莫榮福，陳超，彭友余，李玉寶，劉望東

某重型卡車全浮式駕駛室懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

莫榮福1，陳超2，彭友余2，李玉寶1，劉望東1

（1.北京北方凌云懸置系統(tǒng)科技有限公司湘潭分公司，湖南 湘潭 411100；2.中國北方車輛研究所，北京 100072）

結(jié)合整車對全浮式駕駛室懸置系統(tǒng)的總體要求，利用理論計(jì)算、動(dòng)力學(xué)仿真、有限元分析等方法進(jìn)行各種工況模擬以及懸置性能分析，確保懸置系統(tǒng)各方面滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際樣車在不同路況、速度下驗(yàn)證了懸置系統(tǒng)隔振率、平順性、可靠性滿足設(shè)計(jì)要求。通過對設(shè)計(jì)過程的總結(jié)，形成了一套駕駛室懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、明確了性能評價(jià)指標(biāo)和相關(guān)試驗(yàn)要求。

全浮式駕駛室懸置系統(tǒng)；可靠性；隔振率；平順性

前言

駕駛室懸置系統(tǒng)是重卡上連接駕駛室與車架的重要部件。其部件分為3類：（1）性能部件為彈性元件與減振元件。彈性元件主要起支撐作用，主要的類別有：橡膠墊（兼起減振作用）、鋼板彈簧、螺旋彈簧、空氣彈簧等。減振元件是指提供阻尼力并衰減振動(dòng)的部件，主要為筒式減振器。（2）結(jié)構(gòu)件種類較多，有鑄造件、鈑金件、銷軸類零件、非金屬件等。這類部件主要需要起承載和鏈接作用，要求在整車使用壽命中不能發(fā)生斷裂和其他任何形式的破壞。（3）輔助部件，包括液壓鎖、油管、氣管、電纜線等輔助部件。

駕駛室懸置的主要功能為：支承作用，承受駕駛室及乘員在靜態(tài)或各個(gè)工況下的質(zhì)量。引導(dǎo)作用，通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)約束駕駛室的各方向運(yùn)動(dòng)。隔振作用，衰減路面不平激勵(lì)等對駕駛室的振動(dòng)和沖擊。翻轉(zhuǎn)作用，在舉升缸作用時(shí)，通過集成在前懸置上的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)駕駛室的翻轉(zhuǎn)。

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及道路條件的改善，長途物流業(yè)逐漸繁榮起來。由于行駛時(shí)間長，顧客對重型卡車舒適性和可靠性都提出了更高的要求。近年來，在長途物流中使用最多的牽引車中，全浮式駕駛室懸置系統(tǒng)成了標(biāo)準(zhǔn)配置，相對于半浮式駕駛室懸置，其對舒適性的提高已經(jīng)過實(shí)踐論證。本文論述的即為某重型卡車廠全浮式螺旋彈簧駕駛室懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 駕駛室懸置系統(tǒng)總體指標(biāo)

駕駛室懸置系統(tǒng)作為整車的重要組成部分，其各項(xiàng)性能指標(biāo)的確定非常關(guān)鍵。其具體指標(biāo)主要有八項(xiàng)：

（1）可靠性：結(jié)構(gòu)件全壽命100萬公里，易損件要求2年或20萬公里（以先到為準(zhǔn)）；

（2）平均首次故障里程（MTTF）：1.2萬公里；

（3）側(cè)傾剛度：≤2.5°/g（全?。?，≤2.0°/g（半浮）；

（4）俯仰剛度：≤3.0°/g（全?。?，≤2.5°/g（半浮）；

（5）翻轉(zhuǎn)角度：70°；垂向頻率：1.5～3.0Hz；

（6）環(huán)境工作溫度：-35℃～80℃；

（7）垂直跳動(dòng)量：前懸：65mm；（上/下：30mm/35mm）；后懸：60mm；（上/下：30 mm/30 mm）；

（8）依據(jù)GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》[1]通過減速帶、高速路面、砂石路面三種路面在各速度下測試，均不能出現(xiàn)不舒適狀態(tài)。

2 前后懸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)總體邊界條件以及懸置系統(tǒng)各方向跳動(dòng)、翻轉(zhuǎn)所需空間設(shè)計(jì)懸置系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)?；驹瓌t為結(jié)構(gòu)可靠、輕量化、布置合理，且經(jīng)過運(yùn)動(dòng)學(xué)校核能達(dá)到翻轉(zhuǎn)角度要求。具體結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 前懸結(jié)構(gòu)

圖2 后懸結(jié)構(gòu)

