王昆，余英俊，袁紹華，袁紹顯

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215026）

某中型客車側(cè)傾問題分析

王昆，余英俊，袁紹華，袁紹顯

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215026）

建立客車側(cè)傾的數(shù)學(xué)模型，并利用所建立的模型對某中型旅行客車的側(cè)傾角進(jìn)行計(jì)算，最后就提高客車抗側(cè)傾能力的措施進(jìn)行分析。

中型客車；側(cè)傾問題；數(shù)學(xué)模型

客車側(cè)傾穩(wěn)定性是整車一項(xiàng)重要的性能部分，是影響其操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性和安全性的一項(xiàng)重要因素［1-2］。特別是山區(qū)行駛的旅行車和有人站立的城市客車對側(cè)傾安全性提出更高的要求。山區(qū)行駛的旅行車如果側(cè)傾穩(wěn)定性差很容易造成側(cè)翻事故，城市客車側(cè)傾穩(wěn)定性差，會使乘客感到極其不舒適。因此提高客車抗側(cè)傾能力是客車設(shè)計(jì)過程中要重點(diǎn)考慮的問題。本文針對客戶反映的我司某中型旅行客車在行駛過程中側(cè)傾穩(wěn)定性差，車輛在通過彎道轉(zhuǎn)向過程中側(cè)傾角度過大，如果車速過快存在側(cè)翻可能的問題，對該車型的側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)行研究，提出了相應(yīng)的解決方案。

1　存在的側(cè)傾問題

1.1整車主要參數(shù)及懸架結(jié)構(gòu)簡介

該中型客車相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1　某中型客車相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

該中型客車前后都裝配空氣彈簧非獨(dú)立懸架，其中前懸采用2個(gè)空氣彈簧，后懸采用4個(gè)空氣彈簧。由于空氣彈簧只能承受垂直載荷，所以空氣彈簧懸架必須裝備導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，前懸架采用縱向鋼板彈簧、橫向推力桿作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，后懸架采用縱向推力桿和橫向推力桿作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。前懸架結(jié)構(gòu)如圖1，后懸架結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1　前懸架基本結(jié)構(gòu)

圖2　后懸架基本結(jié)構(gòu)

1.2側(cè)傾模型的建立和側(cè)傾角的計(jì)算

評價(jià)汽車抗側(cè)傾能力的指標(biāo)是“在一定側(cè)向加速度或側(cè)向力的作用下，車身或簧載質(zhì)量相對地面的側(cè)傾角”；也可以用側(cè)傾阻抗或者側(cè)傾穩(wěn)定性系數(shù)來表示。本文采用前者評價(jià)指標(biāo)對此問題展開討論。

整車側(cè)傾力臂的簡化模型如圖3所示，由此可得側(cè)傾力臂［3］:

圖3　側(cè)傾力臂模型

簧上車身可以被視為剛體，并且前后懸架角剛度為并聯(lián)的，懸架為氣簧非獨(dú)立懸架，所以側(cè)傾角剛度Cφ為前后懸架的彈性元件、橫向穩(wěn)定桿、導(dǎo)向桿系等部件側(cè)傾角剛度的總和。

式中:CφA為彈性元件空氣彈簧角剛度；CφL為鋼板彈簧和穩(wěn)定桿角剛度；CφW為懸架車輪接地點(diǎn)的角剛度，對于車輪剛度較大者，例如客車，只需要計(jì)入懸架彈簧在車輪接地點(diǎn)的折算剛度CφW，不再計(jì)入輪胎的變形；CφLB為懸架導(dǎo)向臂與前軸的合成角剛度。

前懸架安裝鋼板彈簧與橫向穩(wěn)定桿各項(xiàng)參數(shù):彈性元件空氣彈簧角剛度CφA1=250 000 N·m/rad；鋼板彈簧與橫向穩(wěn)定桿角剛度CφL1=220 000 N·m/rad；前懸架非獨(dú)立懸架，車輪接地點(diǎn)的角剛度與橫向穩(wěn)定桿角剛度相等:CφW1=40 000N·m/rad；導(dǎo)向臂與前軸的合成角剛度CφLB1=30 000N·m/rad。

前懸架整體側(cè)傾角剛度:

后懸架只安裝橫向穩(wěn)定桿各項(xiàng)參數(shù):彈性元件空氣彈簧角剛度CφA2= 250 000 N·m/rad；橫向穩(wěn)定桿角剛度CφL2=180 000 N·m/rad；后懸架非獨(dú)立懸架，車輪接地點(diǎn)的角剛度與橫向穩(wěn)定桿角剛度相等:CφW1=70 000 N·m/rad；導(dǎo)向臂與前軸的合成角剛度CφLB2=50 000 N·m/rad。

后懸架整體側(cè)傾角剛度:

車輪接地點(diǎn)角剛度，對于非獨(dú)立懸架，其大小等于穩(wěn)定桿的角剛度。對于獨(dú)立懸架，其大小與穩(wěn)定桿角剛度滿足如下關(guān)系:

