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基于独立悬架的客车底盘升级
杨武，李明，梁志宏
西华大学机械工程与自动化学院，中国四川成都610039
yangWu123456020@sina.cn, {120162016,630824654}@qq.com
摘要：悬架是现代车辆的重要组件之一，它使车架和车轴弹性连接起来。其主要任务是传递车轮与车架之间所有力和力矩，减轻从不平整路面传递到车架的冲击载荷，这一切都是为了保证车辆的正常运行。采用独立悬架可大大降低弹簧负载部件重量，减小振动负荷，提高车辆运行平稳性。以前，客车悬架的使用一般采用非独立悬架。由于人们注重乘坐舒适性，控制稳定性，行驶平稳性，原有的悬架系统已经不能满足人们的需求。客车（成都）公司致力于提高客车质量，增加客车产品的市场份额。现在本文正在升级CDL6606车型的底盘，将原有的板簧悬架改为前悬架采用双横臂独立悬架，后悬架采用少片刚板弹簧。
关键词：双横臂独立悬架，少片刚板弹簧，升级，客车。
1 汽车悬架的发展现状
近年来，随着国内外高速路网的发展和汽车速度的提高，对汽车悬架结构设计提出了越来越高的要求。国外汽车悬架的发展主要围绕轿车。这是因为轿车具有高速度和舒适性还有转向稳定性的特性要求[1]。但客车和面包车的悬架也在发展中。目前，虽然汽车悬架系统的悬架连杆有各种类型，但中高级轿车的前悬架大多采用双横臂悬架，螺旋弹簧和减震器组合的独立悬架，后悬架大多还采用非独立悬架，客汽车悬架仍以板簧为主，但国内众多知名客车生产企业将优化悬架，以作为豪华客车的首选悬架。空气悬架逐渐成为客户的青睐[2]。
2 独立悬架与非独立悬架的比较
非独立悬架，特别是采用平行板簧作为弹性元件（和悬挂连杆），由于其结构简单可靠，制造容易，维护方便，当车轮上下跳动时，方向盘的定位参数变化不大，轮胎磨损不明显，以及其他优点，目前在卡车和一些客车中广泛使用[3]。一些汽车的后悬架也采用了这种结构形式。但是，由于非独立悬架存在一些严重的缺陷，例如在高速时不能保证足够的乘坐舒适性和车辆的稳定性，许多车辆尤其是轿车采用独立悬架，因为它具有以下优点：（1）独立悬架的非簧载质量减轻，乘坐舒适性提高;（2）可以安装非常柔软的弹簧，以提高乘坐舒适性;（3）对于FR型汽车后轮，它可以固定车身侧面的差速机构，从而减少车架下车身与地面之间的距离，以及后座与地面之间的距离，以及降低汽车的重心。相对上述优点，这种悬架形式具有以下缺点：（1）独立悬架结构复杂，制造成本较高;（2）汽车保养及维修困难;（3）当轿车行驶时，前轮定位和轮轨经常发生变化，导致轮胎大量磨损[4]。
3 独立悬架的结构类型与分析
根据车轮运动形式独立悬架分为：车轮在汽车横向平面摆动的悬架;车轮在汽车纵向平面上摆动的悬架;车轮在汽车斜面上摆动的悬架;车轮沿着定位销滑动的悬架
根据悬架连杆的结构特点独立悬架可分为：双横臂，单横臂等[5]。
3.1汽车悬架的发展现状
弹性元件是悬架的主要部件之一。它的作用是支撑汽车悬架上的重量，减轻来自路面的冲击载荷并传递到车架上。目前悬架的弹性部件有各种各样的形式，例如板簧，螺旋弹簧，扭杆弹簧，气弹簧（空气弹簧，油气弹簧），橡胶弹簧等。主要通过材料变形来储存能量，然后缓慢释放能量以减轻冲击。因此在分析弹性元件的性能时，通常使用单位储能来比较，储存能量大小与许用应力，弹性模量和材料密度有关。
4 CDL6606悬架升级计划
原客车底盘为非独立悬架（图1），弹性部件为板簧，该悬架在高速行驶时无法满足平稳和控制稳定性的要求。根据车身的整体尺寸和轮廓设计（图2），目前，前悬架采用不同的长双横臂悬架（图3）。后悬架采用锥形钢板弹簧（刚性轴悬架）。
图1.板簧悬架 图2.车身外观
4.1独立悬架的结构类型与分析
