全浮式驾驶室悬置与传统驾驶室悬置的区别

随着重型车技术的不断升级，如何提高驾驶员的乘坐舒适性、减轻驾驶员的疲劳强度、提高车辆的安全性已经成为设计者考虑的重要因素。目前，在欧洲重型汽车上已经广泛采用了包含空气弹簧的空气悬架和全四点振动悬置的新方法。



本文介绍一种新的驾驶室悬架形式——新型全浮式驾驶室空气悬架，并通过仿真分析说明了这种新悬架的优势。与传统驾驶室悬架比较，该悬架不仅可有效提高驾驶员的乘坐舒适性，而且可提高驾驶室的碰撞安全性及减小驾驶室悬置点的动载荷。

重型汽车悬架系统是一个复杂的振动系统。半挂牵引车的振动，其悬架系统由主、次悬架构成。主悬架包括弹性系统、阻尼减振系统和导向机构；次悬架(以下称为驾驶室悬架)包括弹簧元件、减振器与导向稳定杆。

驾驶室悬架的作用

舒适的驾驶室悬架可以减轻驾驶疲劳，从而使驾驶员可以将注意力集中在路面上，这无论对于随行人员、驾驶员、物流业主，还是路面行人，都有重要的安全意义；因此，设计舒适的驾驶室悬架对于长途运输业很有必要。

驾驶室悬架是用来联结驾驶室和车架的，以保证汽车的正常行驶，其主要作用包括：

⑴悬挂驾驶室，承受驾驶室的质量，引导垂直运动。

⑵确保驾驶员可以感受到路面情况。

⑶优化驾驶舒适性，隔离或减小振动，减小噪声。

⑷提高安全性，承受最大冲击力，吸收碰撞能量。

⑸允许驾驶室有一定的倾斜(驾驶室在发动机上，货车独有的特征)。

驾驶室悬架一般包括独立的驾驶室前悬架和驾驶室后悬架。每一个驾驶室悬架部分都包括弹性元件(主要作用是承受垂直载荷和缓和路面冲击)、减振装置(主要作用是加速振动的衰减)和导向机构(主要是减少转弯时驾驶室的侧倾，如纵、横向推力杆、横向稳定杆)。

传统的悬架设计

1.驾驶室后悬架

传统重型汽车的驾驶室后悬架采用螺旋弹簧或空气弹簧作为弹性元件，一个独立的减振器作为减振元件，几个杆件组成引导机构。驾驶室垂直振动频率：采用空气弹簧为1.4～1.8 Hz，采用螺旋弹簧为1.8～3 Hz。悬架系统的垂直跳跃位移为40～60 mm。

2.驾驶室前悬架

传统重型汽车驾驶室前悬架采用橡胶支撑，实现必需的悬挂、减振和引导功能。这种驾驶室前悬架的垂直跳跃位移为5～20 mm，最大的垂直振动频率可达到15 Hz。

传统重型汽车驾驶室悬架采用半浮式设计，不仅成本高，而且振动频率和驾驶位置的振动总加权加速度均方根值也较大，舒适性较差。驾驶室还会以前悬架支座为支点作俯仰转动.



欧洲重型汽车驾驶室悬架设计

1.驾驶室后悬架

欧洲重型汽车驾驶室后悬架采用螺旋或空气弹簧与减振器集成在一起的减振器，这种技术诞生于1987年，目前是欧洲商用车的国家标准。驾驶室垂直振动频率：采用空气弹簧为1.0～1.4 Hz，采用螺旋弹簧为1.8～3 Hz。驾驶室的垂直跳动为80～100 mm。

2.驾驶室前悬架

欧洲重型汽车驾驶室前悬架的引导机构是根拉杆，它起稳定驾驶室的作用。对于后悬架、减振器与弹性元件是一体的。前悬架的跳跃范围和振动频率和后悬架相近。

欧洲重型汽车驾驶室在前后悬架中还采用了一种稳定控制装置，起稳定驾驶室的作用。欧洲重型汽车驾驶室悬架设计能提供较好地乘坐舒适性，但是，这种悬架结构比较复杂，前悬架拉杆的布置位置要求严格，碰撞安全性也不高。

