張秋芳，何文彪，馮春華，吳紀剛

（中國公路車輛機械有限公司，北京　102600）

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7m客車用獨立前空氣懸架的設(shè)計開發(fā)

張秋芳，何文彪，馮春華，吳紀剛

（中國公路車輛機械有限公司，北京102600）

摘要：介紹一種雙橫臂式獨立前空氣懸架的設(shè)計開發(fā)，用于7m左右的中小型客車。可解決其在發(fā)動機前置時，底盤空間狹小、布置獨立懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)困難的技術(shù)問題。此獨立前懸采用支撐臂上匹配氣囊減振器的結(jié)構(gòu)，目前在國內(nèi)中小型客車上尚無此類產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：7 m客車；發(fā)動機前置；獨立前空氣懸架；雙橫臂式

Design and Development of Independent Front Air Suspension for 7 m Coach

Zhang Qiufang, He Wenbiao, Feng Chunhua, Wu Jigang
（China Highway Vehicle &Machinery Co., Ltd, Beijing102600，China）

對于中小型客車，為了讓前后軸荷均衡，改善車輛高速行駛時的操縱穩(wěn)定性，一般都要求發(fā)動機前置。這對于需要連接輪胎和車身的懸架而言，布置空間非常狹小。尤其是獨立懸架，因為每個轉(zhuǎn)向輪分別相對于車架作獨立運動，而斷開式轉(zhuǎn)向橋與車架的連接都需要一個過渡臂，在底盤布置均需要一定的空間，很難實現(xiàn)[1]?；谝陨洗嬖诘姆N種困難，目前國內(nèi)的中小型客車上用的獨立懸架常以扭桿彈簧為減振彈性元件，而其減振性能沒有空氣彈簧好。另外，由于采用虛擬主銷技術(shù)，轉(zhuǎn)向節(jié)等均為進口，成本偏高。所以市場迫切需要一種新型的國產(chǎn)獨立懸架替代進口的扭桿式獨立懸架。

1　參數(shù)設(shè)計及仿真分析

該獨立懸架包括輪邊總成、懸架系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三個部分。懸架系統(tǒng)采用雙氣囊雙減振器的結(jié)構(gòu)，主銷后傾角及內(nèi)傾角均集成于懸架系統(tǒng)上；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用斷開式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)組成如圖1所示[2-4]，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　技術(shù)參數(shù)

圖1　獨立懸架系統(tǒng)組成

本懸架設(shè)計的車橋動行程為上跳80 mm、下跳80 mm，獨立懸架簡化模型如圖2所示；采用Adams軟件進行運動仿真分析的建模如圖3所示。根據(jù)通用汽車實驗規(guī)程，在獨立懸架簡化模型車輪部位添加豎直方向的直線驅(qū)動，驅(qū)動函數(shù)為Displacemen（tTime）=80*sin(360 d*time)。

圖3　運動仿真模型

仿真分析的結(jié)果見圖4-圖8[5-9]。

1）主銷內(nèi)傾角β0。在獨立懸架設(shè)計時，希望在車輪跳動過程中，主銷內(nèi)傾角的變化量不要太大。由圖4主銷內(nèi)傾角β0隨車輪跳動的變化曲線可知：車輪上跳80 mm時，Δβ1=8.09°-7.5°=0.59°；車輪下跳80 mm時，Δβ2=8.04°-7.5°=0. 54°。

主銷內(nèi)傾角增加值較小，相應的主銷偏移距減小，對整車性能影響趨于良好。

圖4　主銷內(nèi)傾角β0變化曲線

2）主銷后傾角γ0。主銷后傾角應保證車輪具有合適的回正力矩。一般不希望后傾角在車輪上下跳動過程中出現(xiàn)大的變化，以免在載荷變化時出現(xiàn)回正力矩過大或過小的現(xiàn)象，使操縱性能惡化。由圖5主銷后傾角γ0隨車輪跳動的變化曲線可知：車輪上跳80 mm時，Δγ1=2.5°-2.503 5°=-0.003 5°；車輪下跳80 mm時，Δγ2=2.5°-2.503°=-0.003°。

