空气悬架客车的操纵稳定性研究

郭君娥， 李殿起

（沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳110870）

0 引 言

随着时代的发展和人们生活质量的提高，无论汽车还是客车，在生活中都已经成了必不可少的出行工具，使空气悬架的应用成为了必然的趋势，空气悬架对车辆的操稳性和行驶时的舒适性有着很大影响，因此在客车及高档轿车中得到了广泛应用[1]。

空气悬架的设计是为了确保车辆具有良好的操稳性、平顺性及安全性等。空气悬架让车辆有了更多的灵活性，当高速行驶时悬架系统会变硬来达到车身稳定的要求；当低速行驶时悬架系统会变软来达到车辆舒适的要求。由于变刚度的特性及较固有频率的较低变化，使空气悬架能够依据路面和车速的变化情况，实现客车车身高度的自动调节变化，这样不仅有效提高乘坐的舒适性，还让操纵稳定性能更好[2-3]。这就使得空气弹簧悬架正在逐步取代金属弹簧悬架。以金龙客车的KLQ6122B 空气悬架为例，具体分析前、后空气悬架的设计。然后建立车辆的单论模型，通过微分方程及Matlab仿真，研究车辆的操纵稳定性。

1 空气悬架客车的操纵稳定性仿真

1.1 前后空气悬架的简介

前空气悬架系统ASB140如图1所示。两个气囊和两个减震器安装在一根整体式车桥上，空气弹簧安排在车架的下方，布置了横向稳定杆固定在左右悬架上面，防止车辆横向侧翻和提高行驶平顺性。前空气悬架技术参数:悬架高度为261.9 mm；额定轴载为6.35 t；车桥动行程为146.1 mm，向上为70.6 mm，向下为75.4 mm；悬架质量为175 kg；左右两侧空气弹簧的中心距离为774 mm；客车空气弹簧板簧梁的中心距离为889 mm。

图1 前空气悬架

后空气悬架系统R130A如图2所示。4个气囊和2个减震器布置在整体式的车桥上，每侧2个气囊承受垂直载荷，有上下2种推力杆，其中上推力杆为斜推力杆，下推力杆布置成直推力杆。后空气悬架技术参数: 悬架高度为230 mm；额定轴载为13 t；车桥动行程为199 mm，向上为94 mm，向下为105 mm；悬架质量为390 kg；空气弹簧左右中心距为1520 mm；空气弹簧前后中心距为1680 mm；空气弹簧安装高度为242 mm。

前、后空气悬架的安装位置如图3所示，将压缩的空气送到空气弹簧的气室中，客车的车身高度位移传感器安装在前、后轮附近，依据传感器的反应，判断车身的高度变化，使车辆到达减震的效果[4]。整车的性能与空气悬架的位置有很大的关系，一般情况下在车架外侧位置安装空气悬架，以此来增加中心距，获得较大的悬架侧倾刚度。当客车满载时，后空气悬架比前空气悬架承受的载荷大。一般行业内空气悬架的固有频率经验值为1.3～1.4 Hz，该车的前、后空气悬架都在这个标准范围内，所以该空气悬架能够让车辆稳定安全地行驶。

图2 后空气悬架

图3 前、后空气悬架的安装

空气悬架对车辆的操纵稳定性有很大的影响，本文将建立空气悬架相关的动力学模型，包括轮胎和路面的模型，配合着1/4空气悬架的车辆模型，分析悬架振动原理，得到仿真结果。

1.2 建立客车模型及评价指标

因为整车七自由度动力学模型的建立是一个复杂的过程，所以采用单轮客车模型的建立取代复杂模型。通过对整车模型进行合理的假设，适当减少建立后模型的自由度，其中最具有代表性的单轮客车模型就是二自由度1/4客车模型[5]。此模型能够建立的条件是：乘员和车身都看成整个系统，其中传动系统忽略不计，并且发动机影响也不考虑，车身简化后前、后质量看成彼此独立存在，车轮与地面接触方式为点接触；客车的轮胎阻尼相对于减震器的阻尼小到可以忽略不计，故只考虑轮胎的刚度即可[6]。二自由度1/4空气悬架客车模型如图4所示。

图4 二自由度1/4客车模型

求解车辆振动微分方程一般用拉格朗日法或者牛顿法[7]。二自由度1/4空气悬架客车模型依据牛顿法求解即可，列出振动微分方程为：

对于二自由度1/4空气悬架客车模型的稳定性分析，具体评价指标如下：

1）衡量垂向运动稳定性的重要指标为车身垂向加速度均方根，也被称为不舒适度参数(ACC)，它描述了垂向加速度的变化程度[8]。车辆在不平路面行驶时，乘客对4～8 Hz的垂直振动频率感知最强烈，而乘客对纵向加速度感知不敏感，可忽略不计。车身垂向加速度均方根表达式如下：

1.3 仿真结果分析

根据客车在路面上的实际行驶情况，通过应用Matlab/Simulink对该模型进行仿真，选择客车经常驾驶的B路面以及白噪声作为输入，Gq（n0）=6.4×10-5，取V=80 km/h。得到仿真结果如图5～图7所示，可以看出客车在滤波白噪声激励下，匀速直线行驶时，空气弹簧悬架系统对路面吸振性能很好，在垂直振动的衰减方面成效显著，与性能需求和悬架设计的预测成效很符合。由Matlab/Simulink仿真数据整理得到影响操纵稳定性的悬架指标的均方根值，B级路面下，车身垂向加速度均方根值为0.7757 m/s2，悬架动行程的均方根值为0.0604 m，轮胎动载荷均方根值为151 N。由此可以看出车辆的自身调节能力较强，吸振能力好，有更好的乘坐舒适性和稳定性，这也就导致了空气弹簧悬架越来越多的应用。

图5 B级路面车身垂向加速度

图6 B级路面悬架动行程

图7 B级路面轮胎动载荷

2 结 论

本文主要介绍了空气弹簧悬架的设计，前后悬架的技术参数及前后悬架的关联性，建立二自由度1/4空气悬架客车模型。输入客车经常行驶的路面激励信号，对客车的垂向加速度、悬架动行程和车轮动载荷这3个影响车辆舒适和稳定性的因素进行仿真分析，结合悬架系统的评价指标，发现空气弹簧悬架在操纵稳定性和舒适性方面很好。