内. 4.2前轮外倾角 汽车作曲线行驶时,车轮随车身一起倾斜,即车身外侧车轮 向正的外倾角方向变化,从而降低了其侧偏性能.为保证轮胎的 侧偏性能,设计要求悬架上跳时外倾角向负值变化,下落时向正 值变化,使汽车行驶过程中的车轮尽可能垂直于路面.仿真结果 可以看出,在车轮上跳50ram时,符合这种规律,并且外倾角变化 范围为0.85.1.66.,变化较小. 4.3主销后倾角 主销后倾角对转向时的车轮外倾变化影响较大.主销后倾角 的设计应保证车轮具有合适的回正力矩.一般不希望后倾角在车轮 上,下运动过程中出现大的变化,以免当载荷变化时出现回正力矩过 大或过小的现象,使操纵I生能恶化.一般要求后倾角具有随车轮上 跳而增加的趋势,这样可以抵消制动"点头"时后倾角减小的趋势. 正是通过仿真来描述主销后倾角随车轮跳动的变化规律,由图可 知,独立悬架完全符合这种要求,并且在车轮上下跳动时变化很小. 通过这3个图,我们也可以清楚的认识到悬架中橡皎衬套等弹性体 的应用使车轮定位参数的变化规律基本不变,而且能够吸收车身跳 动中的扭转振动,在相当程度上决定和影响悬架参数的准确性. 5结束语 通过计算对空气弹簧的刚度和频率等特性进行分析,并运用 所知参数在ADAMS/CAR模块里建立模型模板,可以方便的利用 CAR模块里的虚拟测试平台对所设计的部件或整车进行仿真分 析,通过仿真分析得出的反馈信息可以对现实的设计进行指导. 充分运用这种手段,可以提高产品生产周期和降低设计成本.此 次仿真结果明独立空气悬架的初步设计是合理的,后期还有待 宇通公司的实车测试加以验证和修改. 参考文献 1陈燕,杨兴龙,王勋龙.大客车空气弹簧动态特眭的试验分析.汽车技术, 2002(10):19~21 2张建文,庄德军,林逸,王望予,刘宏伟.汽车用空气弹簧悬架系统综述.公 路交通科技,2002,19(6):151,155 65432l0 一弓R粼慧