王東濤，李治國，陳 標

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲412000）

空氣懸架可以提高車輛乘坐舒適性、行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，可以減少車輛關(guān)鍵承載零部件的破壞以及車輛對路面的破壞[1]。但由于空氣懸架的剛度小，導(dǎo)致制動點頭量過大。

在汽車制動的過程中會出現(xiàn)前后軸載荷的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致車輛前后軸在縱向和側(cè)向的附著力發(fā)生明顯的變化[2]，會影響車輛的平順性也會造成乘員的乘坐舒適性明顯下降[3]。因此對控制車輛制動點頭量大小的研究就變得非常重要。由于空氣彈簧只能傳遞垂直載荷，汽車導(dǎo)向機構(gòu)主要是傳遞縱向力和橫向力[4]。較大的縱向力一般出現(xiàn)在加速或減速過程中，而空氣懸架對縱向力的傳遞效果體現(xiàn)在汽車加速抬頭量以及減速點頭量上[5]。目前，通過改變懸架導(dǎo)向機構(gòu)的布置來改善制動點頭性能的研究不乏有之。刑天偉等通過調(diào)整雙橫臂懸架導(dǎo)向機構(gòu)硬點的位置[6]，馮金芝等通過改善麥弗遜懸架的導(dǎo)向機構(gòu)硬點的布置[7]，都達到了提升車輛的制動點頭性能的目的。

本文運用ADAMS/Car建立某客車的精準模型，并通過整車制動仿真試驗中點頭量的變化情況，然后運用ISIGHT前后懸架的定位參數(shù)進行優(yōu)化，最后對前后懸架改進后的整車模型進行了平順性分析。

1 導(dǎo)向機構(gòu)布置對制動點頭性能的影響

汽車在制動工況下，前后懸架因負荷轉(zhuǎn)移使垂直力發(fā)生變化，導(dǎo)致懸架變形而使車身縱傾，即產(chǎn)生了制動點頭現(xiàn)象[8]。如果這種由垂直力的變化而造成的懸架的變形被水平地面制動力或驅(qū)動力所引起的懸架變形抵消，也就是這種懸架具有抗點頭的能力[9]。下面通過圖1定性和定量地分析導(dǎo)向機構(gòu)的布置對制動點頭性能的影響。

圖1 客車導(dǎo)向機構(gòu)簡圖

1.1 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)對制動點頭性能的定性分析

從受力的角度來看，制動力合力PF、PR對導(dǎo)向機構(gòu)瞬時回轉(zhuǎn)中心OFP、ORP的力矩越大，懸架的緩沖性越好，車身沖擊越小，平順性越好，但制動點頭性能較差。如果 PF、PR通過 OFP、ORP，懸架就具有 100%抗點頭能力，但一定不緩沖。

從力的傳遞路線來看，從質(zhì)心CG到旋轉(zhuǎn)中心Cp的力矩FP（hG-hP）是通過空氣彈簧的變形緩沖傳遞的。

這兩條通道傳遞載荷轉(zhuǎn)移力矩的分配取決于旋轉(zhuǎn)中心Cp轉(zhuǎn)的高度，而Cp又是通過前后懸架導(dǎo)向機構(gòu)的幾何布置來決定的。故前后懸架導(dǎo)向機構(gòu)的直接影響。

1.2 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)對制動點頭性能的定量分析

對前懸進行分析，不考慮非簧載質(zhì)量，假設(shè)制動的載荷轉(zhuǎn)移全部由導(dǎo)向機構(gòu)傳遞，由此得到的導(dǎo)向機構(gòu)的幾何條件稱為100%抗點頭的幾何條件。在此條件下，對瞬時回轉(zhuǎn)中心OFP求矩得。

