滕立杰

（上海锦奔汽车系统有限公司，上海 201322）

基于Adams_view微循环公交前独立空气悬架运动学分析

滕立杰

（上海锦奔汽车系统有限公司，上海 201322）

利用 ADAMS 搭建了微循环公交前独立空气悬架运动学仿真模型，并进行了运动学仿真分析，通过仿真分析，揭示了在悬架运动过程中悬架定位参数的变化规律，并优化该悬架前束角设计方案，为同类型空气弹簧前悬架系统设计时提供了参考。

微循环公交；独立空气悬架；运动学仿真；优化

前言

微循环公交是在解决城市区域或社区"最后一公里”公共交通的背景下应运而生,作为城市公共交通的一种，微循环公交填补了常规公交、快速公交和轨道交通等大型公共交通的空白[1]，极大地改善了居民的短距离出行环境，细化了公共交通网络，使得居民选择公共交通的出行方式的比例上升，因此得到越来越多的重视。

微循环公交车一般车身长度在6、7米左右，同时为了可以在一些狭窄街道行驶，车身宽度较窄，转弯半径要尽量小，这些特点就为悬架设计带来新的课题，在保证悬架外宽和通道宽度的前提下，使的悬架的运动学特性在理想范围内变动，同时要求车轮内外转角协调，车轮转角角度尽量大。因此在独立空气悬架系统设计中，转向横拉杆断点位置的确定对悬架定位参数和车轮内外转角协调性有很大影响。

1 空气悬架仿真模型的建立

前独立空气悬架的结构形式是：双横臂臂导向机构，方向机布置在中间的转向机构，空气弹簧安装在支座上方，气囊上方与车架相连，减震器安装在支座下方，减震器上端与车架相连。

1.1 空气弹簧模型的建立

独立空气悬架的设计载荷为 3500kg，选择康迪公司的819N系列气囊，初始安装高度为223mm。建立空气弹簧模型，根据康迪公司提供的819N气囊特性曲线图输入动刚度曲线。819N气囊特性曲线图如图1所示。

图1 空气弹簧特性曲线

1.2 减震器模型的建立

减振器采用的是SACHS 3298液压筒式减振器。下表为此款减震器的阻尼力-速度特性曲线表示的。

表1 减震器的阻尼力-速度特性表

1.3 橡胶球铰模型的建立

空气悬架中的双横臂通过橡胶球铰与车架连接。橡胶球铰在悬架中的主要作用（1）传递纵向力、侧向力和制动力[2]；（2）在悬架相对车身跳动过程中吸收部分的扭转振动；（3）在很大程度上关系着悬架参数的准确性。此悬架中所使用的橡胶球铰相关技术参数如表2所示。

表2 橡胶球铰刚度特性表

根据上述参数及悬架硬点建立微循环公交前独立空气悬架虚拟样机如图2所示。

图2 空气弹簧独立悬架虚拟样机

2 独立悬架运动学仿真分析

悬架的运动学特性在实际运用中首先反映在车轮的定位参数的变化上。前轮定位参数影响到多种汽车性能，这其中关系比较紧密性能包括汽车行驶稳定性稳态、转向回正性、转向轻便性、制动稳定性和轮胎的磨损等。因此分析悬架定位参数的变化规律是对悬架的评价及改进设计的基础。

利用上面建立的微循环公交的前独立空气悬架运动学仿真模型，以文献[3]中使用数学方法为基础进行悬架跳动的仿真分析，以下是对独立空气悬架定位参数的变化进行研究分析。初始独立空气悬架定位参数如表3所示。

表3 独立空气悬架初始定位参数表

2.1 前轮外倾角

汽车作曲线行驶时，车轮会随着车身一起侧倾，承载较高的一侧车轮会相对地面的倾角会加大，从而导致该侧车轮的侧偏性能降低。为保证轮胎的侧偏性能，悬架设计要求车轮外倾角在上跳时向负向变化，而下落时向正向变化，使汽车行驶过程中的车轮尽可能垂直于路面，并控制其变化量。若前轮外倾角的变化较大，不但会影响汽车直线行驶的稳定性，同时也会加剧轮胎的磨损。从图3所示的仿真结果可以看出，本独立空气悬架满足这种变化趋势，车轮跳动量为±50mm的行程内，前轮外倾角的变化范围为0.65°～1°。

图3 前轮外倾角随车轮跳动的变化

2.2 前轮前束角

前束的作用主要是弥补外倾角所带来的不利影响，减少轮胎的磨损[4]。前独立空气悬架设计时要求上跳时要求前轮前束的变化范围尽量小，下落时前束变化范围可略微变大。这样的设计目的可以使车辆的直线行驶稳定性不收到影响，同时也不会加大轮胎与地面之间的滚动阻力。车轮前束可以减少车轮外倾角所带来的不利影响，减少轮胎的磨损。由图4可以看出，上跳行程中前束角在-0.1°～0.35°之间变化，变化范围不是很理想，需要继续优化。

