（机械工程专业论文）空气弹簧特性及对高端重卡平顺性影响研究.pdf

t h e s t u d yo f a i rs p r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dr i d ec o m f o r t a b o u th i g h e n d h e a v yt r u c k “ b y hao l i f e n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 01 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh a nx ua n d s e n i o re n g i n e e rb a i y u n z h i m a y , 2 0 1 1 ，。 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 名：都立咩 毒一 日期：2 0l 冲弓月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密乱 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：者平立峰 刷磁各治世这lk 日期：2 0 ll m 弓月7e 1 日期：z o l l 年弓月夕日 空气弹簧特性及对高端重卡平顺性影响研究 摘要 本文首先就高端高端重卡的发展，悬架系统，空气弹簧应用及平顺性进行了 阐述；接着在上章理论研究基础上分别就空气弹簧本身以及空气弹簧对高端重卡 平顺性进行了仿真分析；然后结合空气弹簧刚度试验和高端重卡空载和满载状态 下的平顺性试验进行试验数据分析；另外针对仿真分析结果和试验分析结果进行 对比，对产生误差进行原因分析；最后对全文进行总结，提出空气弹簧在高端重 卡上的应用提出改进建议。 根据我公司新产品开发计划，第二代车型已初步设计完成，为使高端重卡在 平顺性方面满足国际或国家法规要求，利用专用软件，在建立有限元模型的基础 上，通过计算机线性静态模拟计算分析，建立高端重卡有限元模型，进行动态模 拟分析和数据分析，从高端重卡的平顺性出发，通过对空气弹簧进行刚度实验， 得到刚度特性；同时对安装空气弹簧高端重卡平顺性实验，然后建立重型卡车 a d m a s c a r 虚拟样机模型，针对空气弹簧在高端重卡上的平顺性能影响进行仿 真和试验对比分析并得出改进建议来达到设计目标。 本文对汽车空气弹簧的设计机理进行研究，提出了空气弹簧工程分析及其相 关性能参数确定的设计方法，并就空气弹簧对高端重卡平顺性能的影响进行了仿 真分析。论文结合安徽华菱汽车股份有限公司与湖南大学机械与运载工程学院技 术合作，具有一定的工程应用前景和实用价值。此次高端重卡样车采用以下配置： 6 x 4 牵引车，轴距3 1 5 0 + 1 4 5 0 ，米其林胎，后悬架形式为空气弹簧，康明斯发动 初。 关键词：高端重卡；空气弹簧；平顺性；多体动力学；有限元 l i 工程硕士学位论文 a b s t r a c t f i r s tc h a p t e ri n t r o d u c t st h ed e v e l o p m e n to f h i g h - e n dh e a v yt r u c k ，t h es u s p e n s i o n s y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o no fa i rs p r i n ga n dr i d ec o m f o r t t h es e c o n dc h a p t e rs i m u l a t e s a i rs p r i n ga n dr i d ec o m f o r to f h i g h - e n dh e a v yt r u c kb a s e do nt h e o r ys t u d y t h et h i r d c h a p t e ra n a l y s e st h et e s td a t ea b o u tt h er i d ec o m f o r to fh i g h e n dh e a v yt r u c kw i t ha i r s p r i n gs t i f f n e s st e s ta n dr i d ec o m f o r tt e s t t h