减轻重型汽车对道路的损伤——汽车悬架优化设计

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1、减轻重型汽车对道路的损伤——汽车悬架优化设计余卓平黄锡朋张洪欣（同济大学，上海）yuzhuoping@fcv-sh.com摘要车辆对道路的损伤取决于其作用在道路上的轴荷（包括静态轴荷和动态轴荷）。本文从改善汽车振动性能，从而减小动态轴荷的观点出发，以减轻车辆对道路的损伤为目的，对汽车悬架进行优化设计分析，并作了实例计算，由此指出在重型汽车后悬架设置减振器是减轻我国道路损伤的有效方法。关键词道路损伤汽车悬架优化设计0引言在传统的汽车设计中，悬架参数的选择是以保证汽车的性能为目的而进行的。随着公路交通的发展，公路上行驶的重型汽车愈来愈多，重型汽车对道路的损伤问题也愈来愈

2、得到重视。如何通过合理的设计，减轻重型汽车对道路的损伤，是当前面临的新任务。车辆对道路的损伤主要取决于车辆轴荷（包括静态轴荷和动态轴荷）和车轮轮胎的接地1面积。具体的车辆对道路损伤的计算公式为：2N⎡⎛σ⎞⎤4pθ=∑()ηηP•⎢1+6⎜⎟⎥（1）III动1⎢⎜p⎟i=1⎣⎝静⎠1⎥⎦式中θ为车辆对道路的损伤系数，N为车辆的总轴数，P静1和σ为第i轴上的静态轴P荷和动态轴荷均方根值，η和η分别是第i轴上反映车轮轮胎接地面积的车轮轮胎布置I1II1形式影响系数和轮胎充气气压影响系数，P静，η和η是在汽车总体设计时确定的量，根III据文献1有：⎧1.0车轴单侧单轮胎η

3、I=⎨⎩0.9车辆单侧双轮胎2⎧1.1轮胎充气气压Ρ=0.9N/mm⎪2ηII=⎨1.0P=0.7N/mm⎪20.9P=0.5N/mm⎩动态轴荷的大小主要由激励的大小（路面不平度）和悬架系统的优劣来决定。就对道路2损伤影响较大的车辆后轴而言：∞22()2⎛σpr⎞2∫0Hr2πf/fdf⎜⎟=υ⋅G()n⋅n⋅（2）⎜P⎟000P2⎝静r⎠静r式中υ为行车速度，G()n和n为路面不平度系数和参考空间频率，最后一项分式是q002表征车辆（悬架）特征的车辆系数Fr，其中H(2πf)是路面不平度对后轴轴荷的传递函数：rG()f2()pr动H2π=（3）rf()GfqG()

4、f和G(f)分别为后轴动态轴荷和路面不平度的功率谱密度。pr动q3联邦德国根据汽车车辆系数Fr的大小，对悬架的振动性能作了分类（见表1）。发达国家重型汽车后悬架特性大都属中等水平。性能优良的悬架系统往往需要采用空气弹簧表1悬架振动性能分类2车辆系数（秒/米）377~754755~15711572~2513>2513性能评价优良中等差极差由于我国以往的载重汽车设计主要着重考虑前悬架的振动性能（保证驾驶室平顺性要求），对后悬架的振动性能要求不严，从而国产重型汽车的后悬架振动性能都较差，按表1归类，大都属差或极差之列。这对于我国的道路来说是很不利的。因此，在保证国产重型汽

5、车其它原有性能不降低的前提下，对其悬架系统（尤其是后悬架）进行优化设计，改善它的振动性能，从而减轻重型汽车对道路的损伤是十分必要的。1重型汽车悬架系统化设计1、优化目标函数从减轻车辆对道路的损伤出发，以式（1）中的损伤系数θ为优化目标函数，既优化后的悬架系统可使车辆对道路的损伤系数达到最小值。⎧2⎪N⎡⎛σ⎞⎤4p(4)F=minθ=min⎨∑()ηIηIIP静1⎢1+6⎜⎜⎟⎟⎥⎪⎩i=1⎢⎣⎝Pw⎠1⎥⎦2、优化设计变量2悬架系统只影响式（4）中的(σ/P)项。p静当汽车总体设计确定后，η、η及P静均为定值。III在计算车辆对道路的损伤时，主要考虑车辆满载工况，

6、故P静应是满载工况下的值。对于计4算式（2）中的υ、G()n和n值，根据我国道路状况，路面等级以C级为主，故在优化q00−63−1设计中取G[]n=256×10m(n=0.1m)，并根据C级路面上的常用行车速度，取q0022υ=50公里/小时。式（2）中H(2πf)（前悬架相应为H(2πf)）的计算主要根据图1r1所示的双轴汽车简化平面模型进行（详见文献2）。图1模型中的质量参数由汽车的非簧载4质量、簧载质量及其转动惯量决定。它们是在汽车总体设计时确定的量。轮胎刚度k根t1r据轮胎型式和轮胎充气气压决定。除此以外，模型中的悬架系统刚度系数k1、r及阻尼系数2C1、r

7、是决定Hr()2πf的主要参数。它们也正是需要进行优化设计的参数。考虑将优化变量r无量钢化，并根据重型汽车悬架的常用类型，确定优化设计变量及其取值范围如下：X()1=k/k前悬架刚度比X(1):1.0~8.0trtX()2=c/2km前悬架阻尼比X()1:1.0~0.5tr2rX()3=k/k后悬架刚度比X()1:1.0~8.0trtX()2=c/2km前悬架阻尼比X()1:1.0~0.5tr2r3优化设计约束条件悬架的钢度、阻尼除影响汽车对道路的动载荷外，还对车身垂直加速度、悬架动挠度悬架弹簧强度等有影响。为了保证在进行以减轻汽车对道路损伤为目的的优化设计是，