無論是上跳還是下跳，主銷后傾角都是逐漸增加且變化量不大。這表明此獨立懸架在車輪跳動過程中，車輛的轉(zhuǎn)向輕便性和高速直線行駛穩(wěn)定性得到了較好的協(xié)調(diào)。

圖5　主銷后傾角γ0變化曲線

3）前輪外傾角α0。由圖6前輪外傾角α0隨車輪跳動的變化曲線可知：車輪上跳80 mm時，Δα1=1°-0.43° =0.57°；車輪下跳80 mm時，Δα2=1°-0.49°=0.51°。

此數(shù)據(jù)顯示外傾角的變化有利于減小輪胎磨損。變化量和變化趨勢對整車的直線行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)彎時的操縱穩(wěn)定性也是比較理想的。

圖6　前輪外傾角α0變化曲線

4）前輪前束角θ0。為了確保良好的直行穩(wěn)定性，希望前輪上跳時前束呈弱負變化，同時為了減少輪胎磨損，要求前束的變化值趨于弱小為好[10]。由圖7前輪前束角θ0的變化曲線可知：車輪上跳80 mm時，Δθ1=0°-（-0.41°）=0.41°；車輪下跳80 mm時，Δθ2=0°-（-0.09°）=0.09°。前束值變化趨勢良好。

圖7　前輪前束角θ0變化曲線

5）輪胎滑移量d。輪胎滑移是導致輪胎發(fā)生磨損的重要原因。實際工況中車輪向上跳動的概率要大于向下跳動的概率。由圖8單側(cè)輪胎滑移量d隨車輪跳動的變化曲線可知：車輪上跳80 mm時，Δd1=6.7 mm；車輪下跳80 mm時，Δd2=5.9 mm。極限跳動狀態(tài)輪胎滑移量變化較小，特別是在車輪上跳工況時較小，變化趨勢有利于減少輪胎磨損。

2　干涉校核及裝車試驗

轉(zhuǎn)向干涉校核模型采用Solidworks建模，如圖9所示。圖9中雙點劃線為轉(zhuǎn)向節(jié)臂前端的球銷點受轉(zhuǎn)向橫拉桿牽動時的運動軌跡，半徑為左轉(zhuǎn)向橫拉桿的長度。運動仿真的初始條件為固定懸架的上、下擺臂車架連接端，并處于水平狀態(tài)。在此簡化模型主銷部位添加豎直方向的直線驅(qū)動馬達，驅(qū)動輸入數(shù)據(jù)為Akima樣條曲線（圖10），用于模擬車輪隨時間勻速上下跳動（車橋跳動量±80 mm）[11]。

圖9　轉(zhuǎn)向干涉校核模型

圖10　　fgdfgdfAkima樣條曲線

圖11為車輪跳動時轉(zhuǎn)向節(jié)臂前端的球銷點水平方向的位移結(jié)果。由曲線可知，車輪上跳80 mm時，水平方向位移D1=8.45 mm；下跳80 mm時，水平方向位移D2= 9.06 mm。

圖11　轉(zhuǎn)向節(jié)臂點水平位移變化曲線

另外，圖9同時也簡單示意了轉(zhuǎn)向節(jié)臂前端的球銷點受轉(zhuǎn)向橫拉桿的牽引時水平方向的位移，車輪上跳和下跳80 mm時，水平方向位移均為D=8.1mm。

綜上所述，可計算出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與導向機構(gòu)干涉量如下：

車橋上跳時，轉(zhuǎn)向干涉量ΔD1=D1-D=8.45-8.1= 0.35 mm；車橋下跳時，轉(zhuǎn)向干涉量ΔD2=D2-D=9.06-8.1 =0.96 mm；轉(zhuǎn)向干涉量均非常小，性能優(yōu)良。

