滕立杰

（上海錦奔汽車系統(tǒng)有限公司，上海 201322）

基于Adams_view微循環(huán)公交前獨立空氣懸架運動學分析

滕立杰

（上海錦奔汽車系統(tǒng)有限公司，上海 201322）

利用 ADAMS 搭建了微循環(huán)公交前獨立空氣懸架運動學仿真模型，并進行了運動學仿真分析，通過仿真分析，揭示了在懸架運動過程中懸架定位參數(shù)的變化規(guī)律，并優(yōu)化該懸架前束角設計方案，為同類型空氣彈簧前懸架系統(tǒng)設計時提供了參考。

微循環(huán)公交；獨立空氣懸架；運動學仿真；優(yōu)化

前言

微循環(huán)公交是在解決城市區(qū)域或社區(qū)"最后一公里”公共交通的背景下應運而生,作為城市公共交通的一種，微循環(huán)公交填補了常規(guī)公交、快速公交和軌道交通等大型公共交通的空白[1]，極大地改善了居民的短距離出行環(huán)境，細化了公共交通網(wǎng)絡，使得居民選擇公共交通的出行方式的比例上升，因此得到越來越多的重視。

微循環(huán)公交車一般車身長度在6、7米左右，同時為了可以在一些狹窄街道行駛，車身寬度較窄，轉(zhuǎn)彎半徑要盡量小，這些特點就為懸架設計帶來新的課題，在保證懸架外寬和通道寬度的前提下，使的懸架的運動學特性在理想范圍內(nèi)變動，同時要求車輪內(nèi)外轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)，車輪轉(zhuǎn)角角度盡量大。因此在獨立空氣懸架系統(tǒng)設計中，轉(zhuǎn)向橫拉桿斷點位置的確定對懸架定位參數(shù)和車輪內(nèi)外轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)性有很大影響。

1 空氣懸架仿真模型的建立

前獨立空氣懸架的結(jié)構(gòu)形式是：雙橫臂臂導向機構(gòu)，方向機布置在中間的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，空氣彈簧安裝在支座上方，氣囊上方與車架相連，減震器安裝在支座下方，減震器上端與車架相連。

1.1 空氣彈簧模型的建立

獨立空氣懸架的設計載荷為 3500kg，選擇康迪公司的819N系列氣囊，初始安裝高度為223mm。建立空氣彈簧模型，根據(jù)康迪公司提供的819N氣囊特性曲線圖輸入動剛度曲線。819N氣囊特性曲線圖如圖1所示。

圖1 空氣彈簧特性曲線

1.2 減震器模型的建立

減振器采用的是SACHS 3298液壓筒式減振器。下表為此款減震器的阻尼力-速度特性曲線表示的。

表1 減震器的阻尼力-速度特性表

1.3 橡膠球鉸模型的建立

空氣懸架中的雙橫臂通過橡膠球鉸與車架連接。橡膠球鉸在懸架中的主要作用（1）傳遞縱向力、側(cè)向力和制動力[2]；（2）在懸架相對車身跳動過程中吸收部分的扭轉(zhuǎn)振動；（3）在很大程度上關系著懸架參數(shù)的準確性。此懸架中所使用的橡膠球鉸相關技術參數(shù)如表2所示。

表2 橡膠球鉸剛度特性表

根據(jù)上述參數(shù)及懸架硬點建立微循環(huán)公交前獨立空氣懸架虛擬樣機如圖2所示。

圖2 空氣彈簧獨立懸架虛擬樣機

2 獨立懸架運動學仿真分析

懸架的運動學特性在實際運用中首先反映在車輪的定位參數(shù)的變化上。前輪定位參數(shù)影響到多種汽車性能，這其中關系比較緊密性能包括汽車行駛穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)、轉(zhuǎn)向回正性、轉(zhuǎn)向輕便性、制動穩(wěn)定性和輪胎的磨損等。因此分析懸架定位參數(shù)的變化規(guī)律是對懸架的評價及改進設計的基礎。

