摘要：從東風(fēng)某系列輕型載貨汽車(chē)車(chē)型的制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化、懸架系統(tǒng)優(yōu)化兩方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述和分析，提出了投入開(kāi)發(fā)的整車(chē)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)論可為以后的同類(lèi)型的整車(chē)性能設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：輕型載貨汽車(chē)；整車(chē)性能；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.2 收稿日期：2024-07-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.009

1 前言

隨著輕型載貨汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇、高速公路里程的急速增加、普通公里路況條件的不斷改善，為提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，用戶(hù)和汽車(chē)生產(chǎn)廠家對(duì)汽車(chē)的舒適性、安全性等都提出了更高的要求。

東風(fēng)某系列輕型載貨汽車(chē)整車(chē)性能優(yōu)化主要包括制動(dòng)和懸架系統(tǒng)優(yōu)化、整車(chē)主要參數(shù)的確定等。本文對(duì)該系列車(chē)型主要性能設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及過(guò)程進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)整車(chē)性能設(shè)計(jì)中需要注意的一些問(wèn)題進(jìn)行了分析說(shuō)明。

2 設(shè)計(jì)原則

東風(fēng)某系列車(chē)型主要性能設(shè)計(jì)原則如下：

a.滿(mǎn)足客戶(hù)核心需求的主要總成，如下：采用4F90氣制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、[?]275膜片彈簧離合器、A100變速箱、1.8 t前橋、3.5 t后橋等。

b.零部件盡量與已開(kāi)發(fā)的車(chē)型保持最大的通用，以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的要求，減少試制和生產(chǎn)投入，縮短試制周期和生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

c.整車(chē)可靠性好（首次故障間隔里程和平均故障間隔里程達(dá)到5 000 km），安全性高，維修方便（駕駛室可翻）。

d.主要系統(tǒng)、管線等優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 整車(chē)參數(shù)及性能要求

3.1 整車(chē)基本參數(shù)

根據(jù)用戶(hù)核心需求，同時(shí)參考基礎(chǔ)車(chē)型基本參數(shù)，確定整車(chē)基本參數(shù)如表1所示。

3.2 性能要求

根據(jù)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及整車(chē)動(dòng)力總成匹配需要，確定整車(chē)主要性能參數(shù)目標(biāo)見(jiàn)表2。

4 各系統(tǒng)匹配

4.1 制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

某系列車(chē)型制動(dòng)系統(tǒng)組成如下：

a.氣源部分。

該部分主要由空氣壓縮機(jī)、卸載閥、儲(chǔ)氣筒、四回路保護(hù)閥及其他相關(guān)附件組成。

①空氣壓縮機(jī)。

采用齒輪傳動(dòng)單缸水冷式空氣壓縮機(jī)。由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸驅(qū)動(dòng)。壓縮空氣由此產(chǎn)生，首先進(jìn)入卸載閥，管路中壓力在卸載閥處得到調(diào)節(jié)而進(jìn)入濕儲(chǔ)氣筒。通常調(diào)節(jié)后壓力在6.5個(gè)大氣壓左右。

②卸載閥。

該車(chē)型所采用卸載閥為通用件，產(chǎn)品圖號(hào)為3512N-010（總成）。主要功能是自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力，防止管路氣壓過(guò)載，去除水、油等污染物，并向濕儲(chǔ)氣筒供氣。

③四回路保護(hù)閥。

四回路保護(hù)閥為通用件，產(chǎn)品圖號(hào)為3515Q54-010（總成）。主要功能是保證前后回路互相獨(dú)立，當(dāng)其中有一條回路實(shí)失效時(shí)，其他回路的供氣和充氣不受影響，保持獨(dú)立，確保整車(chē)制動(dòng)的安全性。

④儲(chǔ)氣筒。

制動(dòng)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有三個(gè)儲(chǔ)氣筒。一個(gè)濕儲(chǔ)氣筒20 L，前儲(chǔ)氣筒（和濕儲(chǔ)氣筒共用）20 L，后儲(chǔ)氣筒20 L。為了簡(jiǎn)化布置，實(shí)際設(shè)計(jì)中采用一個(gè)40 L儲(chǔ)氣筒在中間加隔板形成濕儲(chǔ)氣筒和前儲(chǔ)氣筒。儲(chǔ)氣筒的主要作用是儲(chǔ)存高壓氣體，以便給回路供氣。為了滿(mǎn)足安全駕駛的要求，在前后回路中安裝了低壓報(bào)警開(kāi)關(guān)，當(dāng)儲(chǔ)氣筒壓力低于450 kPa時(shí)，即向駕駛員發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