ef o u r t hc h a p t e rc o m p a r e ss i m u l a t i o n a n a l y s i sw i t ht e s t t h ef i f t hc h a p t e rs u m m a r i z e st h ep a p e r i tp r o p o s e sa p p l i c a t i o n a b o u ta i rs p r i n gi nh i g h - e n dh e a v yt r u c k a c c o r d i n gt oo u rn e wp r o d u c td e v e l o p m e n tp l a n ，t h es e c o n dg e n e r a t i o nm o d e l h a sb e e na l r e a d yp r e l i m i n a r yd e s i g n t oe n a b l et h er i d ec o m f o r to fw h o l ev e h i c l e m e e t si n t e r n a t i o n a lo rn a t i o n a lr e g u l a t i o n s ，w eu s es p e c i a ls o f t w a r eo nt h eb a s i so ft h e e s t a b l i s h m e n to ff i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h r o u g ht h ec o m p u t e rl i n e a rs t a t i cs i m u l a t i o n c a l c u l a t i o na n a l y s i s ，a n de s t a b l i s hf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fw h o l ev e h i c l ef o rd y n a m i c s i m u l a t i o na n a l y s i sa n dd a t aa n a l y s i s r e f e rt ot h er i d ec o m f o r to fv e h i c l e ，w ed o s t i f f n e s se x p e r i m e n ts e p a r a t e l ya b o u tt h es t e e ls p r i n g sa n da i rs p r i n gt oo b t a i n st h e s t i f f n e s sc h a r a c t e r a tt h es a m et i m ew ed or i d ec o m f o r te x p e r i m e n to fl e a fs p r i n ga n d a i rs p r i n gv e h i c l es e p a r a t e l yt ob u i l du ph e a v yt r u c k sa d m a s c a rv i r t u a lp r o t o t y p i n g m o d e l a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c et e s t i n go fd i f f e r e n te l a s t i c e l e m e n t so nt h e v e h i c l e ，w ec o m p a r es i m u l a t i o nw i t he x p e r i m e n t a lt od r a wt h ei m p r o v e m e n t s u g g e s t i o n s w ec a na c h i e v ed e s i g ng o a lb yt h eo p t i m i z a t i o no fd i f f e r e n te l a s t i c e l e m e n t s ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t i nt h i s p a p e r ，t h ed e