由于板簧结构简单，技术成熟，它广泛应用于面包车悬架和客车悬架。其结构强度主要影响安全性和舒适性[6]。与其他弹性元件相比，板簧不仅起弹性元件的作用，而且还能起到决定车轴，车轮运动特性的定向组件的作用。并且可以传递各种力和扭矩。部件之间以及铰链之间的摩擦可以抑制振动，因此目前它仍广泛用作弹性部件。其设计主要考虑板簧应力，板簧主要参数的选择（弹簧载荷，静态挠度和动态挠度，客车满载时的弧高，弹簧长度，叶片截面尺寸和切片数量）等[7]。少片板簧（图4）具有切片少，质量好，光滑好等优点，对实现车辆轻量化，提高车辆平稳舒适性具有十分重要的意义。因此，开发能够承受高应力和高强度的簧片是国内外的发展趋势。同时，少片板簧的预设应力必须比多片弹簧更多，除此之外，板簧越少，其自身的预设应力水平也不断提高，汽车弹簧的预设应力也从原预设应力的900MPa水平提升到1200MPa水平。
为了降低车辆质量并改善其平稳性，在国内外，由一个或多个纵向可变截面组成少片板簧越来越多地用于客车。首先，它广泛应用于商用车和客车，它采用不同厚度的截面来保持相同的强度特性，与多片弹簧相比，其质量下降了30-40％，有的甚至达到50百分。
图3.少片板簧 图4.不同长的双横臂独立悬架
4.2独立悬架应满足要求
前轮独立悬架连杆的要求：（1）当悬架负荷变化时，悬架连杆应保证轮距不发生明显变化，如果轮距变化明显，则会导致车轮磨损严重;（2）当悬架负荷变化时，应使前轮定位角具有合理的变化特性;（3）当悬架负荷变化时，车轮不会产生较大的纵向加速度，这是为减少纵向冲击，避免转向节承受惯性力矩，使方向盘上的扭矩急剧变化;（4）当汽车刹车时，车身抑制“点头”动作;（5）当汽车加速时，车身抑制“抬头”动作[8]
4.3不同长的双横臂独立悬架
两个摆动的双横臂式独立悬架的长度可以相等或不同。等长双横臂独立悬架，当车轮上下跳动时，车轮转动平面不倾斜，但轮距明显变化，这将增加车轮横向滑动的可能性。不同长的双横臂独立悬架，如果两臂长度选择正确，可以使主销与车轮之间的长度变化不明显，并且轮距也不明显地变化，轮距的微小变化可以由轮胎的变形补偿。
4.4水平面上下臂倾角与倾角方向
设计导向机构时，除了选择上臂和下臂的尺寸及其比例外，还应正确设计横臂。在设计位置时，旧的上下臂布局方案可以与水平面平行，可以设计成在水平面有个倾角，而倾斜方向也可以有不同的选择（图5），现在以一对转向机构作为一个例子，我们可以分析它并得到它的侧倾中心，如果车身没有移动，地面在车身周围晃动，轮胎与地面之间的接触点C和D点的线速度方向，即地面相对于车身瞬时中心。如果我们假设车轮是刚性的，当车身超速时，车轮不会侧滑，也不会跳离地面，根据上述假设，地面上的C和D点线速度与轮胎上C点和D点线速度相同，因此关键是如何获得与车身相关的C和D点的速度。为了方便分析，轮胎（包括刚性连接轮胎的转向节） ，上臂，下臂和车身分别标有1,2,3,4，这四个杆构成四连杆机构。4杆代表车身是静止，通过机械原理的知识很容易得到涉及1杆的瞬时“a”，我们可以延伸2杆和3杆代表上臂和下臂，延伸的交叉点是瞬时b，因此可以确定轮胎上的“c”的速度方向，其垂直于b和c点的连接线。类似地，也可以找到轮胎上的“d”（vd ）的速度方向，它垂直于“a”和“b”的连接线。如果已知轮胎接触地面的“c”和“d”的速度方向，那么地面与车身相联系的瞬时回转中心在ad 和bc 的交叉点o，这一点“o”是车身的侧倾中心，因为左右轮是相互对称的，所以点“o”必须落在汽车对称中心线上（图6）。
通过上述分析，我们可以得出结论，侧倾中心和在水平面上的上横臂布置具有密切的关联，只要在水平面上的上下横臂排列角度变化，我们可以得到不同的侧倾中心位置，侧倾中心位置通常由侧倾中心与地面之间的高度差来评估，它影响汽车的行驶性能，尤其是行驶平稳性和控制稳定性，总之，侧倾中心的距离越大，从它到重心的距离越短，这可以使横向力引起的力臂短，结果是使车身侧角小。但是，如果侧倾中心太高会使轮距变化明显并减少轮胎的磨损，那么应该选择合理的侧倾中心并使当车轮变化时它不会有很大的变化。通过对车体因素的综合考虑，为避免产生较大的干扰，采用上下臂与水平面的水平线平行的排列方案
图5.上臂和下臂在水平面上的排列
图6.导向机构的侧倾中心
5 结论
本文提出了原有的客车底盘升级方案，通过该方案提出，特别是对底盘悬架设计思路的理解
，尤其双横臂悬架设计有详细的概述，升级后的客车底盘经过实验检验，其车辆运行平稳性和控制稳定性有了很大提高，随着人们生活水平的日益提高，为了满足市场需求，底盘将进一步升级，例如安装空气弹簧悬架，添加慢速装置等。
