重型商用车平衡悬架系统运动学分析

2020-07-27靳建龙孙桓五

汽车实用技术 2020年13期

靳建龙孙桓五

摘要：为了全面分析重型商用车平衡悬架系统运动学特性，在对钢板弹簧平衡悬架系统及其关键部件工作特点和运动特征进行分析的基础上，在CATIA/DMU中构建了八自由度平衡悬架机构运动学模型并对重要运动学特性进行了可视化仿真分析。同时进行了某三轴牵引车平衡悬架运动学校核试验，证明了所提出的方法和模型是可行的。

关键词：平衡悬架;运动学;CATIA/DMU

中图分类号：U469 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）13-125-04

Kinematic Research on Tandem Suspension System For Heavy-duty

Commercial Vehicle

Jin Jianlong1， Sun Huanwu1，2

（ 1. Taiyuan University of Technology， School of Mechanical and Transportation Engineering， Shanxi Taiyuan 030024;

2.National Experimental Teaching Demonstration Center for Coal Resources Exploitation，

Utilization and Equipment Engineering， Shanxi Taiyuan 030024 ）

Abstract： For thoroughly research the kinematic performance of tandem suspension system of heavy-duty commercial vehicle， the 8-DOF kinematics model was built based on the analysis of the working characteristics and motion mechanism of the tandem suspension system and its key components， and as well as the significant kinematics law were simulated by CATIA/DMU. Besides， the suspension package test of certain three axles tractor with tandem suspension was carried out， which proved that the proposed method and model were feasible.

Keywords： Tandem suspension; Kinematic; CATIA/DMU

CLC NO.： U469 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）13-125-04

引言

目前，钢板弹簧平衡悬架在重型商用车后悬架系统中被广泛应用。它使得汽车在不平道路上行驶时，中、后桥上各轮都能着地，提高了轮胎的接地性和附着力;且能使中、后桥车轮的垂直载荷平均分配，保证了各种工况下两桥之间载荷的均衡性，避免其他车桥及车轮超载风险，提高了汽车的行驶稳定性和安全性[1-2]。

平衡悬架的运动学特性对车辆性能具有重要影响。运动学特性差将导致车辆操纵稳定性变坏、传动轴寿命缩短、轮胎磨损加剧、导向杆系橡胶球铰过早失效等一系列问题。

由相关资料可知，目前对平衡悬架运动学的分析主要有两种方法：一是基于关键硬点空间位置的数学解析法，二是利用多体多力学软件，如ADAMS，或者其他三维设计软件，如Pro/E或UG中的运动学分析模块进行模拟[3-5]。因ADAMS前处理模块中的几何建模功能不强，无法满足设计过程中对零部件之间间隙校核。本文基于CATIA中的运动学分析模块，直接利用已有设计数据，建立了某重型商用车平衡悬架运动学分析模型，对其平行跳动、俯仰运动、侧倾运动及对扭运动工况进行了可视化仿真，确定了平衡悬架机构的空间几何参数及其变化规律。从而缩短了产品开发周期，提高了设计质量和研发效率。

1 钢板弹簧平衡悬架结构

如图1所示，钢板弹簧作为平衡悬架中的弹性元件安装在平衡轴上，其两端自由地支承在中、后桥桥壳上的滑板式支架内。这样，钢板弹簧便相当于一根等臂平衡杆，它以平衡轴心轴为支点进行转动，从而保证汽车在不平道路上行驶时，各轮都能着地，且使中、后桥车轮的垂直载荷平均分配。

两根上V型推力杆的大端通过橡胶球铰与车桥连接，另外两端与车架横梁或其支架相连。四根直推力杆分别与中、后桥壳下方的支架以及平衡轴的下部相连。钢板弹簧只承受垂直力和部分侧向力，其他的力和力矩由推力杆承受。中、后桥发生上下交错运动时钢板弹簧绕平衡轴旋转，中、后桥的运动规律则由这六根推力杆控制[6]。

2 钢板弹簧平衡悬架运动学建模

2.1 钢板弹簧柔性体模型构建

钢板弹簧作为弹性元件，在工作过程中承受弯曲、扭轉等力和力矩作用而产生复杂的变形。为可视化模拟钢板弹簧的柔性体变形特性，采用美国汽车工程学会（SAE）三连杆模型[7]，连杆之间采用球面副约束，两端连杆与板簧滑板座之间用点在曲线上运动高副连接，因左右对称，仅取一侧钢板弹簧进行仿真分析，如图2所示。

2.2 V型推力杆运动模型构建

V型推力杆连接着车架与车桥，是钢板弹簧平衡悬架导向杆系中关键零部件之一。在车辆运行过程中，既要传递牵引力、制动力和力矩等纵向载荷又要承受横向载荷。相比直推力杆，V型推力杆一方面提高了车辆的承载能力，另一方面因其使悬架系统的侧倾中心位于大端球心处，大幅度提高了车辆的横向稳定性。

V型推力杆与车架和车桥的连接处采用粘结压缩式橡胶衬套，为模拟V型推力杆受到侧向力，即中、后桥的横向运动，连接两小端球型衬套球心，使其与车架（横梁）构成圆柱形移动副，横向位移量可由悬架系统的限位特征或者衬套轴向刚度与侧向力等计算得出，大端则通过球面副与车桥连接。另外，不考虑衬套的径向变形。