s i g nm e c h a n i s mo ft h e a i r s p r i n gi sp u t e df o r w a r dt o s t u d y t h ea n a l y s i sa n dt h ed e s i g nm e t h o da r ea l s oc o n f i r m e d t h er i d ec o m f o r to f h i g h e n dh e a v yt r u c ka b o u ta i rs p r i n gh a sb e e ns i m u l a t e d t h et h e s i sc o m b i n e sa n h u i h u a l i n ga u t o m o b i l ec o ，l t d w i t hh u n a nu n i v e r s i t yw i t ht e c h n i c a lc o o p e r a t i o n ，i t h a ss o m ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n dp r a c t i c a lv a l u e i nt h i st h e s i s ，t h eh i g h - e n d h e a v yt r u c k sc o n f i g u r a t i o ni s ：6 x 4t r a c t o r ，w h e e l b a s e ：3 ，15 0 + 1 4 5 0 ，a i rs p r i n g ， c u m m i n se n g i n e k e yw o r d s ：h i g h - e n dh e a v yt r u c k ；a i rs p r i n g ；r i d ec o m f o r t ；m u l t i - b o d yd y n a m i c s ； f i n i t ee l e m e n t i i i 空气弹簧特性及对高端莺卡平顺性影响研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引一v 附表索引v i i i 第1 章绪 论1 1 1 引言j 1 1 2 高端重卡的发展2 1 3 空气弹簧研究2 1 4 平顺性研究4 1 5 本文的主要研究内容6 第2 章空气弹簧刚度仿真与试验对比分析8 2 1 空气弹簧刚度实验数据分析8 2 2 空气弹簧有限元分析1 0 2 3 空气弹簧刚度实验数据与有限元分析对比1 7 2 4 小结2 0 第3 章空气弹簧对高端重卡平顺性仿真与试验对比分析一2 1 3 1 重卡( 满载) 平顺性试验：一2 1 3 2 高端重卡动力学模型2 4 3 3 安装空气弹簧对高端重卡平顺性仿真分析2 9 3 4 空气弹簧对高端重卡平顺性仿真与实验对比3 2 3 4 小结3 3 结论3 4 参考文献3 6 致谢3 8 i v t 程硕士学位论文 插图索引 图2 1 空气弹簧静特性试验装置8 图2 2 空气弹簧试验气路9 图2 3 作动器作用位移9 图2 40 3 m p a 空气弹簧响应作用力9 图2 50 4 m p a 空气弹簧响应作用力1 0 图2 60 5 m p a 空气弹簧响应作用力1 0 图2 7 空气弹簧实物图：1 2 图2 8 空气弹簧结构图1 2 图2 9 定义静水流体单元1 3 图2 1 0 原空气弹簧有限元模型1 4 图2 1 1 材料参数弹性模量及泊松比1 4 图2 1 2 定义橡胶气囊单元及材料参数1 4 图2 1 3 定义橡胶气囊与活塞的接触1 5 图2 14 施加多点约束15 图2 1 5 施加对称面约束1 5 图2 1 6 圆柱活塞空气弹簧有限元模型1 5 图2 1 7 充气后位移云图1 6 图2 1 8 最大拉伸位置位移云图1 6 图2 1 9 最大压缩位置应力云图1 6 图2 2 00 7 m p a 恒压下载荷位移曲线图16 图2 2 1 最大压缩位置应力云图1 6 图2 2 2 气压位移曲线16 图2 2 3 体积位移曲线1 7 图2 2 4o 7 m p a 绝热工况下载荷位移曲线图1 7 图2 2 5 初始压力0 3 m p a 空气弹簧载荷位移仿真与试验对比曲线1 7 图2 2 6 初始压力o 3 m p a 空气弹簧压强位移仿真与试验对比曲线1 8 图2 2 7 初始压力o 4 m p a 空气弹簧载荷位移仿真与试验对比曲线1 