式中:B為輪距，L為穩(wěn)定桿兩端點(diǎn)間的中心距，d fb/d fw為在設(shè)計(jì)位置穩(wěn)定桿端點(diǎn)的位移與車輪接地點(diǎn)垂直位移的比值，既杠桿比。本文中研究的中型客車安裝的是非獨(dú)立懸架，所以車輪接地點(diǎn)的角剛度等于穩(wěn)定桿的角剛度。

懸架導(dǎo)向臂與前軸的合成角剛度，由于二者的彈性作用是串聯(lián)關(guān)系，其合成角度的計(jì)算公式為:

為了能方便地建立側(cè)傾角模型，設(shè)定汽車側(cè)傾時(shí)前后懸架的力矩中心不變，即整車的總側(cè)傾力矩中心位置不變，側(cè)傾時(shí)簧載質(zhì)量質(zhì)心繞這一點(diǎn)轉(zhuǎn)動。側(cè)傾力矩為簧載質(zhì)量質(zhì)心處的側(cè)傾慣性力和重力對力矩中心之和。又由于側(cè)傾角φ一般很小，根據(jù)側(cè)傾力矩、側(cè)傾角剛度和側(cè)傾角之間的關(guān)系［4］可得:

式中:φ為側(cè)傾角，R0為汽車質(zhì)心處轉(zhuǎn)彎半徑，v2/R0為汽車側(cè)向加速度。對于空氣懸架客車:高等級高速客車，一般低速客車，山區(qū)使用或者是乘客站立的城市客車［5］。

取側(cè)向加速ag=0.4 g，根據(jù)各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)和建立的側(cè)傾角計(jì)算模型，利用MATLAB軟件建立計(jì)算模型［6-7］如圖4所示。

圖4　 MATLAB計(jì)算模型

通過計(jì)算可得側(cè)傾角φ=6.505°＞6°，不能滿足一般低速客車的要求。接下來將探討通過那些措施可以提高整車側(cè)傾能力。

2　提高抗側(cè)傾能力的措施

從前面建立的側(cè)傾數(shù)學(xué)模型可以看出，提高整車側(cè)傾能力的主要可行措施是增加懸架剛度、減短側(cè)傾力臂和增大側(cè)傾角剛度［8-9］。

2.1增加懸架剛度

增加懸架剛度是降低整車側(cè)傾角的直接有效措施，但是并不能一味地增加懸架剛度。因?yàn)閼壹軇偠冗^大會直接影響到整車的平順性和舒適性。利用上文建立的模型，以前懸架為研究對象，通過計(jì)算可知當(dāng)前懸架剛度由Cφ=550 000 N·m/rad增加到Cφ=576 000 N· m/rad時(shí)側(cè)傾角φ=6°，這說明只有前懸架總側(cè)傾角剛度大于476 000N·m/rad才可以滿足整車側(cè)傾角小于6°的要求。在該種情況下計(jì)算懸掛加速度加權(quán)均方根值aw= 0.291m/s2＜0.615m/s2，懸掛加權(quán)加度度均方根值在小于0.315m/s2的情況下人體主觀感覺沒有不舒適感［4］。所以改變懸架剛度后能夠滿足整車平順性要求。

增大懸架側(cè)傾角剛度是防止整車側(cè)傾的有效因素。增大懸架側(cè)傾角剛度的方法有如下幾種:

1）為了增加側(cè)傾角剛度，可以優(yōu)先采用獨(dú)立懸架。常用的獨(dú)立懸架有雙橫臂、滑柱單臂、單縱臂、單橫臂、單斜臂。但是使用獨(dú)立懸架會提高整車的成本，所以獨(dú)立懸架大多使用在高一級的旅行車上。

2）對于空氣懸架可以使用C型梁或者井字梁將空氣彈簧布置在車輪前后位置，同時(shí)拉大左右空氣彈簧的距離。對于后懸架，應(yīng)該盡量采用兩個(gè)高度閥分別控制左右氣囊的高度，增大懸架的側(cè)傾角剛度。此外也可以采用具有較大剛度的柔性單縱臂或者鋼板彈簧導(dǎo)向臂來增大空氣懸架側(cè)傾角剛度。

3）加裝橫向穩(wěn)定桿，這是提高整車側(cè)傾角剛度保證整車行駛穩(wěn)定性最便捷和有效的方法。橫向穩(wěn)定桿一般優(yōu)先考慮加在前懸架，以便增大不足轉(zhuǎn)向特性。

4）對于空氣懸架，也可以加裝電控式空氣懸架系統(tǒng)（ECAS），在側(cè)向加速度達(dá)到一定數(shù)值后隔離左右氣簧，使之產(chǎn)生對應(yīng)的側(cè)傾角剛度。

最后，需要注意的是不能為了保證整車的側(cè)傾穩(wěn)定性，把側(cè)傾角剛度設(shè)計(jì)得很大。側(cè)傾角剛度太大，當(dāng)車輛行駛在不平路面時(shí)，平順性會變壞［10］，同時(shí)也降低了整車的舒適性。更甚者會使前后橋產(chǎn)生對扭，使車架和車身的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力變大，導(dǎo)致車輛的早期損壞，降低整車的使用壽命。