1.前橋制動(dòng)氣室 2.快放閥 3.雙腔制動(dòng)閥 4.后貯氣筒 5.繼動(dòng)閥

6.后橋制動(dòng)氣室 7.三通接頭 8.濕貯氣筒 9.前貯氣筒 10.四回路保護(hù)閥

11.卸載閥 12.空氣壓縮機(jī) 13.放水閥 14.低壓報(bào)警開(kāi)關(guān)

b.行車(chē)制動(dòng)部分。

行車(chē)制動(dòng)部分采用雙回路控制，由串列雙腔制動(dòng)閥來(lái)完成，其中制動(dòng)閥上腔控制前回路。為了減少充放氣時(shí)間，改善制動(dòng)系統(tǒng)的充放氣特性，在前回路中還設(shè)計(jì)了快放閥，后回路中設(shè)計(jì)了繼動(dòng)閥，提高了制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)反應(yīng)靈敏度，充分改善了整車(chē)的制動(dòng)特性。

①制動(dòng)閥。

制動(dòng)閥為串列雙腔室制動(dòng)閥，是制動(dòng)部分的主要控制元件，它可以分別控制各自獨(dú)立的前后制動(dòng)回路，當(dāng)一腔失效時(shí)，另一腔仍能正常工作。該車(chē)型所采用的制動(dòng)閥為通用件，圖號(hào)為3514V66-001。

②繼動(dòng)閥和快放閥。

繼動(dòng)閥和快放閥均為通用件圖號(hào)分別為3527D9-010（總成）和3533N1-010（總成）。加裝這兩種閥主要是為了及時(shí)充、放氣，縮短制動(dòng)和解除制動(dòng)時(shí)的滯后時(shí)間，更加有利于及時(shí)制動(dòng)和制動(dòng)過(guò)后的整車(chē)及時(shí)加速。

③制動(dòng)器。

該車(chē)型所采用的制動(dòng)器均為非平衡式鼓式制動(dòng)器，采用普通氣室，規(guī)格及具體參數(shù)如表3所示。

前后制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2[1]。

4.2 駐車(chē)制動(dòng)部分

駐車(chē)制動(dòng)部分結(jié)構(gòu)采用側(cè)拉式操縱機(jī)構(gòu)，中央鼓式制動(dòng)器，制動(dòng)鼓鼓徑[?]210 cm，制動(dòng)蹄寬65 cm。手制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

4.2.1 汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的受力分析

汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的受力圖見(jiàn)圖4。

由圖4可求得地面法向反作用力[2]為：

[Fz1=mgLb+hggdudt] （1）

[Fz2=mgLa+hggdudt] （2）

式中，[Fz1]為地面對(duì)前輪的法向反作用力;[Fz2]為地面對(duì)后輪的法向反作用力;[m]為汽車(chē)質(zhì)量;[g]為重力加速度;[L]為汽車(chē)軸距;[a]為質(zhì)心至前軸中心線的距離;[b]為質(zhì)心至后軸中心線的距離;[hg]為汽車(chē)質(zhì)心高度;[dudt]為汽車(chē)制動(dòng)減速度，通常用j代表。

4.2.2 目前制動(dòng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題

該系列車(chē)型設(shè)計(jì)引用基礎(chǔ)車(chē)型，滿(mǎn)足通用化要求，兩車(chē)型制動(dòng)系統(tǒng)完全一致。目前基礎(chǔ)氣剎車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題是整車(chē)制動(dòng)力偏大，前后制動(dòng)力的分配不合理，造成整車(chē)制動(dòng)時(shí)粗暴及甩尾。參考文獻(xiàn)［1-2］進(jìn)行理論分析，所引用數(shù)據(jù)如表2所示。

