摘 要

公交客车是城市交通运行的重要工具，在城市发展中扮演着重要的角色。当代社会车辆趋于电动化势在必行。悬挂系统是底盘中的重要组成部分，本课题主要针对纯电动6100BEV公交客车的悬挂系统进行设计。

设计悬挂系统最先确定了悬挂系统的基本参数，悬架的静挠度、偏频、弹性元件的刚度等，而为了增强平顺性，故选用空气弹簧作为弹性元件。然后根据相关参数尺寸在Catia软件模型中搭建零件模型，并将零件进行总装成为悬架的装配体。在装配完成后，借助测量工具量取特征点的位置坐标并在Adams Car中搭建具体的装配体模型，之后进行悬架运动学的仿真分析。

本次悬架设计大致可分为三大章节，从基础的绪论部分到悬架参数的设计计算部分，再到最后的仿真过程。在仿真过程之前，需要根据Catia软件模型进行运动学的干涉排除，在Adams Car中通过仿真分析得出四轮的基本定位参数的变化，以确定变化范围是否符合相关要求，以保证客车行驶时的操纵稳定性。

通过以上可以知道，本文对悬架设计过程及仿真进行了较为详细的描述，并采用了空气弹簧来替代钢板弹簧，丰富了非独立空气悬架系统的设计。

关键词：悬架设计；空气弹簧；运动学仿真；操纵稳定性

Abstract

Bus passenger cars are an important tool for urban traffic operations and play an important role in urban development. It is imperative that modern social vehicles tend to be electrified. The suspension system is an important part of the chassis. This topic is mainly designed for the suspension system of the pure electric 6100BEV bus.

The design of the suspension system first determines the basic parameters of the suspension system, the static deflection of the suspension, the bias frequency, the stiffness of the elastic component, etc., and in order to enhance the ride comfort, the air spring is selected as the elastic component. Then the part model is built in the Catia software model according to the relevant parameter size, and the parts are assembled into a suspension assembly. After the assembly is completed, the position coordinates of the feature points are measured by means of the measuring tool and a concrete assembly model is built in the Adams Car, and then the suspension kinematics simulation analysis is performed.

This suspension design can be roughly divided into three chapters, from the basic introduction part to the design calculation part of the suspension parameters, to the final simulation process. Before the simulation process, the kinematic interference exclusion needs to be performed according to the Catia software model. In the Adams Car, the changes of the basic positioning parameters of the four rounds are obtained through simulation analysis to determine whether the variation range meets the relevant requirements to ensure the passenger car travels Steering stability.

Through the above, we can know that the suspension design process and simulation are described in detail, and the air spring is used instead of the leaf spring to enrich the design of the non-independent air suspension system.