2.2減短側(cè)傾力臂

1）從側(cè)傾力矩的計(jì)算公式中可以看出，降低簧載質(zhì)心高度hs可以有效地減短側(cè)傾力矩，但是降低簧載質(zhì)心高度往往受到諸多不利因素的制約，例如:行駛于山區(qū)的客車對通過性提出一定要求，發(fā)動機(jī)前進(jìn)角和離去角都需要保持一定的大小，這樣底盤離地高度就受到了限制，勢必將抬高質(zhì)心高度，給質(zhì)心高度的降低帶來一定困難；發(fā)動機(jī)、變速器等動力部件是整車主要重力部件，但是為了保證發(fā)動機(jī)的安全，發(fā)動機(jī)油底殼必須保證一定的離地間隙，這也限定了質(zhì)心高度的有效降低；長途客車為了獲得較大的運(yùn)輸效益，基本會要求大的行李艙，大的行李艙必然會抬高車身高度，這也將會制約質(zhì)心高度的降低。所以降低整車質(zhì)心高度需要在多重因素下綜合考慮。

2）從側(cè)傾力矩計(jì)算公式中同時(shí)可以看出，提高前、后懸架力矩中心離地高度h1和h2，是減短側(cè)傾力臂的有效方法。利用所建立的側(cè)傾模型和選定的某8m客車各項(xiàng)參數(shù)可以得到前、后懸架力矩中心離地高度對側(cè)傾角影響的關(guān)系，如圖5所示。

圖5　前/后懸架力矩中心離地高度對側(cè)傾角的影響

提高前、后懸架力矩離地高度，對于獨(dú)立懸架，主要借助導(dǎo)向桿系的布置來實(shí)現(xiàn)，也就是使車輪接地點(diǎn)相對于車身的運(yùn)動軌跡呈“倒八字”，左右車輪接地點(diǎn)的約束反力合力作用線呈現(xiàn)“正八字”。其交匯點(diǎn)就是力矩中心應(yīng)盡量高一些，但是也不能太高，如果過高的話車輪斜度就會過大，勢必要造成輪距變化過大，同時(shí)車輪內(nèi)傾角和外傾角也將發(fā)生變化，最終使整車操縱穩(wěn)定性變壞，輪胎磨損加劇。一般希望獨(dú)立懸架的力矩中心位于地面之上，并不宜高過車輪半徑。對于非獨(dú)立懸架，主要借助于提高橫向受力元件的位置來實(shí)現(xiàn)。例如橫向推力桿布置得高一些，將鋼板彈簧布置在橋的上方。但是同樣不能布置得過高，如果過高的話，在不平路面上車軸產(chǎn)生較大的角位移時(shí)整車會承受較大的橫向沖擊力，從而降低了整車的穩(wěn)定性。

減短側(cè)傾力臂是提高整車抗側(cè)傾能力的有效措施，但是這需要從整車設(shè)計(jì)初期考慮，從整車設(shè)計(jì)的總布置階段就應(yīng)該考慮到該問題。對于整體設(shè)計(jì)已經(jīng)完成的車輛，改變懸架剛度是最方便和節(jié)約開發(fā)成本的方式。所以論文中所選車型建議采用更換大截面橫向穩(wěn)定桿增加懸架剛度的辦法來提高抗側(cè)傾能力。更改結(jié)果已經(jīng)在2.1中計(jì)算。

3　結(jié)束語

本文建立了客車側(cè)傾角模型，并利用建立的模型對某8m客車進(jìn)行側(cè)傾角的驗(yàn)證計(jì)算，同時(shí)提出改進(jìn)意見。最后基于建立的模型探討了影響側(cè)傾角的因素。本文的內(nèi)容將會對客車設(shè)計(jì)工作者提供一定的幫助和參考。關(guān)于提高整車側(cè)傾角剛度的辦法除本文論述的以外還有增加空氣彈簧垂直剛度［11］等，也有待于進(jìn)一步探討。

［1］王睿，李顯生，任園園，等.基于橫向載荷轉(zhuǎn)移量的客車側(cè)傾穩(wěn)定性分析［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，40（5）: 49-54.

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修改稿日期:2016-03-05

Analysison SideOverturning Problem for a Medium-sized Coach

Wang Kun，Yu Yingjun，Yuan Shaohua，Yuan Shaoxian
（HigerBusCompany Limited，Suzhou 215026，China）

The authorsdevelop amathematicalmodelof coaches'side overturning，and calculate the side overturning angle of amedium-sized coach based on the establishedmodel.Finally，theymake a analysison the improving measuresof the coach anti-sideoverturningability.

medium-sized coach；sideoverturning problem；mathematicalmodel

U462.3+3

A

1006-3331（2016）05-0023-04

王昆（1979-），男，工程師；主要從事客車底盤制造問題分析工作。