a.制動(dòng)器制動(dòng)力的計(jì)算分析。

前制動(dòng)器規(guī)格為[?]310，制動(dòng)調(diào)整臂長(zhǎng)110 mm，氣室有效面積為76 cm2。

前制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力F1=2 374 kg。

后制動(dòng)器規(guī)格為[?]310，制動(dòng)調(diào)整臂長(zhǎng)125 mm，氣室有效面積為102 cm2。

后制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力F2=3 620 kg。

總的制動(dòng)力：

F=F1+F2=5 994 kg （3）

b.同步附著系數(shù)的計(jì)算。

制動(dòng)力分配系數(shù)[2]：

[β=F1F1+F2=0.396] （4）

空載時(shí)同步附著系數(shù)[3]：

[?0=Lβ-L2空hg=3 300×0.396-1 823755=-0.684] （5）

滿(mǎn)載時(shí)同步附著系數(shù)[3]：

[?0=Lβ-L2滿(mǎn)hg=3 300×0.396-1 296980=0.011] （6）

利用附著系數(shù)曲線如圖5所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)氣剎車(chē)的整車(chē)制動(dòng)力偏大，前后制動(dòng)力的分配不是很合理?；A(chǔ)氣剎車(chē)的整車(chē)滿(mǎn)載質(zhì)量為4 495 kg，而整車(chē)制動(dòng)力為5 994 kg。而且前后制動(dòng)力的分配不是很合理，其利用附著系數(shù)曲線在空滿(mǎn)載情況下均超出法規(guī)要求，這就是整車(chē)制動(dòng)時(shí)粗暴及甩尾的原因。

4.2.3 制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

為了重新匹配整車(chē)制動(dòng)力，后橋的氣室有效面積由102 cm2減小為76 cm2，制動(dòng)調(diào)整臂規(guī)格由125 mm降為110 mm。這樣其總的制動(dòng)力F=F1+F2=4 748 kg。制動(dòng)力分配系數(shù)[β=0.5]，空載時(shí)同步附著系數(shù)[?0=3 300×0.5-1 823755=-0.23]，滿(mǎn)載時(shí)同步附著系數(shù)[?0=3 300×0.5-1 296980=0.36]。

利用附著系數(shù)曲線如圖6所示。

通過(guò)減小后橋制動(dòng)力，整車(chē)的滿(mǎn)載利用附著系數(shù)曲線調(diào)整到法規(guī)要求的范圍之內(nèi)，整車(chē)制動(dòng)力能很好地滿(mǎn)足整車(chē)制動(dòng)性能需要。

4.2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)論

將優(yōu)化前后的整車(chē)制動(dòng)效果作了主觀評(píng)價(jià)和對(duì)比分析。主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果如下：更換氣室和調(diào)整臂前：空車(chē)在40 km車(chē)速時(shí)急踩剎車(chē)制動(dòng)，制動(dòng)有嚴(yán)重的甩尾現(xiàn)象，必須馬上松開(kāi)制動(dòng)踏板，否則有翻車(chē)的危險(xiǎn)。更換氣室和調(diào)整臂后：空車(chē)在50 km車(chē)速時(shí)急踩制動(dòng)，不用松開(kāi)制動(dòng)踏板直至停車(chē)。后輪拖痕明顯，基本為一直線，沒(méi)有甩尾現(xiàn)象。通過(guò)以上試驗(yàn)可以看出，減小后橋制動(dòng)力可以解決某氣剎車(chē)型制動(dòng)粗暴和甩尾問(wèn)題。

為了驗(yàn)證某氣剎車(chē)型減小后輪制動(dòng)力后整車(chē)是否滿(mǎn)足國(guó)家法規(guī)GB 12676要求，由質(zhì)檢中心按GB 12676要求做了制動(dòng)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，減小后輪制動(dòng)力后整車(chē)的行車(chē)制動(dòng)效能可以滿(mǎn)足國(guó)家法規(guī)GB 12676要求。

兩種試驗(yàn)證明制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是可行的。

4.3 懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.3.1 目前懸架系統(tǒng)存在的問(wèn)題