ZFLFP-GFLFP-LFBOFP＝0

式中，ZF表示地面作用在前輪上的垂直作用力，為Ga（Lr/L+apha/gL）；GF表示態(tài)時前懸架的受力，其值為GaLR/L；FFB表示前輪地面制動力，其βGaap/g；ap表示縱向制動減速度；β表示制動力分配系數(shù)，其值為FFB/（FFB+FRB）。將各值帶入上式公式中整理得到前懸架100%抗點頭幾何條為：

tanβFP+HFP/LFP=hG/βL

同理，后懸架100%抗點頭幾何條件為：

tanβRB=HRP/LRP=hG/（1-β）L

由以上分析可以得出懸架的抗點頭能力的大小不僅與制動力的分配和質(zhì)心高度有關(guān)，而且還受導(dǎo)向機構(gòu)幾何布置的影響。綜上所述導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計的好壞直接影響整車制動點頭性能和平順性。

2 整車動力學(xué)模型的建立

目前空氣懸架的導(dǎo)向機構(gòu)主要有鋼板彈簧導(dǎo)向機構(gòu)、A形導(dǎo)向機構(gòu)、單（雙）縱臂導(dǎo)向機構(gòu)、多連桿導(dǎo)向機構(gòu)。本文中所研究的客車的前后懸架都采用四連桿式導(dǎo)向機構(gòu)。

此模型的幾何參數(shù)由廠家提供的圖紙獲得，質(zhì)量參數(shù)通過UG軟件測量得到，力學(xué)參數(shù)由廠家提供，利用Adams/Car進行參數(shù)化后的前后懸架動力學(xué)模型。

2.1 前懸架動力學(xué)模型

圖2為四連桿非獨立前空氣懸架的三維UG模型，圖3為其動力學(xué)模型圖，該懸架上面兩根縱向水平面成4°的推力桿，球頭軸線沿Z軸方向布置，下面布置兩根成V型的推力桿，球頭軸線沿Y軸布置。還有兩個空氣彈簧，兩根減震器，一根橫向推力桿。

圖2 前懸架三維UG模型

圖3 前懸架動力學(xué)模型

2.2 后懸架動力學(xué)模型

圖4為四連桿非獨立后空氣懸架的三維UG模型，圖5為其動力學(xué)模型圖，該懸架上面布置兩根成V型推力桿，下面布置兩根平行的縱向推力桿，球頭軸線都是沿著Y軸方向布置。還有4個空氣彈簧，4根減震器。

圖4 后懸架UG模型

圖5 后懸架動力學(xué)模型

2.3 整車動力學(xué)模型

在ADAMS/Car中將各個子系統(tǒng)以及試驗臺通過建立的輸入輸出通訊器匹配連接，通訊器正確匹配之后，集成得到整車動力學(xué)模型如圖6所示。

圖6 整車動力學(xué)模型

3 前后懸架導(dǎo)向機構(gòu)布置的優(yōu)化

本研究前后懸架推力桿硬點的布置對于整車制動點頭量的影響。

3.1 優(yōu)化基本過程

ISIGHT的試驗設(shè)計步驟：首先確定試驗計劃，定義試驗設(shè)計因子以及它們的屬性；選擇試驗設(shè)計方法；生成一個設(shè)計矩陣；執(zhí)行試驗得到試驗結(jié)果；最后通過分析試驗結(jié)果確定最終的優(yōu)化方案。

本研究基于ISIGHT平臺集成了ADAMS/Car和MATLAB軟件，實現(xiàn)推力桿布置的優(yōu)化。首先確定設(shè)計目標、設(shè)計變量、變量約束，然后進行試驗設(shè)計（DOE），得到減少對優(yōu)化目標影響小的設(shè)計變量。在此基礎(chǔ)上，使導(dǎo)向機構(gòu)硬點布置進行優(yōu)化計算，從而得到制動點頭量最小化。

3.2 前后懸架推力桿縱向布置靈敏度分析

通過對客車非獨立前后懸架導(dǎo)向機構(gòu)的研究分析，選擇可能對制動點頭的影響的參數(shù)為變量，選擇前后懸架V型、H型推力桿前端硬點Z向坐標設(shè)為變量，這樣就有8個設(shè)計變量，考慮到硬點是左右對稱的，所以這樣就可以合成四個設(shè)計變量。

對整車的制動點頭量的變化量在制動過程中的最小作為優(yōu)化目標，設(shè)計平臺如圖5所示?？梢缘玫?個變量對于目標函數(shù)靈敏度響應(yīng)圖，如圖6所示。

3.3 優(yōu)化變量的選擇

由靈敏度分析得出，選擇的4個變量對制動點量均有較大的影響，故把這4個硬點全部視為變量。由客車實際通過性的約束限制，取變量的范圍為Z坐標變化±20 mm.