新型全浮式驾驶室空气悬架

对于传统重型汽车开发一种新型全浮式驾驶室空气悬架是基于一般的驾驶室功能分析后提出的。采用新的驾驶室悬架后，能够较好地达到各项功能标准，如乘坐舒适性、平顺性、噪声、成本、碰撞安全性、尺寸、质量、操纵性和模块化要求。系统评估显示，利用麦弗逊原理联结空气弹簧和多轴支杆的驾驶室悬架系统是理想的设计方案。

1.设计方法

新型全浮式驾驶室悬架的工程实体模型是在系统设计思想的设计理论指导下得出的，车辆特性数据集合了大量原始数据资料包括美国OEM的新的设计思想最大的不同在于：为了确保驾驶室只在垂直方向运动，所有的支承弹性元件都是通过支撑杆来实现的，没有额外的导向机构。基本设计包括4个空气弹簧支撑部件模块，抗扭杆(驾驶室后悬置位置)，集成的水平控制系统，装配、支撑、联结和轴套的安装。

2.空气弹簧支撑部件模型设计

空气弹簧支撑杆模型的振幅和欧洲重型汽车驾驶室悬架的设计模型相似，最大为80 mm。汽车在较好路面上行驶时，系统的振动频率在较低的范围内，同时也能够把汽车在坏路上行驶的冲击力限制在一定的范围内。

为了适合变化的路面条件，需选用可变阻尼减振器。这种减振器可以得到不同的系统阻尼特性。通过液压系统中的柱塞在工作圆筒内的运动实现可变阻尼。集成的水平控制系统能够随时控制前后的支撑杆，保证驾驶室的水平。气体回路、联结系统、额外支撑和外部的阀体都可以不用，这样可以减少额外的花费同时也使系统集成化。

3.新型全浮式驾驶室空气悬架的优点

这种新型全浮式驾驶室空气悬架可以提高重型汽车的驾驶乘坐舒适性、碰撞安全性和减少驾驶室悬置点的动载荷。

⑴提高乘坐舒适性。为了检验新驾驶室悬架的动力学特性，需分析主悬架和次悬架的相互运动关系。模拟分析结果显示，新的悬架相对传统驾驶室悬架，有着良好的动力学特性。由于车辆在纵平面的对称性，分析四点全浮驾驶室空气悬架可以采用左右对称的1/2振动模型。在不同的驾驶条件下，如低级路面50 km/h或者高速公路80 km/h得到不同的舒适特性值。弯道或者变化的路面激励输入可以得到相应的横摆角度。

驾驶位置舒适性的评价指标采用总加权加速度均方根值或ISO舒适性指标。总加权加速度均方根值包括垂向、横向和纵向加速度的加权加速度均方根值，同时可将加速度通过综合处理计算转化为ISO标准值。在仿真结果图形中，高的数值代表差的乘坐舒适性，如图7所示。重型汽车在一般路面以50 km/h行驶，新的四点全浮驾驶室总加权加速度均方根值为2 m/s2，明显小于传统驾驶室悬架，并且非线性ISO乘坐舒适性指标值明显减小。

⑵提高安全性。使用可变刚度的空气弹簧相对于传统设计，减小了动态载荷，使冲击影响更小。尤其对于前驾驶室悬架，这种结构设计可以很好地避开不平路面引起的高振动频率，使驾驶室结构更合理、质量更轻。

同时，有限元分析结果也显示新型全浮式驾驶室空气悬架碰撞安全性有了较大提高。在车架和空气弹簧联结处，采用橡胶垫设计，很大程度上提高了碰撞安全性。因为这些支承是驾驶室和车架唯一的联结，一部分碰撞能量被支撑杆和橡胶垫吸收了，这对于提高驾驶室的安全性有重要的意义。

新型全浮式驾驶室空气悬架的提出，对于提高重型汽车驾驶员的舒适性有着重要意义，对于提高碰撞安全性和减少驾驶室和车架联结处的动载荷也有重要意义。相对于传统驾驶室悬架设计，这种新型全浮式驾驶室悬架设计方法将更合理、更优越。