8 图2 2 8 初始压力o 4 m p a 空气弹簧压强位移仿真与试验对比曲线1 8 图2 2 9 初始压力o 5 m p a 空气弹簧载荷位移仿真与试验对比曲线1 9 图2 3 0 初始压力o 5 m p a 空气弹簧压强位移仿真与试验对比曲线1 9 图3 1 试验样车于定远试验场2 1 v 空气弹簧特性及对高端重卡平顺性影响研究 图3 2 仪器安装位置2 1 图3 3 三角形凸块结构示意图2 1 图3 42 0 k m h 试验数据2 2 图3 53 0 k m h 试验数据2 2 图3 64 0 k m h 试验数据2 2 图3 75 0 k m h 试验数据2 2 图3 86 0 k m h 试验数据2 2 图3 9 空气弹簧悬架牵引车底盘，2 0 6 0 k m h 试验车速下的试验数据2 2 图3 1 0 质心z 向加速度值与车速关系曲线( 空气弹簧) 一2 3 图3 1 1 高端重卡系统建模示意图2 6 图3 1 2 转向桥仿真模型建立2 6 图3 1 3 横向稳定杆子系统模型建立2 6 图3 1 4 二桥子系统仿真模型建立2 6 图3 1 5 三桥子系统仿真模型建立2 6 图3 1 6 前轮子系统2 7 图3 17 驱动轮子系统一2 7 图3 1 8 前桥钢板弹簧子系统2 7 图3 1 9 空气弹簧悬架子系统；2 7 图3 2 0 动力传动系简易仿真模型2 8 图3 2 1 发动机的特性曲线2 8 图3 2 2 转向系结构2 8 图3 2 3 货厢模型2 8 图3 2 4 驾驶室子系统2 9 图3 2 5 驾驶室悬置子系统2 9 图3 2 6 空气弹簧悬架牵引车底盘总装配模型2 9 图3 2 7f i l ed r i v e ne v e n t s 仿真设置3 0 图3 2 82 0 k m h 仿真数据3 0 图3 2 93 0 k m h 仿真数据3 0 图3 3 04 0 k m h 仿真数据3 0 图3 314 0 k m h 仿真数据3 0 图3 3 26 0 k m h 仿真数据一3 0 图3 3 3 空气弹簧悬架牵引车底盘，2 0 6 0 k m h 试验车速下的仿真结果，总图3 1 图3 3 4 质心z 向加速度值与车速关系曲线( 空气弹簧) 3 1 图3 3 52 0 k m h 仿真结果与试验数据比较3 2 图3 3 63 0 k m h 仿真结果与试验数据比较3 2 v i 丁程硕十学位论文 图3 3 74 0 k m h 仿真结果与试验数据比较3 2 图3 3 85 0 k m h 仿真结果与试验数据比较3 2 图3 3 96 0 k m h 仿真结果与试验数据比较3 2 v i i 空气弹簧特性及对高端重卡平顺性影响研究 附表索引 表3 1 测试点加速度绝对值最大值与车速关系( 空气弹簧) 2 3 表3 2 测试点加速度绝对值最大值与车速关系( 空气弹簧) 3 1 v i i i 工程硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 交通运输是发展国民经济的先行行业，而公路运输是交通运输业的主要形式 和重要组成部分，承担着全国四分之三的货运量和1 3 左右的货运周转量。重型 载货高端重卡汽车一尤其是大吨位重型车，以其能耗低、省人工、运输成本低、 经济效益好等优势，已经成为货物运输的主力军。随着我国国民经济的发展和生 活水平的提高，人们对重型高端重卡汽车的“档次”提出愈来愈高的要求，而不仅 仅将其视为生产工具。我国重型载货汽车产品技术总的发展趋势是高档化、电子 化、大吨位、环保化，重点在经济性、动力性、安全性、舒适性和可靠性等方面 的技术水平将得到提高。高价、高档重型高端重卡汽车在国内销量的逐年增多即 是最好的例证。国内多数重型高端重卡汽车整车生产厂家，日益注重高端重卡平 顺性，操纵稳定性等整车性能的改进设计。为保证高端重卡高端重卡汽车具有良 好的行驶平顺性，产品预测尤其重要。以往是先设计和试制出样车，对样车进行 试验以评价其行驶平顺性，找出行驶平顺性存在的问题，探索产生问题的原因， 对样车进行改进，然后再试制再试验，直至满意为止。这种做法设计周期长，浪 费大量的人力、财力和物力，明显地不能满足现代高端重卡汽车产品更新换代的 要求。高端重卡汽车仿真技术恰好适应了这一要求，高端重卡汽车行驶平顺性仿 真研究不仅能够预测新产品的行驶平顺性状况，还可以优化各参数间的匹配关系， 改善高端重卡汽车行驶平顺性，缩短设计周期，降低设计成本。高端重卡汽车行 驶平顺性仿真研究同样可以对已有高端重卡汽车产品的行驶平顺性进行评价，提 出改进措施。