2.3 横向稳定杆运动模型构建

横向稳定杆可以看做是一种特殊的弹性元件，实际上是一根横向布置的扭杆弹簧，两端扭杆臂同向。如果左右车轮同时上、下跳动，横向稳定杆不起作用，当左右车轮反向跳动时，横向稳定杆中间部分受扭转，侧臂受弯，起增加悬架角刚度的作用[8]。为模拟横向稳定杆左、右侧臂两端处的位移差即扭转变形量，将其沿中间对称平面分割成两个构件，之间由圆柱副连接，实现扭转变形的可视化仿真。左右稳定杆分别与后桥以球面副连接，稳定杆端部与吊杆间以万向节副连接。

2.4 中、后桥轮端驱动模型构建

为模拟中、后桥端四处车轮的上、下跳动，需要在机构中增加两个驱动构件。CATIA-DMU是基于构件要素即硬点、线、平面建立运动关系，不依赖于零部件外部形状。所以驱动构建只需要有构成运动副的点、线、面元素即可，而不需要复杂的实体模型。驱动构件1与机架（车架）采用万向节副连接，与驱动构件2由棱形副连接，并施加长度驱动，长度限值为悬架系统的运动行程，驱动构件2与车桥构成球面副。

2.5 平衡悬架机构拓扑结构分析

如图3-a所示，平衡悬架机构由推力杆系统，减振器系统，横向稳定杆系统，钢板弹簧系统（右侧），桥间传动轴系统，机构驱动系统组成。如表1所示，平衡悬架机构总共由34個构件组成，其中机架1个，活动构件33个。49个运动副，8个驱动（命令），与图3-b中CATIA软件分析结果一致。

由此计算该机构的自由度数为：

（1）

式中：n为活动构件数量;

p5、p4、p3、p2、p1分别为Ⅴ级至Ⅰ级运动副的个数;

（2）

因机构有八个驱动，故总体自由度为零，机构在运动学上是确定的[9]。

3 平衡悬架运动学分析

3.1 中、后桥轴距变化特性分析

轴距变化将导致轮胎接地点产生纵向位移。从减少轮胎磨损和提高车辆操纵稳定性的角度考虑，设计导向杆系时应使轴距的变化达到最少。

图4反映了该商用车平衡悬架系统车轮平行跳动时中、后桥轴距变化情况。从图中可以看出，以车辆满载静平衡位置为起点，当中、后桥车轮同时上跳+50mm时，轴距变化量为2.39mm;同时下跳-50mm时，轴距变化量为6.55mm。一般要求车轮跳动+/-50mm时，轴距变化在+/-10mm范围内。

3.2 中、后桥桥间传动轴长度变化特性分析

因路面不平度的激励，使得中、后桥随机跳动，造成桥间传动轴的长度和角度不断变化。在进行汽车设计时，常采用二维传动轴跳动图来确定传动轴跳动的极限位置和最大摆角，花键连接处的伸缩量，以校核设计的稳健性。如图5所示，本文利用上述运动学模型，方便快捷地校核了桥间传动轴在上、下平跳时的长度变化特性。实现了可视化仿真，克服了传统方法费时费力，工况单一，真观性差等缺点。当然也可以进行俯仰，对扭等工况下传动轴伸缩量和夹角校核，限于篇幅，不再赘述。

3.3 侧倾角与横向稳定杆端部位移分析

车辆侧倾时，簧上质量将绕侧倾中心转动，与此同时横向稳定杆发生转变形，其左、右侧臂两端处产生相对位移。该位移差值是横向稳定杆设计和强度分析的重要基础。图6显示了平衡悬架系统侧倾工况时的状态，当侧倾角达到6°时，稳定杆相对位移差值为75mm。

3.4 中、后桥桥间传动轴包络体

为保证平衡悬架系统中有相对运动的零部件工作时有足够的空间，设计时要对各零部件与其周边零部件之间进行静态和动态间隙检查，避免出现因间隙（空间）不足而引起的干涉，碰撞。因平衡悬架系统有八种运动工况：平行跳动、俯仰运动、侧倾运动及对扭运动，常采用对运动的零部件形成包络体后再校核周边间隙的方法进行全面检查。图7为桥间传动轴包络体，可以利用它对传动轴与平衡轴左、右侧大支架进行空间分析，对底部连接板位置进行优化，改善车辆通过性。

4 车辆平衡悬架运动学模型试验验证

为检验平衡悬架运动学模型的有效性，以某重型汽车有限公司生产的三轴牵引车为试验对象，在波形起伏路面（如图8-a所示），波峰高度为90mm，波谷为160mm，波峰波谷间距等于中、后桥轴距1350mm，上进行平衡悬架运动校核试验（见图8-b）。

通过对悬架运动行程，中桥减振器行程，桥间传动轴长度，推力杆系橡胶衬套扭转角度等进行测量发现，如表2所示，运动学模型仿真数据与试验数据有很好的吻合度，最大误差不超过2%。

5 结论

（1）在对钢板弹簧平衡悬架系统及其关键部件工作特点和运动特征进行分析的基础上，在CATIA/DMU中构建了平衡悬架机构八自由度运动学模型。

（2）对平衡悬架系统的关健运动学特性进行了分析，实现了八种工况下的运动可视化仿真，克服了传统设计方法的缺点。

（3）进行了平衡悬架运动学校核试验，结果表明模型仿真结果与试验数据有很好的吻合度，最大误差不超过2%，为同类型其它车辆平衡悬架机构的设计和运动学分析提供了一个有效的方法和有实用价值的参考模型。

（4）产生误差的主要原因为模型中没有考虑平衡悬架系统中橡胶衬套的弹性变形以及实际零部件和整车装配累积误差。

参考文献

[1] 刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001：445-447.

[2] 王宵锋.汽车悬架和转向系统设计[M].北京：清华大学出版社， 2015：35-35.

[3] 付李.重型汽车钢板弹簧平衡悬架的仿真分析[D].武汉：华中科技大学，2009.