3 前后懸載荷分配與垂向頻率計(jì)算

依據(jù)駕駛室質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)、乘員位置、懸置布置位置等參數(shù)，計(jì)算出前后懸置載荷分配，并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取前后懸置剛度參數(shù)后，得出駕駛室空載和乘坐兩人狀態(tài)下的垂直頻率以及載荷分配，其中每人按80kg計(jì)算。

表1 駕駛室參數(shù)

如圖3所示，根據(jù)系統(tǒng)坐標(biāo)系及懸置布置位置，建立系統(tǒng)計(jì)算簡圖。如圖4所示，考慮到駕駛室懸置左右兩側(cè)是沿汽車縱向中心平面對稱布置，駕駛室質(zhì)心也基本位于中心平面附近，可以近似簡化為平面模型。前、后懸置支撐點(diǎn)均為鉸接形式。

根據(jù)力和力矩平衡原理，建立力和力矩平衡公式，可得到空載狀態(tài)下的前、后懸置上質(zhì)量（kg）。

式中：M1為前懸分配質(zhì)量；M2為后懸分配質(zhì)量；M0為駕駛室質(zhì)量。

滿載狀態(tài)下，增加兩乘員重量即可，前后懸載荷分配同理可得。

圖3 整車坐標(biāo)系的定義與懸置布置位置

圖4 駕駛室懸置系統(tǒng)載荷計(jì)算簡圖

根據(jù)類似結(jié)構(gòu)，前懸選取減振器彈簧剛度為50N/mm，后懸選取剛度為38N/mm。根據(jù)固有頻率的計(jì)算公式確定前、后懸置的剛度，固有頻率的計(jì)算公式[2]：

式中：N為固有頻率，Hz；K為懸置剛度，N/m；M為懸置質(zhì)量，kg。

從前面的公式和參數(shù)，可以計(jì)算得到表2所示結(jié)果：

表2 駕駛室懸置系統(tǒng)質(zhì)量、剛度、頻率參數(shù)表

4 駕駛室與懸置系統(tǒng)性能仿真計(jì)算

根據(jù)駕駛室懸置系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)以及各項(xiàng)參數(shù)建立動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖5所示，需進(jìn)行如表3所示工況分析：

表3 駕駛室懸置系統(tǒng)仿真工況

動(dòng)力學(xué)仿真模型輸入主要參數(shù)為橡膠襯套剛度、穩(wěn)定桿總成扭轉(zhuǎn)剛度、彈簧剛度與減振器阻尼、限位行程、舉升缸布置位置及其伸長量、駕駛室質(zhì)量質(zhì)心以及懸置系統(tǒng)具體布置硬點(diǎn)等。圖6、圖7為橡膠襯套各方向剛度參數(shù)，其中參數(shù)的坐標(biāo)系與整車坐標(biāo)一致。

圖6 后橡膠襯套徑向垂直剛度

通過動(dòng)力學(xué)仿真分析主要需要得到以下參數(shù)：

側(cè)傾剛度、俯仰剛度、駕駛室質(zhì)心翻轉(zhuǎn)軌跡、各零件不同工況所受載荷、各方向頻率。

圖7 后橡膠襯套徑向水平剛度

以上數(shù)據(jù)的得出能綜合判斷駕駛室結(jié)合懸置系統(tǒng)的各項(xiàng)性能以及翻轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)情況。圖8、圖9為通過仿真分析得到的部分結(jié)果。

圖8 翻轉(zhuǎn)角度變化曲線

圖9 駕駛室側(cè)傾剛度曲線

通過圖8分析，駕駛室翻轉(zhuǎn)到55°～70°之間有一定沖擊，但能翻轉(zhuǎn)到70°。通過圖9分析，駕駛室側(cè)傾剛度為0.56°/g，滿足側(cè)傾要求。其余參數(shù)的分析不再詳細(xì)列出，都可根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真模型得到。

圖10 前懸上支架沖擊工況應(yīng)力分析結(jié)果

通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算懸置系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，之后需要進(jìn)行各工況下零部件的受力情況進(jìn)行分析，即將動(dòng)力學(xué)仿真中獲取的各工況下的載荷施加到單個(gè)零部件的連接進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。表4為側(cè)傾工況下分解到前懸各零部件的載荷。圖10為沖擊工況下前懸上支架有限元分析結(jié)果。通過對懸置結(jié)構(gòu)件的有限元計(jì)算，零件滿足各工況下的強(qiáng)度要求。

