车辆动力学研究：虚拟样机仿真验证空气悬架系统的优势

本书采用多体系统动力学与有限元分析技术的基本理论和方法，建立了低地板城市客车的虚拟样机，按照国家汽车试验标准进行了仿真计算与试验工作，对车辆的性能进行了评价，对虚拟样机进行了验证。并以虚拟样机为基础，对城市客车的悬架系统进行了运动学和动力学分析，对空气悬架的非线性刚度特性进行研究。具体而言，主要包括以下四方面的内容：

(1)本书开发的低地板城市客车虚拟样机包括前悬架、转向系、后悬架以及轮胎路面模型，同时为保证模型的正确性和高精度，还具有以下一些特色：横向稳定杆和空气悬架导向推力杆的有限元模态分析结果通过Craig-Bampton模态综合法集成到整车虚拟样机中，建立了刚柔耦合的多体动力学分析模型，并可以方便地对柔体模态进行选择和分析；为保证虚拟样机的具有合理的侧倾刚度，在悬架与车架的关键连接处施加了弹性橡胶衬套，考虑到橡胶衬套特性的复杂性，暂不考虑其非线性刚度，而是通过非线性的刚度试验数据拟合得到其在预紧变形处的线性刚度；为正确考虑空气悬架的非线性负载特性，通过最小二乘法对试验数据进行了拟合，并施加到悬架系统中。

(2)在双横臂独立悬架刚弹耦合模型的基础上，研究了弹性橡胶衬套对悬架运动学参数的影响，并提出空气悬架动态刚度的计算方法，分析了双横臂机构和空气弹簧非线性刚度对悬架动刚度的影响。(www.xing528.com)

(3)低地板城市客车道路试验是在襄樊国家汽车试验场进行的，按照国家车辆路面试验的标准进行了车辆操纵稳定性和平顺性的相关试验并采集大量的试验数据。同时利用所建立的虚拟样机，按照试验条件设计虚拟试验，对稳态转向特性，开闭环瞬态操纵稳定性和平顺性进行了仿真研究。仿真与试验数据表明低地板城市客车在低侧向加速度时，具有近似临界稳态转向特性，高侧向加速度时呈不足转向特性。方向盘角阶跃输入的仿真与试验表明该车具有较好的瞬态操纵稳定性，车身侧倾角和侧向加速度都在较短的时间内达到稳定，而且保持在一个较低的水平。为对系统的移线瞬态特性进行考察，从闭环系统的角度，综合考虑驾驶员特性及道路条件构建驾驶员模型，并与所建立的低地板城市客车虚拟样机进行综合，在车辆移线道路试验的基础上进行了瞬态操纵稳定性研究。低地板客车的设计最高车速为75 km/h，在巡航车速50 km/h时，侧倾角小于1°，侧向加速度保持在1.2 m/s2 范围内，表明车辆在操纵稳定性具有很大的储备，转向灵敏度和行驶的稳定性较高。平顺性试验与仿真都表明该车的垂向振动固有频率在3 Hz左右，可以避开人体的振动敏感区域。同时，仿真数据与试验数据的变化趋势基本一致，有效的证明了虚拟样机是正确的，且具有较高的精度。

(4)空气悬架具有很强的非线性刚度特性，所以其设计和匹配与普通悬架相比要复杂得多。本书从空气弹簧的静态负载特性试验数据入手，对空气弹簧的刚度特性和有效截面积的变换规律进行了研究，并拟合了有效截面积与弹簧高度之间的变化关系。对空气弹簧的刚度特性进行的分析表明，在设计高度时，空气弹簧的刚度随囊腔压力的变化是线性的。在此基础上，本书提出了以设计高度的空气弹簧刚度取代虚拟样机空气悬架的非线性特性，按照固定刚度悬架的优化方法进行悬架参数优化，再恢复到空气弹簧的负载特性的空气悬架参数优选方法。空气悬架的导向机构不仅要保证悬架的正确运动轨迹，还要传递悬架与车架之间的各种力和力矩，对车辆的性能有很大的影响。通过调整非独立后空气悬架导向机构横向推力杆的前后位置，仿真计算了导向机构对车辆稳态转向特性的影响，并进行了弹簧刚度改变后导向机构参数的相应匹配。基于虚拟样机的仿真结果显示空气悬架参数优选和匹配的有效性。