由于高端重卡高端重卡汽车行驶平顺性仿真研究具有周期短，节省 成本等特点，因而对于研究高端重卡汽车各部件对行驶平顺性的影响具有很大的 指导意义。 综合分析汽车行业的发展态势，预计到2 0 1 2 年，重型货车的国内总需求在 8 0 万辆左右，到2 0 15 年将上升到10 0 万辆。如果再加上产品的出口，其市场容 量是十分可观的。随着货车使用者购买能力的上升，重型卡车的品种和结构也在 发生变化。首先，原来在重型车中占主导地位的低吨位( 总重1 4 1 9 吨) 车型的 比例逐步下降，去年的份额已经低于2 0 ( 包括底盘) ，总重19 2 6 吨的产品已 经占据重型车总量的三分之一强，成为重型车中的主力军，而载重量1 5 吨以上的 车型增幅最大。在牵引车领域，拖挂质量在2 5 吨以下的车型市场份额越来越小， 而拖挂质量在4 0 吨以上的大吨位车虽然只占总量的1 7 左右，但是发展势头很 空气弹簧特性及对高端重卡甲顺性影响研究 猛。其次，重型卡车市场另一个显著的变化是传统的普通载货车比例连年走低， 改装车和专用车逐渐增加。再次，6 4 驱动型式的产品逐渐成为重型卡车市场的 主流。预计今后几年，6 4 驱动型式汽车的比重和需求绝对值的增长幅度将越来 越大，到2 0 1 0 年达到5 0 甚至更高。另外，随着货车使用者购买能力的上升， 高速、大吨位的高端产品逐渐成为市场的“热点”，在货车中的比重逐年增加。 与国外相比，中国高端重卡市场只相当于中级阶段，技术水平的提高是整个 中国商用车领域所要突破的瓶颈。【l 】目前，多数用户还处于“价格决定购买”的初 级消费状态，对价格昂贵的高端产品还不能接受。但随着技术水平的提升、消费 者的不断成熟以及消费水平的提高，中国高端重卡市场高档化的趋势将越来越明 显。 1 2 高端重卡的发展 近几年，世界发达国家各商用车制造商纷纷投巨资研制新一代产品，通过采 用高新技术，最大限度地提升重型汽车产品技术水平。目前，拥有代表性产品的 制造商，如戴一克、沃尔沃、曼、达夫、斯堪尼亚等公司，其主导产品处于国际 先进或领先技术水平，在舒适性、安全性、动力性、经济性、可靠性和环保性等 方面具有明显的优势。2 0 世纪9 0 年代以来，我国重型车产品水平与国际先进水 平的差距已渐拉近，部分产品已达到国际9 0 年代先进水平。但是，从总体上说， 我国重型车产品与欧美发达国家产品相比，在整车可靠性、动力性、安全性、舒 适性、环保性以及品种质量等方面仍有很大差距。我国重型商用车产品技术的发 展方向是：通过加强车辆的行驶系，实现车辆的高吨位化；通过改进驾驶室的内 饰和外观，实现车辆的高档化；通过改进发动机技术，实现车辆的低排放和节能 目的，并日趋大功率化；通过采用机电一体化装置，提高车辆的安全性和轻便性； 通过采用多轴行驶系或空气悬架结构，满足车辆的轴荷限值和提高行驶平顺性的 要求【1 】。随着我国国民经济的发展和生活水平的提高，人们对重型高端重卡汽车 的“档次”提出愈来愈高的要求，而不仅仅将其视为生产工具。我国重型载货汽车 产品技术总的发展趋势是高档化、电子化、大吨位、环保化，重点在经济性、动 力性、安全性、舒适性和可靠性等方面的技术水平将得到提高。高价、高档重型 高端重卡汽车在国内销量的逐年增多即是最好的例证。国内多数重型高端重卡汽 车整车生产厂家，日益注重高端重卡平顺性，操纵稳定性等整车性能的改进设计。 1 3 空气弹簧研究 悬架是高端重卡汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来， 关系到高端重卡汽车的多种使用性能。从外表上看，悬架仅是由一些杆、筒以及 2 工程硕二 ：学位论文 弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反悬架是一个较难达到完美要求的高端 重卡汽车总成，这是因为悬架既要满足高端重卡汽车的舒适性要求，又要满足其 操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。比如，为了取得良好的舒适性， 需要大大缓冲高端重卡汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容 易使高端重卡汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及左右侧倾严重的不良倾向， 不利于高端重卡汽车的转向，容易导致高端重卡汽车操纵不稳定等。悬架通常由 弹性元件、导向机构及减震机构组成。其中弹性元件是最重要的。