劉世達(dá)，王衛(wèi)東，張 琦

（德州學(xué)院 汽車工程系，山東 德州 253023）

混合動(dòng)力客車空氣懸架平順性仿真分析

劉世達(dá)，王衛(wèi)東，張 琦

（德州學(xué)院 汽車工程系，山東 德州 253023）

空氣懸架以其自身的優(yōu)勢(shì)在混合動(dòng)力汽車中的具有良好的應(yīng)用前景，文章利用動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS建立帶有空氣懸架的混合動(dòng)力客車整車模型，并對(duì)模型進(jìn)行了脈沖路面輸入和隨機(jī)路面輸入下的仿真，由仿真分析可知在隨機(jī)路面和脈沖路面激勵(lì)該混動(dòng)客車具有良好的平順性，對(duì)整車的開(kāi)發(fā)提供一定依據(jù)。

空氣懸架；ADAMS；平順性；仿真分析

現(xiàn)階段純電動(dòng)汽車具有無(wú)污染、節(jié)能效率高的特點(diǎn)，但受電池容量的制約，續(xù)駛里程短始終是限制電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸，而在這種情況下混動(dòng)汽車采用油電混合模式，降低了對(duì)蓄電池的依賴，現(xiàn)階段更具有推廣優(yōu)勢(shì)。文章即以某帶空氣懸架的混合動(dòng)力客車為例，利用ADAMS軟件對(duì)整車的平順性進(jìn)行仿真分析，為新能源汽車特別是混動(dòng)客車的開(kāi)發(fā)提供一定指導(dǎo)作用。

1 空氣懸架的優(yōu)勢(shì)

混合動(dòng)力客車在底盤結(jié)構(gòu)分布、使用工況、載荷受力以及運(yùn)動(dòng)性能等方面與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)客車有著較大的差異，同時(shí)混動(dòng)車型由于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的加入，使整車重量有了較大的增加，對(duì)懸架支撐承載提出了更高的要求，文章采用使用性能更具有優(yōu)勢(shì)的空氣懸架，其主要特性如下：首先空氣彈簧具有較高的質(zhì)量?jī)?chǔ)能量，即在較小的自身質(zhì)量下可以承載更多的懸架載荷。其次空氣彈簧與傳統(tǒng)彈簧相比，具有較好的非線性彈性特性，具有較寬廣的載荷穩(wěn)定范圍，同時(shí)也能獲得較低的固有頻率[1]。

2 整車結(jié)構(gòu)布置

汽車在行駛過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的動(dòng)態(tài)性能特征，主要由汽車內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系的分布以及外部環(huán)境路面不平等因素引起。文章研究的整車為普通客車通過(guò)對(duì)底盤改進(jìn)而來(lái)的混動(dòng)形式，即在原車型的基礎(chǔ)上增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電池、以及電路控制器等，以上系統(tǒng)在底盤的重新布置對(duì)整車的質(zhì)心位置有了一定程度的改變，進(jìn)而影響到整車的平順性和操作穩(wěn)定性。

（1）前后懸架的建模。前懸架采用非獨(dú)立式，其組成主要有左右空氣彈簧（氣囊）和阻尼減振器，為確保左右輪上車身高度一致，安裝統(tǒng)一左右車輪高度的調(diào)節(jié)閥。在以上變化的基礎(chǔ)上對(duì)車橋和懸架的選擇進(jìn)行綜合調(diào)整，以便降低地板離地高度，增大車能通道寬度，以適應(yīng)客車的使用要求。根據(jù)采用的樣車數(shù)據(jù)在ADAMS中建立相關(guān)前懸架模型。

根據(jù)客車的使用用途本模型后懸架采用非獨(dú)立式空氣懸架。通過(guò)對(duì)原樣車硬點(diǎn)數(shù)據(jù)采用，對(duì)后懸架動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、力學(xué)特性參數(shù)的調(diào)整和定義建立符合本樣車的非獨(dú)立后懸架模型。同時(shí)，為提高整車橫向穩(wěn)定性，對(duì)后懸架的設(shè)計(jì)通常加大左右安全氣囊的中心距，增加橫向穩(wěn)定桿等措施。

（2）整車模型的建立。本文所采用的虛擬樣機(jī)模型主要包括前、后懸架系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、輪胎模型以及整車車身，以上模型的建立主要通過(guò)ADAMS/car模塊通過(guò)相應(yīng)參數(shù)的修改而來(lái)。其中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為機(jī)械式，輪胎模型選用UA輪胎模型?；旌蟿?dòng)力客車采用大型客車的車身和底盤，相對(duì)于原型車而言，由于電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的加入，使總體布置發(fā)生了改變，從而引起車輛質(zhì)心位置的變化，仿真模型中的質(zhì)心位置用一質(zhì)量圓球代替，通過(guò)對(duì)樣車的計(jì)算合理安排圓球的位置。通過(guò)以上各個(gè)模型的建立，整車模型的結(jié)構(gòu)基本上完成，建立的整車模型如圖1所示。