Key Words：Suspension design；Air spring；Kinematics simulation；Steering stability

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 电动汽车悬架发展概况 1

1.2.1 国外悬架研究现状 1

1.2.2 国内悬架研究现状 2

1.3 研究的基本内容 3

1.4 纯电动客车悬架设计的目的、意义 3

1.5 本章小结 4

第2章 空气悬架系统设计 5

2.1 空气悬架系统的概述与选型 5

2.1.1 空气悬架系统的结构与工作原理 5

2.1.1 空气弹簧的选型 6

2.2 空气悬架主要参数确定 6

2.2.1 纯电动6100BEV公交客车整体参数 6

2.2.2 悬架频率的选取 7

2.2.3 悬架静挠度设计计算 8

2.2.4 悬架动挠度的选取 9

2.2.5 空气弹簧的布置 9

2.2.6 空气弹簧的设计计算 9

2.3 减振器的结构类型与主要参数的选择 11

2.3.1 减震器的作用与分类 11

2.3.2 双筒式减震器的结构与工作原理 11

2.3.3 双筒式减震器相对阻尼系数的选择 13

2.3.4 双筒式减震器阻尼系数的确定 13

2.3.5双筒式减震器最大卸荷力 13

2.3.6 双筒式减震器主要尺寸的确定 14

2.4 高度阀的数目与布置 16

2.5 横向稳定性计算 16

2.6 横向稳定杆的设计计算 19

2.6.1 横向稳定杆的侧倾角刚度的确定 19

2.6.2 横向稳定杆的直径及尺寸参数的确定 20

2.6.3 横向稳定杆的校核 21

2.7 本章小结 22

第3章 悬架的仿真分析 23

3.1 Adams/Car模块概述 23

3.2 悬架模型的搭建 23

3.3悬架仿真分析 26

3.3.1 四轮定位参数结果分析 27

3.3.2 推力杆受力结果分析 30

3.4 本章小结 32

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1 引言

100多年的汽车的发展对资源的消耗是巨大的，而地球上的资源是有限的。如不加遏制的发展在未来几十年地球上的能源将消耗殆尽，此时人类正面临着前所未有的危机，这不是个别国家的问题，而是一个国际性的难题。从国家安全方面看，石油资源早已与国家的安全和社会的发展紧密的联系起来了，能源问题已经成为国民经济发展的战略问题，而汽车在我国的发展中扮演着支柱性的角色，从国家发展来看，汽车的发展不容有失。到目前位置，欧洲的许多国家已经确定了全面禁售燃油车的时间，对于中国，燃油车的禁售时间是在2035年，可以毫无疑问的确定，未来汽车的发展一定走上电动化的发展道路。在当下的发展中，随着中国全国进入全面小康社会，农村人口在向城市迁移，城市人口在增加。同时，城镇化发展潜力无穷，在巨大的人口基数下，公交车在城市人员出行扮演着重要的角色，公交车也将趋于电动化。电动汽车相比传统燃油车，电池、电机以及电动车特有的传动系统将取代传统燃油车的发动机等相关组件，则车的悬架系统将会发生变化，我们需要重新设计并匹配与之相应的悬架。

设计纯电动客车的悬架系统，要考虑底盘部件的布置情况，如电动化汽车的传动系统，还有电动车的电池和电机的布置等。同时，考虑到汽车整车参数与汽车承载质量的变化，悬架系统需要重新匹配。本次设计，将以纯电动6100BEV公交客车为例进行悬架系统的设计。

1.2 电动汽车悬架发展概况

1.2.1 国外悬架研究现状

空气弹簧出现的最早时间是在十九世纪中期，当时并不是在汽车上使用，最先用在机械设备上，主要作用是隔振。一直到上世纪五十年代，科学技术的发展，主要是利用高分子合成物体的技术，空气悬架才开始慢慢在汽车领域应用于实际。空气弹簧在汽车上的使用方案使得空气弹簧的发展更加迅速，在接下来的半个多世纪，空气弹簧从最开始的隔振到汽车上使用，最后使用的范围扩展到生产生活的多个方面。如G.J.Stein使用了一种控制方法与理论，研究了一种安装了有空气弹簧的座椅的垂直振动响应，并进行了模拟仿真。从20世纪90年代起，交互式CAD/CAE/CAM系统等系列软件如CATIA、ＵＧ开始广泛运用于汽车的设计、分析和加工过程，仿真软件Adams等的发展。空气弹簧的仿真研究成为了很多学者热衷的方面，比如Giuseppe Quaglia、TheoMeller、Takuya Yuasa和AlfHomeyer通过有限元的方法对空气弹簧进行了分析和探讨，并得到很多显著成果。

在空气弹簧不断安装于悬架之上，对于其悬架的研究也渐渐成为了热点。在这个方面，Jon Bunne和Roger Jable开展了空气弹簧作用在车辆转动方面的研究。Hyunsup Kim、Youngil Kim及Hyeongcheol Lee提出了一种具有高度控制功能的非线性滑模控制的空气悬架系统。其控制目标是提高高度控制精度和调节车身高度并控制滚动和俯仰，模拟证实所采用的控制算法是与实际相符的。

对于国外的公交客车来说，在满足载重与刚度的要求下，大客车全部都安装空气悬架，在中型、高级汽车及特种车辆上的使用也越来越广泛。在德国的著名学者耶尔森·赖姆帕尔编著的《汽车悬架》中也含有对各种悬架的详细说明与介绍，悬架一些机构的详细讲解。

1.2.2 国内悬架研究现状

我国的工业发展起步很晚，落后国外很多年。我国的汽车发展从第一个五年计划开始，一直到改革开放之后，汽车工业开始了飞速发展。现阶段中国的汽车工业与国外的汽车公司有着密切的合作，虽然汽车产量很庞大，掌握了部分技术，但一些汽车的核心技术仍然空缺。而对于具体的空气弹簧的研究是从1957年开始的，而且只研究了用于车辆上的空气弹簧。郭孔辉院士对空气弹簧的特性进行了初期的探讨，在之后由长春汽车研究所进行研究，并实现了工程应用。到上世纪九十年代，国内相关厂家及院校开始空气弹簧的研发。如钢板弹簧悬架到空气悬架的改型是由同济大学与江淮汽车公司等联合完成；重汽集团在板簧安装空气悬架的基础上完成了浮动桥空气悬架的安装。

对于空气弹簧特性的研究，许多学者借助计算机辅助，得到了很多有价值的结论。

盐城工学院刘德仿等人在理论指导的前提下，采用软件ADINA对膜式空气弹簧进行仿真，分析内部气压及帘线参数对其刚度特性的影响。

华南理工大学陈龙，胡习之、刘增华等人在利用AUTOCAD绘图软件建立模型的基础上，利用ABAQUS来进行有限元分析；并进行了垂直刚度分析，分析结果与实验结果一致。

以陈耀明为编者的《汽车悬架论文集》中涵盖了多种悬架的结构类型，其中以客车使用最多的空气悬架最新颖。在书中，详细介绍了空气悬架的主要优势与存在的不足，并在书中详细展示了复合式空气弹簧悬架的设计计算过程。