滿(mǎn)足通用化要求，某系列車(chē)型設(shè)計(jì)引用基礎(chǔ)車(chē)型的懸架系統(tǒng)，前后為鋼板彈簧結(jié)構(gòu)，前簧為8片，后簧主簧9片副簧5片，前后鋼板彈簧第一片板簧片長(zhǎng)為1 400 mm。目前基礎(chǔ)氣剎車(chē)懸架系統(tǒng)存在的問(wèn)題是：與竟品同類(lèi)型車(chē)相比單片片長(zhǎng)偏大， 承載性能差，在滿(mǎn)載狀態(tài)下整車(chē)姿態(tài)和空載狀態(tài)下整車(chē)姿態(tài)角度變化偏大，用戶(hù)經(jīng)常被誤判超載嚴(yán)重受罰款，嚴(yán)重影響該系列車(chē)型的銷(xiāo)售。竟品同類(lèi)型車(chē)前后鋼板彈簧第一片板簧片長(zhǎng)為1 300 mm，空滿(mǎn)載整車(chē)姿態(tài)角度變化為不大于0.25°。

該車(chē)型優(yōu)化設(shè)計(jì)前空滿(mǎn)載整車(chē)姿態(tài)角度變化如表5所示。

4.3.2 懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

針對(duì)存在的問(wèn)題，對(duì)前后伴簧進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。懸架系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循的原則是：通過(guò)合理地布置懸架系統(tǒng)和選擇合適的參數(shù)，提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性；提高懸架的承載能力，盡量應(yīng)用現(xiàn)有總成和零件，提高零部件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化水平；合理選取主要零部件的應(yīng)力值，確保車(chē)輛行駛安全性，保證懸架系統(tǒng)零部件足夠的使用壽命［3］。遵循以上原則，前板簧第一片長(zhǎng)采用1 300 mm，后板簧第一片長(zhǎng)采用1 350 mm。

a.本懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

懸架非簧載質(zhì)量：前Gu1=250 kg；后Gu2=350 kg。

作用在單邊彈簧的載荷P：將軸荷扣去非懸架質(zhì)量再取半，即為單邊彈簧載荷，計(jì)算結(jié)果列表如表6所示。

其他設(shè)計(jì)所需參數(shù)見(jiàn)表1所示。

b.前懸架設(shè)計(jì)計(jì)算。

本車(chē)前鋼板彈簧總成（2912010）規(guī)格為：1 300×75×8-8（2）P，參數(shù)含義如下：

[長(zhǎng)度×寬度×片厚—總片數(shù)（主片片數(shù)）矩形鋼]