利用上面建立的微循環(huán)公交的前獨立空氣懸架運動學仿真模型，以文獻[3]中使用數(shù)學方法為基礎進行懸架跳動的仿真分析，以下是對獨立空氣懸架定位參數(shù)的變化進行研究分析。初始獨立空氣懸架定位參數(shù)如表3所示。

表3 獨立空氣懸架初始定位參數(shù)表

2.1 前輪外傾角

汽車作曲線行駛時，車輪會隨著車身一起側(cè)傾，承載較高的一側(cè)車輪會相對地面的傾角會加大，從而導致該側(cè)車輪的側(cè)偏性能降低。為保證輪胎的側(cè)偏性能，懸架設計要求車輪外傾角在上跳時向負向變化，而下落時向正向變化，使汽車行駛過程中的車輪盡可能垂直于路面，并控制其變化量。若前輪外傾角的變化較大，不但會影響汽車直線行駛的穩(wěn)定性，同時也會加劇輪胎的磨損。從圖3所示的仿真結(jié)果可以看出，本獨立空氣懸架滿足這種變化趨勢，車輪跳動量為±50mm的行程內(nèi)，前輪外傾角的變化范圍為0.65°～1°。

圖3 前輪外傾角隨車輪跳動的變化

2.2 前輪前束角

前束的作用主要是彌補外傾角所帶來的不利影響，減少輪胎的磨損[4]。前獨立空氣懸架設計時要求上跳時要求前輪前束的變化范圍盡量小，下落時前束變化范圍可略微變大。這樣的設計目的可以使車輛的直線行駛穩(wěn)定性不收到影響，同時也不會加大輪胎與地面之間的滾動阻力。車輪前束可以減少車輪外傾角所帶來的不利影響，減少輪胎的磨損。由圖4可以看出，上跳行程中前束角在-0.1°～0.35°之間變化，變化范圍不是很理想，需要繼續(xù)優(yōu)化。

圖4 前輪前束角隨車輪跳動的變化

2.3 主銷后傾角

圖5 主銷后傾角隨車輪跳動的變化

主銷后傾角可以為汽車提供回正力矩。懸架設計中，一般要嚴格控制后傾角在車輪上下跳動過程中變化量，以免在載荷發(fā)生變化時出現(xiàn)回正力矩劇烈變化的現(xiàn)象，這樣會使轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生擺動，影響汽車的操縱性能。一般要求在車輪上跳時后傾角有稍微增大的趨勢，這樣可以減輕制動時后傾角減小的帶來的不利影響。從圖5來看，主銷后傾角在車輪上跳過程中有增大的趨勢，在 -2.5°～-2.505°之間變化，變化范圍很小。

2.4 主銷內(nèi)傾角

主銷內(nèi)傾有利于減小主銷橫向偏移距，可以使汽車轉(zhuǎn)向回正，并且轉(zhuǎn)向輕便。但是主銷內(nèi)傾角不宜設計過大，否則當汽車進行轉(zhuǎn)向動作時，輪胎與路面之間會產(chǎn)生相對位移，增大了路面與輪胎之間的摩擦阻力，這樣不但加劇了輪胎的磨損，而且還使轉(zhuǎn)向發(fā)沉。由圖6可知，車輪跳動±50mm的行程內(nèi)，主銷內(nèi)傾角的變化范圍為：8.0°～8.36°，曲線變化比較平緩。

圖6 主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動的變化

2.5 輪距變化量

在獨立空氣懸架的設計過程中，要求盡量控制輪距的變化量，第一可以減少輪胎磨損，特別是在車輪上跳過程中，施加在輪胎上的負荷會增加很多，輪距變化過大會加劇輪胎的磨損。而在下跳時，由于輪胎上負荷相對會減小很多，輪距變化量可適當寬松些，這樣仍可保證適當?shù)妮喬勖?。第二可以提高汽車直線行駛能力和操縱穩(wěn)定性。一般要求車輪跳動±40 mm 時，輪距變化為- 10～10 mm[5]。如圖7所示，該懸架滿足車輪上跳時輪距增加趨勢的要求，車輪上跳至+40mm時，單側(cè)輪距的變化量為：2.34mm。