作为悬架中重 要的弹性元件，其功能是：支撑垂直载荷，缓和和抑止不平路面引起的振动和冲击 其原理是：用具有弹性较高材料制成的零件，在车轮受到大的冲击时，动能转化 为弹性势能储存起来，在车轮下跳或回复。弹性元件主要有钢板弹簧，螺旋弹簧， 扭杆弹簧，气弹簧和橡胶弹簧等。悬架的性能直接影响到车辆的平顺性、乘坐舒适 性等高端重卡性能。而弹性元件特性对悬架系统有着至关重要的作用，尤其对于 高速行驶的车辆显得更为重要。在实际设计工作中，存在如何确定这些弹性元件 性能的要求，根据这些要求如何设计出合理的零部件等诸多问题【2 1 。 空气弹簧作为悬架系统中的重要部件，它是在柔性密闭容器( 橡胶气囊) 中充 入压缩空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用的一种十分复杂的非金属弹簧。 由于它和金属弹簧相比较有诸多优点，因此在汽车和铁路机车车辆上得到广泛应 用，同时应用在压力机、剪切机、压缩机、离心机、振动输送机、振动筛、空气 锤、铸造机械和纺织机械等方面作为隔振元件；并且也用作电子显微镜、激光仪 器、集成电路及其他物理化学分析精密仪器等的支承上，隔离地面的振动闭。空 气弹簧是车辆悬架系统中的主要弹性元件，其弹性特性和寿命直接影响该系统的 振动特性。p j 运用有限元分析理论对空气弹簧的弹性特性进行分析，能匹配出性 能优良的空气悬架，从而保证车辆行驶的平稳性、安全性和舒适性【4 】【5 1 。 空气弹簧具有缓冲、减振和动作等功能。空气弹簧由夹有帘线的橡胶气囊和 密闭在其中的压缩空气所组成。气囊有单节和多节式，节数越多，弹性越好，但 密封性越差。空气弹簧是高端重卡汽车空气悬架系统的和重要组成部分，它利用 空气的压缩弹性进行工作，具有缓冲、减振和承载重量等功能。空气弹簧具有优 良的弹性特性，与普通钢制弹簧相比有许多优点，因而其应用范围十分广泛。将 空气弹簧用于高端重卡汽车悬架系统可大大提高高端重卡汽车的行驶平顺性和舒 适性1 6 j l7 。空气弹簧的主要特点( 1 )空气弹簧具有非线性特性，刚度和承载能 力可以调节，其刚度随载荷的变化而变化。空气弹簧的特性曲线可按实际需要进 行理想设计，使其在额定载荷附近具有较低的刚度值，并使空气悬架获得较低的 固有频率，因而工作柔和。( 2 )利用高度阀可以改变或保持空气弹簧的高度。 压缩气体的气压能够随载荷和道路条件的变化进行自动调节，不论满载还是空载， 保证车身高度不随载荷的变化而变化，大大提高了乘坐的舒适性。升高车身以提 3 窄气弹簧特性及对高端重卡平顺性影响研究 高车辆在极差路面上的通过性，降低车身以方便人员或货物上下，提高高速行驶 车辆的安全性。( 3 ) 空气弹簧具有高的吸振和降噪能力，不仅可以提高商用车的 舒适性，而且对车辆本身和运输的货物有一定的保护作用。( 4 ) 空气弹簧可以有 效减轻高端重卡汽车悬架的质量。( 5 ) 空气弹簧具有较高的疲劳寿命，其疲劳寿 命可达3 0 0 万次以上，实际使用寿命可达5 年以上。而钢板弹簧的疲劳寿命一般 只有2 0 万次。( 6 ) 空气弹簧能适应多种刚度或载荷的要求，因此经济效果较好。 ( 7 ) 空气弹簧的主要缺点是：由于空气弹簧只能承受垂直负荷，需有导向机构传 递纵向力、横向力及力矩，因而悬架结构较为复杂【8 】【9 1 。 商用车空气弹簧的研究在我国起步较晚，国内空气弹簧生产企业的产品相对 比较单一，适用范围较窄，产品质量与进口产品相比较差，因此，国内大多数商 用车生产企业采用进口的空气弹簧配套。为改变我国商用车大多采用国外进1 ：1 空气弹簧的现状，我国许多空气弹簧生产企业正在吸收改进空气弹簧相关技术， 开发生产具有自主知识产权的适用于我国道路运输特点的商用车空气弹簧产品， 目前部分空气弹簧产品已经接近或达到了国际同类产品的质量标准。预计我国空 工程硕上学位论文 难受、晕车甚至呕吐的经历，到达目的地后也不能立即投入到工作中去。高端重 卡汽车行驶平顺性的降低不仅使工作效率降低，还严重影响着人的身心健康，长 期处于不舒适的振动环境中，不仅容易引起疲劳、心慌，还容易引发各种心脏疾 病。高端重卡汽车的各种性能是相互影响的，高端重卡汽车行驶平顺性也影响 着其它性能的发挥。在高端重卡汽车行驶过程中，如果行驶平顺性太差，强烈振 动产生的动载荷会冲击高端重卡汽车的零部件，加速零部件的磨损，降低零部件 的疲劳寿命。高端重卡汽车的强烈振动还会使车轮跳离地面，影响高端重卡汽车 的动力性、制动性以及操纵稳定性。为了减小高端重卡汽车振动，驾驶员必须放 慢车速，使运输效率降低。