1.3 研究的基本内容

针对纯电动6100BEV公交客车的基本参数，确定其悬架类型，完成结构设计与分析，其主要设计内容如下：

（1）悬架基本类型的确定：纯电动6100BEV公交客车的悬架系统确定为非独立空气悬架，根据设计电动公交车的轴距、轮距、整车质量以及长宽高等基本参数确定。

（2）减震器和空气弹簧的选型：减震器应该从主动减震和被动减震中确定，而空气弹簧也要确定具体的型号。

（3）确定空气弹簧的安装位置及空气弹簧的主要设计参数：先确定前后轴的安装数目与位置，确定空气悬架的刚度，主要是平衡位置的刚度，还要确定悬架的静挠度与动挠度以及悬架的固有频率。

（4）悬架的三维建模与动力学建模：现在Catia中建立悬架的三维模型，将三维模型中特征位置点的坐标导入Adams中的悬架参数中进行动力学分析。仿真分析的主要参数有四轮定位参数以及特征部件的受力分析。

1.4 纯电动客车悬架设计的目的、意义

电动汽车的动力形式种类有很多，如混合动力型，燃料电池型，纯电动等。对于纯电动6100BEV公交客车，其主要动力单纯由电池提供。由于纯电动客车的驱动形式发生变化，由之前的燃油发动机变化为电动机，其整车的质量，车的重心位置和前后悬架的载荷分配等都发生了变化，同时为了增加客车的平顺性，客车的悬架普遍采用以空气弹簧为弹性元件来代替螺旋弹簧与钢板弹簧。

空气弹簧的优点突出，她的弹性较软，舒适性好，车轮动载荷很小，对地面产生的应力也小。对于公交客车来说，还能调整车身姿态，可以保证上车高度与站台高度一样。公交客车主要在城市良好的路面上行驶，同时考虑到公交客车的具体使用情况，悬架选用非独立空气悬架。

此次的悬架设计为客车悬架设计提供一个可行性的思路，同时更好的锻炼设计者的个人设计与分析能力，在掌握悬架设计的理论知识外，更好的锻炼应用实践能力，为未来的汽车工业的发展贡献力量。

1.5 本章小结

（1）本章主要讲述了空气悬架的发展现状，分别从国内与国外两个方面阐述了空气悬架的发展的历程，结果显示，空气悬架在正在快速的发展，在发展步伐上，国内要落后于国外。

（2）本章介绍了空气悬架的优点以及通过整车参数确定悬架类型的步骤与方法。

（3）本章介绍了空气悬架系统设计的一般步骤，从根据具体车型确定悬架选型到悬架系统的仿真，为接下来的设计奠定了基础。

第2章 空气悬架系统设计

2.1 空气悬架系统的概述与选型

2.1.1 空气悬架系统的结构与工作原理

空气悬架系统主要由空气弹簧、减震器、导向机构、高度控制阀、横向稳定器、车身高度控制阀、储气罐、储气筒、空气滤清器、控制连杆、连接管路、缓冲限位块和橡胶衬套、空气压缩机、油水分离器、调压阀等部分组成

图2.1 空气悬架系统结构

1-空气压缩机 2-油水分离器 3-调压阀 4-储气筒

5、10-空气滤清器 6-车身高度控制阀 7-控制连杆 8-空气弹簧 9-储气罐

汽车在启动运行后，空气中的大气通过空气压缩机的压缩作用，经过油水分离器和调压阀进入储气筒。而调压阀就是调节储气筒内气压，当对空气弹簧进行充气时，被压缩空气从储气筒流出，流入高度控制阀内。同时，由控制连杆来控制高度阀里面各个阀的开启与关闭。当汽车受到的载荷减小时，车身的重心高度将会上移，此时，控制机构控制高度阀的放气阀，将囊内气体排入大气，空气弹簧的气压减小，汽车的车身重心高度下降，使高度下降到之前的高度。当汽车受到的载荷增大时，车身的重心高度将会下移，与此同时，高度阀里面的重启阀打开，将压缩的空气冲入气囊以提高气囊的刚度，空气弹簧的气压增大，车身重心高度增加，恢复到下降前的位置。

2.1.1 空气弹簧的选型

空气悬架系统按弹性空气气囊的结构型式进行划分可分成囊式、膜式、复合式三种。其中膜式空气弹簧主要由橡胶膜片和金属压制件构成，相比于囊式与复合式空气弹簧，其弹性曲线较好，更能增加整车平顺性。故6100BEV公交客车选用膜式空气弹簧。

2.2 空气悬架主要参数确定

2.2.1 纯电动6100BEV公交客车整体参数

本次毕业设计的纯电动6100BEV公交客车的主要技术指标或主要参数如下：

表2.1 整车参数

表2.2 重量参数

2.2.2 悬架频率的选取

根据汽车的质量分配系数，可以认为汽车前、后轴上方的车身振动互不影响，即前、后轴的振动是独立的。根据表2.3，可以初次选择前悬架的频率为1.3Hz，后悬架选取1.37Hz。

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