圖7 單側(cè)輪距隨車輪跳動的變化量

3 轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點位置對懸架定位參數(shù)的影響

從上面的仿真結(jié)果可知，懸架定位參數(shù)對整車的操控性能、舒適性能、安全性能等有著很大的影響，為了使定位參數(shù)變得更加理想，需要對獨立空氣懸架的相關結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整。由于上述分析中，車輪前束角變化趨勢不太理想，因此本文針對對轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點A點位置（圖8所示）改變后引起的前束角變化進行了對比分析，以便找到滿足前束角設計要求的斷開點位置。

圖8 轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點位置

3.1 優(yōu)化設計方案

從理論上來說，斷開點的最佳位置應使車輪在跳動過程中繞主銷的擺動量最小[6]。由于轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點位置在 X軸（行駛方向）和Y軸（軸向方向）坐標涉及車輪轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào)性，因此此優(yōu)化方案主要是調(diào)整轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點Z軸（高度方向）坐標，優(yōu)化設計方案如表4所示。

表3 方案列表

3.2 前輪前束角的變化趨勢

依次按照上述方案設置斷開點Z軸坐標在Adams軟件中進行仿真分析，得到前束角在不同方案中的曲線，如圖9所示。從圖中可以看出，5種方案下前束角的變化趨勢都是一致的，車輪下跳時增加，車輪上跳時減小。但綜合來分析，方案4為最佳方案，懸架上跳50mm時，方案4為-0.019°，方案5為-0.0191°，在下跳50mm時，方案4為-0.16°，方案5為-0.21°。因此從綜合考慮應選擇方案4。

通是經(jīng)過對比分析，A點Z軸坐標的調(diào)整對車輪外傾、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、輪距等定位基本沒有影響。

圖9 不同坐標下前束角變化曲線

4 結(jié)論

（1）根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此微循環(huán)公交獨立空氣懸架的車輪上下跳動過程中，定位參數(shù)的變化趨勢是比較理想的，滿足獨立空氣懸架的設計要求。

（2）在此懸架上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點位置對前束角的變化影響很大，對車輪外傾、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、輪距等基本沒有影響。由于希望車輪跳動時，前束角變化范圍要小，經(jīng)過綜合對比分析方案4最為理想。

[1] 武苗苗. 城市微循環(huán)公交客流特性分析及站點規(guī)劃方法研究.長安大學,2014.

[2] 史文杰等.基于 Adams_car的低地板客車前獨立懸架系統(tǒng)設計與研究.機械設計與制造,2008（05）.

[3] 戴旭文等.汽車雙橫臂獨立懸架的運動學分析和計算.車輛與動力技術,2002( 02) .

[4] 金敘龍等.雙橫臂獨立懸架運動特性分析.汽車技術,2001(04) .

[5] 崔云霞等.基于ADAMS的大型客車空氣彈簧前懸架仿真分析與比較. 汽車技術,2007(01) .

[6] 許景然等.懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的協(xié)調(diào)設計.輕型汽車技術,2007（05）.

Kinematic analys of independent front suspension with air spring model of mini bus based on Adams/view

Teng Lijie
( Shanghai Jinben Automotive systems Co., Ltd, Shanghai 201322 )

The independent front suspension with air spring model of a mini bus was built by using ADAMS software .then the kinematics simulation was performed. The change regulation of the kinematic characteristic parameters was uncovered in the process of the suspension motion through the kinematics simulation, and optimize the toe - in angle. supply the design reference for the same front suspension with air spring.

Mini bus; Independent suspension with air spring; Kinematics simulation; Optimization

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-186-03

U461.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-186-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.062

滕立杰，助理工程師，就職于上海錦奔汽車系統(tǒng)有限公司。研究方向：空氣懸架。