高端重卡汽车低速行驶又会导致燃油燃烧不充分，使 燃油经济性变差，排放性能也变差。如果不放慢车速，高端重卡汽车的强烈振动 不仅降低零部件的疲劳寿命，使乘员晕车、呕吐，还会使驾驶员疲惫、精力不集 中，容易引发交通事故。公路运输具有灵活机动的特点。近年来中国高速公路迅 速发展，长途运输的一部分已经由高端重卡汽车取代火车。长途运输对高端重卡 汽车行驶平顺性提出了更高的要求，例如现在的长途客车、旅游车以及外出办事 人员的小轿车，长时间暴露于振动环境中，如果行驶平顺性太差，将使乘员极其 不舒适，严重的还会使驾驶员疲劳导致车祸的发生。由此可以看出改善高端重卡 汽车行驶平顺性的意义重大，而且随着对高端重卡汽车研究的深入还会发现研究 高端重卡汽车行驶平顺性具有更深层的意义。研究高端重卡汽车平顺性的主要 目的就是控制高端重卡汽车振动系统的动态特性，使振动的“输出”在给定工 况的“输入”下不超过一定界限，以保持乘员的舒适性【1 3 】1 1 4 】。 高端重卡汽车平顺性评价方法则参照国际标准i s 0 2 6 3 1 ：人体承受全 身振动评价指南新标准规定在评价振动时先计算各自由度上总的加权均方 根值，再计算各输入点的振动加速度均方根，然后计算人体承受的总加速度均 方根值，最后用总的振动加速度均方根值与人的主观感觉来判断乘员舒适性 新标准基本上克服了原标准的缺点，在试验基础上给出了极为详细的频率加 权函数轴加权系数以及明确的舒适性界限，同时还保留了大家熟悉的加速度 均方根值作为评价指标，使用起来方便直观，是至今为止最为完善的评价方法 试验研究历来是科学研究必不可少的手段，汽车行驶平顺性的试验研究也是 如此，最初它是评价汽车行驶平顺性的唯一方法，即使是现在仿真技术有了 极大的发展，试验仍然是验证仿真结果的手段。就我国而言，从2 0 世纪7 0 年代后期以来，随着概率论、随机振动理论、计算机技术在汽车行业的普及 与应用，以及一些先进试验测试设备、仪器的引进，我国汽车行驶平顺性的 试验研究工作有了突飞猛进的发展，先后制定了“汽车行驶平顺性随机输入 试验方法”、“汽车行驶平顺性脉冲输入试验方法”、“汽车悬架系统固有 频率和相对阻尼系数的测定方法”和“汽车行驶平顺性感觉评价试验方法”等 5 空气弹簧特性及对高端重卡平顺性影响研究 标准，初步构成了一个比较完善的汽车行驶平顺性试验方法体系。影响汽 车行驶平顺性的主要部件有汽车悬架、轮胎、座椅以及发动机悬置等。为了 改善汽车行驶平顺性设计出了多种悬架，对悬架中的弹性元件和阻尼元件的 设计也进行了大量的研究，以便合理地匹配刚度参数、阻尼参数以减小传递 函数。对轮胎的研究主要是研究轮胎种类、轮胎气压不同的影响及轮胎包容 特性对汽车行驶平顺性的影响。近来研究发现座椅的振动传递函数对人体振 动的影响很大，座椅的刚度和阻尼对改善汽车行驶平顺性有很大意义。随着 车速的提高，发动机对汽车的激励也不容忽视，为了隔振对发动机悬置的研 究也在汽车行驶平顺性研究之列。为了改善汽车的行驶平顺性，近年来开 展了主动半主动悬架及其控制的研究，取得了一定的进展，因而也成为汽车 行驶平顺性的研究内容 1 5 1 。由于汽车行驶平顺性不是孤立于汽车其它性能之 外的，因此，在提高汽车行驶平顺性的同时还要照顾到汽车其它性能的发挥， 不能盲目提高行驶平顺性而忽视其它性能的发挥，尤其是汽车行驶安全性与 汽车行驶平顺性存在着很大矛盾，要兼顾二者达到一个最优的折衷，这也在 汽车行驶平顺性的研究范围之内【1 6 l 【1 7 1 。 随着我国高速公路的迅速发展，运输量的增加，要求汽车具有更好的操纵稳 定性、平顺性、安全性，空气弹簧必将得到广泛应用。另外，随着对重型载货汽 车对路面破坏机理的研究和认识进一步加深，以及政府对高速公路养护的重视， 空气弹簧在重型车市场的应用也将进一步增加。同时，汽车控制系统的智能化程 度越来越高，电控式空气弹簧将成为未来发展的必然趋势。 1 5 本文的主要研究内容 本文根据公司新产品开发计划，第二代车型已初步设计完成，为使高端重卡 在操纵稳定性，平顺性等方面满足国际或国家法规要求，利用专用软件，在建立 有限元模型的基础上，通过计算机线性静态模拟计算分析，建立高端重卡有限元 模型，进行动态模拟分析和数据分析，从高端重卡的平顺性出发，针对空气弹簧 对高端重卡平顺性进行对比分析，最终对汽车平顺性的提高提出建议。可以通过 对空气弹簧优化，高端重卡试验数据和计算机仿真结果进行分析择来达到设计目 标。因此，不难看出高端重卡平顺性的研究已经从整体的模型研究逐步发展到对 部件的研究，从粗略的有限元模型逐步向较精确的模型发展，通过准确地有限元 模型的建立，逐步向结构优化分析方向发展，更大程度地满足汽车设计师的需求。 