本文設(shè)計的獨立前空氣懸架在某主機廠進行了實際裝車，與此前懸架匹配的后懸架為板簧結(jié)構(gòu)。裝車后的四輪定位參數(shù)檢測的結(jié)果未完全達到設(shè)計狀態(tài)，有少許的偏差。通過初步試車，實驗人員的反饋是高速穩(wěn)定性整體不錯，轉(zhuǎn)向手感明顯；高速回正尚可，但低速回正欠佳；轉(zhuǎn)向空行程稍微偏大，轉(zhuǎn)向桿系球鉸摩擦以及方向機的參數(shù)匹配等對它都有一定的影響。

總體來說，此次試車情況尚可，如果懸架裝車后的參數(shù)能完全達到設(shè)計狀態(tài)，并在滿載的情況下，整車的懸架性能應該能達到優(yōu)良水平。由于主機廠生產(chǎn)進度調(diào)整的原因，目前此車尚未進行正式路試。

3　結(jié)束語

本文通過利用三維軟件建立懸架模型進行虛擬樣機的運動仿真，對輸出結(jié)果進行分析，并進行實際裝車試驗，全面介紹了7 m客車用獨立前空氣懸架的設(shè)計開發(fā)過程。本文所述的獨立前空氣懸架具有以下幾個優(yōu)點：采用空氣懸架系統(tǒng)，氣囊承載，舒適性能好；氣囊、減振器均位于大梁外側(cè)，布置緊湊；主銷后傾角及內(nèi)傾角均集成于懸架系統(tǒng)上，裝配難度降低，結(jié)構(gòu)簡單；所有零部件均為國內(nèi)生產(chǎn)采購，成本低廉；采用斷開式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能適應發(fā)動機前置。

參考文獻：

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2]劉惟信.汽車設(shè)計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[3]郭孔輝.汽車操縱穩(wěn)定性[M].長春：吉林人民出版社，1983.

[4]初亮，彭彥宏，魯和安，等.雙橫臂獨立懸架轉(zhuǎn)向梯形斷開點位置的優(yōu)化及分析[J].汽車工程，1998（3）：176-182.

[5]胡寧，鄭冬黎.雙橫臂獨立懸架運動學分析[J].汽車工程，1998（6）：29-33.

[6]上官文斌，黃虎.多剛體系統(tǒng)動力學在雙橫臂懸架運動學分析中的應用[J].汽車技術(shù)，1990（9）：15-21.

[7]張景騫，毛明.輪式車輛雙橫臂獨立懸架的運動優(yōu)化設(shè)計[J].汽車工程，1997（3）：180-185.

[8]馬昌友.汽車雙橫臂獨立懸架運動分析和最佳設(shè)計探討[J].客車技術(shù)與研究，1999，23（1）.

[9]盛鵬程,簡曉春.基于ADAMS的轉(zhuǎn)向輕便性與轉(zhuǎn)向回正性的合理匹配[J].機械與電子，2008（4）：71-73.

[10]孔明樹.解放牌CA10B型汽車前輪前束的改進[J].汽車技術(shù)，1986（3）.

[11]詹迪維.SOLIDWORKS2013機械設(shè)計教程[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

修改稿日期：2015-07-06

作者簡介：張秋芳（1983-），女，碩士；機械工程師；主要從事客車用空氣懸架的設(shè)計開發(fā)。Abstract: The authors describe the design and development of double wishbone independent front air suspension for 7 mcoaches. This can solve the technique problems that the chassis space is narrow, the arrangement ofindependent suspension and steering system are difficult. This independent front suspension uses a structure of air spring and shock absorber mounted on the support arm, which is presentlyrare tobe found in middle and small-sized coaches. Keywords: 7 mcoach; engine front-mounted; independent front air suspension; double wishbone

中圖分類號：U463.33+1

文獻標志碼：B

文章編號：1006-3331（2016）01-0020-03