图4 前轮前束角随车轮跳动的变化

2.3 主销后倾角

图5 主销后倾角随车轮跳动的变化

主销后倾角可以为汽车提供回正力矩。悬架设计中，一般要严格控制后倾角在车轮上下跳动过程中变化量，以免在载荷发生变化时出现回正力矩剧烈变化的现象，这样会使转向轮产生摆动，影响汽车的操纵性能。一般要求在车轮上跳时后倾角有稍微增大的趋势，这样可以减轻制动时后倾角减小的带来的不利影响。从图5来看，主销后倾角在车轮上跳过程中有增大的趋势，在 -2.5°～-2.505°之间变化，变化范围很小。

2.4 主销内倾角

主销内倾有利于减小主销横向偏移距，可以使汽车转向回正，并且转向轻便。但是主销内倾角不宜设计过大，否则当汽车进行转向动作时，轮胎与路面之间会产生相对位移，增大了路面与轮胎之间的摩擦阻力，这样不但加剧了轮胎的磨损，而且还使转向发沉。由图6可知，车轮跳动±50mm的行程内，主销内倾角的变化范围为：8.0°～8.36°，曲线变化比较平缓。

图6 主销内倾角随车轮跳动的变化

2.5 轮距变化量

在独立空气悬架的设计过程中，要求尽量控制轮距的变化量，第一可以减少轮胎磨损，特别是在车轮上跳过程中，施加在轮胎上的负荷会增加很多，轮距变化过大会加剧轮胎的磨损。而在下跳时，由于轮胎上负荷相对会减小很多，轮距变化量可适当宽松些，这样仍可保证适当的轮胎寿命。第二可以提高汽车直线行驶能力和操纵稳定性。一般要求车轮跳动±40 mm 时，轮距变化为- 10～10 mm[5]。如图7所示，该悬架满足车轮上跳时轮距增加趋势的要求，车轮上跳至+40mm时，单侧轮距的变化量为：2.34mm。

图7 单侧轮距随车轮跳动的变化量

3 转向横拉杆断开点位置对悬架定位参数的影响

从上面的仿真结果可知，悬架定位参数对整车的操控性能、舒适性能、安全性能等有着很大的影响，为了使定位参数变得更加理想，需要对独立空气悬架的相关结构进行优化调整。由于上述分析中，车轮前束角变化趋势不太理想，因此本文针对对转向横拉杆断开点A点位置（图8所示）改变后引起的前束角变化进行了对比分析，以便找到满足前束角设计要求的断开点位置。

图8 转向横拉杆断开点位置

3.1 优化设计方案

从理论上来说，断开点的最佳位置应使车轮在跳动过程中绕主销的摆动量最小[6]。由于转向横拉杆断开点位置在 X轴（行驶方向）和Y轴（轴向方向）坐标涉及车轮转角的协调性，因此此优化方案主要是调整转向横拉杆断开点Z轴（高度方向）坐标，优化设计方案如表4所示。

表3 方案列表

3.2 前轮前束角的变化趋势

依次按照上述方案设置断开点Z轴坐标在Adams软件中进行仿真分析，得到前束角在不同方案中的曲线，如图9所示。从图中可以看出，5种方案下前束角的变化趋势都是一致的，车轮下跳时增加，车轮上跳时减小。但综合来分析，方案4为最佳方案，悬架上跳50mm时，方案4为-0.019°，方案5为-0.0191°，在下跳50mm时，方案4为-0.16°，方案5为-0.21°。因此从综合考虑应选择方案4。

通是经过对比分析，A点Z轴坐标的调整对车轮外倾、主销后倾角、主销内倾角、轮距等定位基本没有影响。

图9 不同坐标下前束角变化曲线

4 结论

（1）根据仿真结果发现，此微循环公交独立空气悬架的车轮上下跳动过程中，定位参数的变化趋势是比较理想的，满足独立空气悬架的设计要求。

（2）在此悬架上，转向系统中的转向横拉杆断开点位置对前束角的变化影响很大，对车轮外倾、主销后倾角、主销内倾角、轮距等基本没有影响。由于希望车轮跳动时，前束角变化范围要小，经过综合对比分析方案4最为理想。

[1] 武苗苗. 城市微循环公交客流特性分析及站点规划方法研究.长安大学,2014.

[2] 史文杰等.基于 Adams_car的低地板客车前独立悬架系统设计与研究.机械设计与制造,2008（05）.

[3] 戴旭文等.汽车双横臂独立悬架的运动学分析和计算.车辆与动力技术,2002( 02) .

[4] 金叙龙等.双横臂独立悬架运动特性分析.汽车技术,2001(04) .

[5] 崔云霞等.基于ADAMS的大型客车空气弹簧前悬架仿真分析与比较. 汽车技术,2007(01) .

[6] 许景然等.悬架系统与转向梯形机构的协调设计.轻型汽车技术,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 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-186-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.062

滕立杰，助理工程师，就职于上海锦奔汽车系统有限公司。研究方向：空气悬架。