另外本文还对汽车弹性元件的设计机理进行研究，提出了弹性元件工程分析 及其相关性能参数确定的设计方法，并就弹性元件对高端重卡性能的影响进行了 仿真分析。论文结合安徽华菱汽车股份有限公司与湖南大学机械与运载工程学院 技术合作，具有一定的工程应用前景和实用价值。应用多体系统动力学及仿真理 6 工程硕上学位论文 论、有限元理论，优化技术、试验技术、试验设计技术及回归分析理论，对弹性 元件与高端重卡进行系统动力学建模、仿真、分析及试验研究。涉及众多弹性元 件，本文主要针对空气弹簧两种比较有代表性的弹性元件对高端重卡性能影响进 行研究。高端重卡采用某公司提供的试验样车( 6 x 4 牵引车，轴距3 1 5 0 + 1 4 5 0 ，米 其林胎，空气弹簧，康明斯发动机；) 。对高端重卡进行建模分析，确认问题存在 的根源，并考虑空气弹簧对高端重卡平顺性能的影响。为此，我们的工作重点在 以下几点： 1 制定理论正确而又切实可行的试验方案。 2 建立精确的高端重卡和空气弹簧有限元分析模型。 为了完成以上工作，我们首先聘请湖南大学的教授来公司对技术人员进行 c a e 专业知识及软件应用的培训。与各大学合作对高端重卡的工况和运行状态进 行模拟分析，再以此为输入条件，利用专业软件对整车进行分析，通过有限元计 算手段确定问题的原因，找到高端重卡的危险工况，并考虑空气弹簧对高端重卡 平顺性能的影响，通过对比分析进行研究。论文主要包括2 个方面，每个方面都 具有较大的工作量。由于本论文试图从试验方法本身进行突破，目前还没有现成 的理论、方法可以借鉴，整个过程都是从零开始，涉及到前期的调研、试验方法 的研究与设计、试验台架设计与加工、试验仪器设备的调研选型与购买、试验用 传感器的选用、试验数据采集与处理、具体试验的实施、高端重卡模型的处理、 有限元模型的建立、修改和完善、参数化有限元模型的建立、优化算法的应用等 等一系列问题，其中的很多问题在实际操作中有较大的难度。因此，整个论文完 成的周期十分漫长。最终本文通过试验结果和有限元分析的结合，初步建立高端 重卡平顺性有限元分析的准则，建立重型卡车a d m a s c a r 虚拟样机模型，针对空 气弹簧在高端重卡上的性能影响进行仿真和试验对比分析并得出改进建议来达到 设计目标。 7 空气弹簧特性及对高端蘑卡甲顺性影响研究 第2 章空气弹簧刚度仿真与试验对比分析 2 1 空气弹簧刚度实验数据分析 为得到某型重卡上后悬架用膜式空气弹簧( 型号为1 t 1 9 f 7 ) 的刚度特性， 利用p l d 1 0 0 微机控制电液私服疲劳试验机，按照g b t 1 3 0 6 1 9 1 对其进行静刚 度特性试验。 空气弹簧的静特性试验装置如图2 1 所示。空气弹簧的下端固定，在空气弹 簧的上端施加激励信号【1 8 】。作动器上安装有载荷传感器和位移传感器用来测量空 气弹簧的反作用载荷和位移反馈信号。 图2 1 空气弹簧静特性试验装置 空气弹簧试验气路连接如图2 2 所示。试验开始前，球阀b 、6 处于关闭状态。 打开空气压缩机1 ，压缩气体通过单向阀2 进入储气瓶3 。再打开球阀b 后可使储 气瓶3 中的压缩气体充入空气弹簧5 内。当气囊压力过高时，打开球阀6 ，把多 余的气体放入大气。应用气压表a 测量空气弹簧试验行程中腔内的压力数值19 1 。 8 工程硕士学位论文 7 图2 2 空气弹簧试验气路 一 为了测试某型膜式空气弹簧的垂向静刚度特性，先将空气弹簧用预先设置好 的夹具固定在试验设备台架上，同时将疲劳试验机的横梁往上升2 7 3 m m ，连接好 气路管道，检验气路连通顺畅且无漏气现象，然后关闭球阀b 和球阀6 ，打开空 压机，压缩气体通过单向阀2 进入储气瓶3 。再打开球阀b 后可使储气瓶3 中的 压缩气体充入空气弹簧5 内。先充入部分气体，当内部气压达到o 1 m p a 时，关 闭储气瓶口的阀门。通过疲劳试验台控制软件将疲劳试验机的上夹头缓慢往上移 5 0 m m ，然后将其固定不动，再打开球阀4 ，使储气瓶3 中的压缩气体充入空气弹 簧5 内。设定初始充气压力为0 5 m p a ，应用气压表a 测量空气弹簧试验行程中腔 内的压力数值。当气囊压力过高时，打开球阀6 ，把多余的气体放入大气。将空 气弹簧调至标准状态，关闭球阀4 ，记录此时空气弹簧的外径，然后将上夹头缓 慢上移6 0 m m ，并停留5 m i n 时间，然后以1 0 m m m i n 的速度将气簧往下压缩到1 0 0 m m ，通过疲劳试验台软件连续记录压缩过程的变形量时间曲线和负荷时间曲 线