表4 側(cè)傾工況下前懸各部件載荷

5 樣車試驗(yàn)測試

樣車制造出來后，需要進(jìn)行可靠性和平順性兩方面的測試，圖11～圖12分別為懸置系統(tǒng)裝在實(shí)車上示意。

圖11 前懸整車裝配圖

圖12 后懸整車裝配圖

可靠性試驗(yàn)在安徽定遠(yuǎn)試驗(yàn)場開展，累計(jì)完成30000km的實(shí)車驗(yàn)證，具體分配里程見表5。

表5 定遠(yuǎn)試驗(yàn)場可靠性試驗(yàn)里程分配表

定遠(yuǎn)試驗(yàn)場綜合強(qiáng)化壞路面包括塊石路、水泥平路、小鵝卵石路、搓板路、魚鱗坑、異性坑、方坑、比利時(shí)路、短波路、長波路、顛簸路、跳動(dòng)路、彎道、陡坡、扭曲路（小）、減速坎、鐵道路口等，單程長6650m。

可靠性試驗(yàn)結(jié)論：

（1）整車行綜合強(qiáng)化路21522km，高速環(huán)路8505km，相當(dāng)于在普通公路行駛1012894km；

（2）在強(qiáng)化壞路499km時(shí)出現(xiàn)第一次可靠性故障，相當(dāng)于普通公路23327km，因此MTTFF=23327km，符合任務(wù)書MTTFF ≥10000km的要求；

（3）平均故障間隔里程MTBF=S/r=21522/65=331.1km，其中S是強(qiáng)化路試驗(yàn)總里程，r是故障總數(shù)。換算成普通公路為15478km。符合總體指標(biāo)MTBF≥12000km的要求；

所有出現(xiàn)的故障都需在下一輪中持續(xù)改進(jìn)。

平順性的測試主要是隔振率的測試與駕駛員座椅導(dǎo)軌處與座椅處的加速度測試；

隔振率測試路面為國道、壞路、高速路三種路面，測試狀態(tài)為車輛大部分時(shí)候使用的滿載狀態(tài)。

圖13 滿載時(shí)隔振率測試結(jié)果

從圖13分析可得，整車在高速公路行駛時(shí)各速度都基本達(dá)到60%左右的隔振率，符合要求。在普通路面達(dá)到40%左右的隔振率，符合要求。

平順性的測試在襄樊試驗(yàn)場性能路段展開，滿載時(shí)測試數(shù)據(jù)如表6：

表6 滿載時(shí)平順性測試數(shù)據(jù)

依據(jù)國標(biāo)GB/T4970-2009對平順性做出判斷，座椅導(dǎo)軌處在50km/h及以下速度均處于沒有不舒服，在60km/h、70km/h速度下均處于有些不舒服階段。座椅椅面處于比較不舒服和不舒服之間，符合總體指標(biāo)要求，若將彈性元件由螺簧改為氣囊可進(jìn)一步提高舒適性。

6 結(jié)論

本文結(jié)合具體的車型需求，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、實(shí)車性能測試等工作。對駕駛室懸置系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算，各項(xiàng)性能達(dá)到總體指標(biāo)要求。整車試驗(yàn)從可靠性和平順性兩方面都證明了懸置系統(tǒng)的相關(guān)性能達(dá)標(biāo)。

[1] GB/T4970-2009.汽車平順性試驗(yàn)方法[S].中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會,2009.

[2] 劉方文.某重型卡車駕駛室懸置匹配分析[D].長春:吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.

Design of the full-floating cab suspension on a heavy truck

Mo Rongfu1, Chen Chao2, Peng Youyu2, Li Yubao1, Liu Wangdong1

( 1.BeiJing North Lingyun Suspension System Technolgy Co., Ltd. Xiangtan Branch, Hunan Xiangtan 411100; 2.China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072 )

Based the general requirements from the truck's full-float cab suspension system, this paper simulates multiple working conditions and conducts all kinds of performance analysis through theoretical calculation, dynamic simulation and finite element analysis to guarantee such systems are qualified in all aspects. The vibration isolation ratio, ride comfort and reliability of suspending and mounting systems are tested by using practical sample vehicles under different working conditions and speeds to make sure every aspects are qualified. Finally, a set of design methods, various performance evaluation indicator and various tests index were built regarding cab suspension.

Full-floating cab suspension; Reliability; Vibration isolation ratio; Ride comfort

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.023

U469.2

A

1671-7988(2021)07-69-04

U469.2

A

1671-7988(2021)07-69-04

莫榮福（1986-），就職于北京北方凌云懸置系統(tǒng)科技有限公司湘潭分公司，主要從事車輛懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析。