3.4 設(shè)計目標

minf（x）=f（x1，x2，x3，x4）.

參考滿載情況下客車以70 km/h初始速度，0.4 g減速度進行制動仿真。以前懸架減振器、空氣彈簧上端點相對于下端點的位移變化量表示整車制動點頭量，并以其位移變化最小為目標。

3.5 導(dǎo)向機構(gòu)硬點的試驗設(shè)計結(jié)果

由設(shè)計變量和變量約束對設(shè)計目標進行優(yōu)化，得到前后懸架導(dǎo)向機構(gòu)優(yōu)化后的硬點布置，如表1所示。

表1 前后懸架導(dǎo)向機構(gòu)試驗設(shè)計前后的坐標

3.6 優(yōu)化前后的比較

制動仿真實驗可以研究汽車制動力拉力導(dǎo)致的抗點頭性能，采用優(yōu)化后得到的前后懸架的硬點坐標，以70 km/h初始速度，0.4 g的減速度做制動試驗得到結(jié)果如下圖所示，由圖7和圖8可知，z軸坐標改進后，前懸架的減振器、空氣彈簧上端點的位移變化大幅減少，說明優(yōu)化的效果良好。

圖7 減振器位移變化圖

圖8 空氣彈簧位移變化圖

4 整車平順性仿真驗證

從平順性試驗出發(fā)，驗證前、后懸架導(dǎo)向機構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果對整車平順性指標的影響程度，從而體現(xiàn)對前、后懸架導(dǎo)向機構(gòu)優(yōu)化的可信度。

為考慮導(dǎo)向機構(gòu)硬點的改變是否會影響整車的平順性。進行了整車滿載條件下，70 km/h，B路面上的平順性隨機輸入實驗，優(yōu)化前后駕駛員x，y，z方向加速度如圖9，圖10所示。

圖9 優(yōu)化前駕駛員x，y，z方向加速度

圖10 優(yōu)化后駕駛員x，y，z方向加速度

導(dǎo)向機構(gòu)硬點改進前后的駕駛員座椅和同側(cè)最后一排乘客座椅處的加速度對比[10]如表2所示，前、后懸架的推力桿硬點改進后，駕駛員座椅處的總加權(quán)有效值由原來的0.350 5 m/s2變化0.351 5 m/s2.

表2 優(yōu)化前后各加速度值對比

同側(cè)最后一排乘客座椅處的加速度由原來的0.405 3 m/s2變化到0.401 0 m/s2，可見兩者的變化在合理范圍內(nèi)。由此可見，改變前后懸架V型、H型推力桿前端硬點Z軸坐標對整車平順性沒明顯影響。

5 結(jié)論

（1）應(yīng)用多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件ADAMS/Car建立某客車的空氣懸架多體系統(tǒng)模型。

（2）對空氣懸架推力桿硬點布置進行了分析和優(yōu)化，結(jié)果表明：空氣懸架推力桿的硬點布置對制動點頭性能有有很大影響；空氣懸架推力桿硬點的優(yōu)化布置可以有效減小整車的制動點頭量。

（3）此方案中，采用優(yōu)化后的導(dǎo)向機構(gòu)硬點布置對整車平順性并沒有產(chǎn)生明顯影響。證實該調(diào)整是可行的。

（4）應(yīng)用虛擬樣機和試驗設(shè)計理論可以有效減少試驗次數(shù)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。