6 参考
[1]. Yu, Z.: Auto theory. Mechanic industry Press (2004)
[2]. Cai, X.: Automobile structure and principle. Mechanic industry Press (2004)
[3]. Ji, L., university: Automobile teaching and research section. Automobile design. Mechanic industry Press (1986)
[4]. Xiao, T., Zhi, H.S.: Automobile design. Mechanic industry Press (1990)
[5]. Zhang, office, Luo, Z.: Less leaf spring optimization design. Automobile Technology
(2010)
[6]. Jiang, P.: Automobile suspension system simulation analysis and parameter optimization
design, pp. 433–438 (2006)
[7]. Deng, Y.D., et al.: Car body design based on UG, pp. 41–52 (2005)
[8]. Ding, H., et al.: Less piece leaf spring mechanical properties of finite element analysis,
pp. 101–107 (2009)
2017年第五届机械，汽车和材料工程国际会议
关于独立悬架外倾角优化目标研究
吴志成，孙宜山
北京理工大学机械工程学院
中国北京
电子邮件：wu_zhicheng@bit.edu.cn;sys1996127@163.com
摘要 - 对于具有独立悬架的车辆，车轮的运动特性和优化对车辆的操纵稳定性有很大影响。优化的目标是一个确保优化后悬架良好性能的重要因素。通过分析车辆在直线和曲线上行驶时车轮外倾角最优解的差异，并比较当悬架具有线性和非线性刚度两种不同情况下车轮外倾角最优解的差异，提出了车辆外倾优化的设计范围。根据车辆的实际运行条件，提出基于加权方法确定外倾角最优解的方法。
关键词 - 独立悬架;动力学优化;车轮外倾;设计范围;设计目标
I.介绍
关于悬架运动学优化目标的传统研究主要集中在车轮定位参数上。
研究人员对车轮定位参数进行了优化，以提高车辆的操纵稳定性，优化目的包括外倾角变化范围为1°，后倾角的变化范围为4°~6°，当车轮震动时，内倾角变化范围小，主销偏置拖距小，车轮震动时前束角最小[1]。
研究人员确定了车轮定位参数的每个因素的权重，并根据权重原则提出了一般函数方程。[2]
研究人员根据车轮定位参数的每个因素的权重定义了两个通用函数方程。将外倾角和前束角分配给一组，并将内倾角和后倾角分配给一组。然后将优化的目标定义为两组目标[3]。
研究人员希望在车轮跳跃时使车轮定位参数的变化最小，并确保前束角为负数当车轮跳跃时而当车轮被束缚时前束角为正数，后悬架的前束角特性与前悬架是相反的，而且外倾角的变化是负数[4]。
研究人员通过改变硬点位置和优化车轮定位参数来优化悬架特性[5]。
一位研究人员建立了一个模型，分析了外倾角的不同因素，并通过优化外倾角来提高驾驶员的驾驶舒适度[6]。
在我们的研究中，我们分析了在车辆直线和曲线运行时车轮外倾角优化目标的差异，并比较了在悬架具有线性和非线性刚度两种情况下车轮外倾角优化目标之间的差异。根据车辆的实际运行情况，提出了外倾优化设计范围，并基于加权方法实施了确定外倾角优化目标的方法。
II.车辆在直线和曲线行驶时车轮优化目标的差异
车轮的理想运动特性对车辆的运行稳定
资料编号：[4849]
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