圖1 整車模型

3 整車模型仿真分析

（1）隨機(jī)路面下平順性仿真。隨機(jī)路面下的車輛振動(dòng)輸入主要為路面激勵(lì)，也就是路面不平度，文章通過(guò)路面功率譜密度來(lái)反應(yīng)路面特性。為使仿真中的路面激勵(lì)具有代表性，仿真中采用的是功率譜密度值為64的B級(jí)路面，因?yàn)槠南拗票疚闹环治隽塑囕v在60km/h的常用速度下車身位置處振動(dòng)，主要通過(guò)振動(dòng)加速度來(lái)反應(yīng)，為直觀的反應(yīng)振動(dòng)特性這里將振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換為加速度功率譜密度曲線，如圖2所示。由圖2水平方向加速度功率譜密度曲線圖和3垂直方向加速度功率譜密度曲可以看出，水平方向加速度功率譜密度的峰值出現(xiàn)在4.8Hz位置，避開(kāi)了0.5～2Hz的人體敏感范圍；同樣垂直方向加速度功率譜密度的峰值出現(xiàn)在2.3Hz位置，同樣避開(kāi)了4～12.5Hz的人體敏感頻率。有以上分析可以看出該混合動(dòng)力客車模型以60km/h的速度在隨機(jī)路面上行駛具有良好的平順性，人體乘坐舒適性較好。

圖2 水平方向加速度功率譜密度曲線

圖3 垂直方向加速度功率譜密度曲線

（2）脈沖路面下平順性仿真。當(dāng)車輛駛過(guò)路面障礙物、減速帶、以及凸起或者凹坑時(shí)，車輛會(huì)受到來(lái)自路面的瞬時(shí)沖擊，這就相當(dāng)于路面對(duì)汽車實(shí)施了脈沖激勵(lì)。雖然該振動(dòng)沖擊的時(shí)間較短，但車身受到的瞬時(shí)沖擊較大，而且其沖擊大小和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)汽車的平順性和舒適性非常大的影響。本文根據(jù)GB/T4970-1996《汽車平順性隨機(jī)輸人行駛試驗(yàn)方法》使用三角形凸塊來(lái)模擬道路上的脈沖激勵(lì)，三角形高度為60mm、底邊長(zhǎng)400mm的凸塊。當(dāng)汽車以60km/h的速度駛過(guò)此凸塊時(shí)的車身垂直方向的加速度曲線如圖4所示。用同樣的方法仿真出車輛在速度為20km/h、40km/h、60km/h、80km/h和100km/h使通過(guò)凸塊時(shí)，車身位置處垂直加速度響應(yīng)曲線并轉(zhuǎn)換成垂向加速度響應(yīng)值Zmax如表1所示。根據(jù)ISO2631標(biāo)準(zhǔn)對(duì)平順性影響的評(píng)價(jià)方法：傳遞給乘員的最大加速度響應(yīng)絕對(duì)值超過(guò)43.02m/s2時(shí)將危害人體健康，低于31.44m/s2時(shí)對(duì)人體健康沒(méi)有危害。仿真結(jié)果顯示，該模型在常用車速下的最大加速度響應(yīng)值均小于31.44m/s2，說(shuō)明該車在脈沖輸入路面以100km/h以下速度行駛對(duì)人體健康沒(méi)有危害。

圖4 60km/h車身垂向加速度響應(yīng)

表1 不同車速下的Zmax（km/h）

4 結(jié)論

以上通過(guò)對(duì)該混動(dòng)客車整車虛擬樣機(jī)的仿真分析可以看出，該客車在車速為60km/h時(shí)行駛在隨機(jī)路面上具有良好的平順性；同時(shí)在車速低于100km/h時(shí)在脈沖路面激勵(lì)下對(duì)人體健康沒(méi)有危害，同樣具有較好平順性。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析可知，以上結(jié)果的產(chǎn)生是因?yàn)榛靹?dòng)客車的改裝使車輛的結(jié)構(gòu)發(fā)生一定變化，引起整車質(zhì)心高度下降，使平順性提高，但簧載質(zhì)量增加會(huì)引起對(duì)操縱穩(wěn)定性的變化。為了研究整車性能，在下一步研究中應(yīng)該對(duì)操縱穩(wěn)定性進(jìn)行響應(yīng)分析。

［1］劉世達(dá).基于虛擬樣機(jī)客車空氣懸架參數(shù)匹配研究［D］.沈陽(yáng):沈陽(yáng)理工大學(xué)，2013，5-15.

［2］吳然然，王繼先，馮能蓮，等.基于ADAMS的電動(dòng)客車平順性仿真分析［J］.機(jī)械工程師，2008(12):76-78.

［3］朱強(qiáng)，張悅.混合動(dòng)力客車獨(dú)立前懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與操穩(wěn)性仿真分析［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（7）：53-55.

［4］王望予.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京機(jī)械工業(yè)出版社，2005，178-234.

［5］張建輝.基于ADAMS的汽車操縱穩(wěn)定性研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

Analysis of Ride Com fort Simulation of Hybrid Electric Bus Air-suspension

LIU Shi-da，WANG Wei-dong，ZHANG qi
（Automobile Engineering Department of Dezhou College，Dezhou，Shandong 253023，China）

Air-suspension based on its advantages has good application prospect in the hybrid vehicle.This paper describes Hybrid electric bus virtula prototypemodel which is established bymulti-body dynamics simulation software ADAMS. And themodel is simulated and analyzed under pulse and random inputs.The results show that the Hybrid electric busmeets the requirements of ride comfort under pulse inputs and random inputs，and it provide a basis for further analysis.

air suspension；ADAMS；ride Comfort；simulation

U462.2+2

A

2095-980X（2015）08-0053-02

2015-06-19

德州學(xué)院科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目。

劉世達(dá)（1987-），男，山東菏澤人，助教，碩士，主要研究方向：汽車底盤懸架。