該彈簧在U形螺栓跨距為96 mm裝車(chē)夾緊時(shí)的基本參數(shù)為：剛度C=974 N/cm；比應(yīng)力σ=4 912 N/cm3。

下面進(jìn)行垂直振動(dòng)工況的核算。

靜撓度：

[f=P/C] （7）

滿(mǎn)載偏頻：

[n=300/f] （8）

應(yīng)力：

[σ=σf] （9）

極限應(yīng)力：

[σmax=σf+fd] &MOD7DqsB1rUc569MPOtAKZSiwuqgvA8Py+U1H22xwyA=nbsp;（10）

式中，[fd]=76 mm為鐵碰鐵時(shí)動(dòng)行程。

將計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)成表格，結(jié)果如表7所示。

c.后懸架設(shè)計(jì)計(jì)算。

本車(chē)后主簧（2913010）規(guī)格為：1 350×75×9-9（2）P。

該彈簧在U形螺栓跨距為150 mm夾緊時(shí)的基本參數(shù)為：剛度C1=1 452 N/cm；比應(yīng)力σ1=5258 N/cm3。

本車(chē)后副簧（2914010-Q23511）規(guī)格為：940×75×8－5（2）P。

該彈簧在U形螺栓跨距為150 mm夾緊時(shí)的基本參數(shù)為：剛度C2=1 556 N/cm；比應(yīng)力σ2=9 520 N/cm3。

下面進(jìn)行垂直振動(dòng)工況校核。

選定當(dāng)副簧開(kāi)始工作時(shí)，主簧的變形fk為：

fk=4.8 cm （11）

副簧在滿(mǎn)載時(shí)的靜撓度f(wàn)2：

[f2=P-fkc1c1+c2=1.16 cm] （12）

式中，p=11 900 N為后懸架彈簧單邊負(fù)荷。

滿(mǎn)載時(shí)主簧靜撓度：

f1=fk+f2=5.96 cm （13）

滿(mǎn)載時(shí)副簧承受的負(fù)荷P2：

P2=f2C2=1 809 N （14）

滿(mǎn)載時(shí)后懸架偏頻n2：

[n2=300/P/（c1+c2）=162次/分] （15）

空載時(shí)后懸架偏頻no2：

[no2=300/Po/c1=194次/分] （16）

式中，P0=3 800 N為空載時(shí)后懸架單邊彈簧負(fù)荷，fd=8 cm為鐵碰鐵動(dòng)行程，其余計(jì)算公式同前簧，計(jì)算結(jié)果如表8所示。

4.4 整車(chē)側(cè)傾校核

a.側(cè)傾力臂。

前簧主片離地高度h1：

h1=Rc-6+∑h=36 cm （17）

后簧主片離地高度h2：

h2=Rc+6.7+∑h=50.4 cm （18）

簧載質(zhì)量質(zhì)心高度：

[shg=Ghg-GuRcG-Gu]=107.6 cm （19）

式中，Gu=Gu1+Gu2=600 kg為整車(chē)非簧載質(zhì)量。

簧載質(zhì)量質(zhì)心到前軸距離as：

[as=P2P1+P2L=]201.6 cm （20）

式中，P1=7 575 N為前簧單邊負(fù)荷;P2=11 900 N為后簧單邊負(fù)荷。

側(cè)傾力臂h=shg-h1-as/L（h2-h1）=62.8 cm。

b.懸架角剛度。

前后板簧總角剛度Ca：

Ca=0.5×[CD12+（C1+C2）D22]=1.56×107 N·cm/rad （21）

式中，C=974 N/cm為前簧單邊線剛度;C1=1 452 N/cm為后主簧單邊線剛度;C2=1 556 N/cm為后副簧單邊線剛度;D1=70 cm為前簧左右跨距;D2=89.5 cm為后簧左右跨距。

c.側(cè)傾角。公式如下：

[α=V2gRhCaGs-h] （22）

式中，Gs=G-Gu=38 950 N。

當(dāng)向心加速度取V2/R=0.4 g時(shí)，[α]=0.07rad=4o15"（經(jīng)驗(yàn)值4o～7o）。

4.5 各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果和結(jié)論

a.性能指標(biāo)。

本車(chē)滿(mǎn)載時(shí)，前懸架之固有頻率為105次/分；后懸架固有頻率為132次/分，兩者之比值為0.79（推薦值0.75～1）。

b.其他指標(biāo)。

本車(chē)懸架系統(tǒng)各設(shè)計(jì)指標(biāo)與推薦值比較如表9所示。

由表9可看出，前后懸架設(shè)計(jì)參數(shù)均在推薦值范圍以?xún)?nèi)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和正常使用的前提下，本車(chē)懸架系統(tǒng)將有較好的工作可靠性。

整車(chē)姿態(tài)角度變化如表10所示。

根據(jù)表10可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后空滿(mǎn)載整車(chē)角度變化和競(jìng)品相當(dāng)，理論上很好地解決了存在的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

該系列車(chē)型平順性和制動(dòng)性能輸入要求、設(shè)計(jì)值及試驗(yàn)值如表11所示。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：

a.制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到目標(biāo)要求。

b.平順性能參照市場(chǎng)銷(xiāo)售竟品成熟車(chē)型可知懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到目標(biāo)要求。

以上各項(xiàng)說(shuō)明該車(chē)型選用各大總成、主要系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，該系列車(chē)型設(shè)計(jì)成功。

參考文獻(xiàn)：

[1]張洪欣.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[2]余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[3]《汽車(chē)工程手冊(cè)》編譯委員會(huì).汽車(chē)工程手冊(cè)（設(shè)計(jì)篇）[M].北京：人民交通出版社，2001.

作者簡(jiǎn)介：

張兵，男，1986年生，工程師，研究方向?yàn)檎?chē)性能、整車(chē)總布置。

劉麗（通訊作者），女，1976年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檎?chē)性能、整車(chē)總布置及車(chē)架車(chē)廂設(shè)計(jì)。