参数动态调节的空气弹簧综合模型及电动客车动力学特性分析

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.04.014

Abstract

Abstract:

Establishing an accurate air spring model is key and crucial for analyzing the vibration characteristics of air suspension electric buses. For the variation in the characteristics of air springs under different load， a comprehensive model of the air spring with dynamically adjustable parameters is proposed， considering the effect of rubber airbag force and changes in payload， taking a membrane-type air spring as the research object. Key parameters of the rubber airbag are identified through mechanical experiments， and the accuracy and effectiveness of the proposed model are verified. Based on the comprehensive air spring model， a 14-seat， 21-degree-of-freedom electric bus dynamics model is established. The model's validity is verified through simulation comparison with a CarSim model with identical parameters. Subsequently， the influence of air spring nonlinear characteristics， vehicle speed， road roughness， and passenger distribution on the dynamic performance of the electric bus system is analyzed. The study shows that the proposed comprehensive air spring model can dynamically adjust its parameters in response to variation in load and road excitation. The hysteretic mechanical characteristics of the air spring cannot be ignored. Compared with linear models， thermodynamic models without considering hysteresis， and equivalent model of air spring， the comprehensive air spring model significantly reduces suspension deflection， with reduction of 22.95%， 42.13%， and 18.20%， respectively. Increase of vehicle speed， lower road quality， and uneven passenger distribution negatively affect the ride comfort of the electric bus， with discomfort increasing for passengers seated farther from the bus's center of gravity.

Key words: electric bus, comprehensive air spring model, dynamic parameter adjustment, ride comfort

Guizhen Feng,Sihao Zhang,Shaohua Li,Pengyuan Li. The Comprehensive Model of Air Spring with Dynamically Adjustable Parameters and Dynamic Characteristics Analysis of Electric Bus[J].Automotive Engineering, 2025, 47(4): 734-745.

Figures/Tables 27

参数

数值

参数

数值

绝对压强/MPa

0.15

标准高度

/ m m

230

有效面积

A e 0 / m 2

0.025

有效体积

V 0 / m 3

0.003 96

体积变化率

$α / (m 3 · m - 1)$

0.05

面积变化率

$β / (m 2 · m - 1)$

压强/ MPa	模型参数
压强/ MPa	A_e/ $m 2$	K_e/ （N·mm^-1）	$F f m a x$ /N	$x 2$ / $m m$	a	b/ $N ? s a ? m m - 1$
0.15	0.023	11.0	160	1.6	0.5	7.5
0.20	0.025	11.2	165	1.6	0.5	7.5
0.25	0.027	11.4	170	1.6	0.5	7.5

气压	$0.15$ MPa			$0.25$ MPa
频率/ Hz	仿真/ （N·mm^-1）	试验/ （N·mm^-1）	误差/ %	仿真/ （N·mm^-1）	试验/ （N·mm^-1）	误差/ %
1.0	99.53	97.21	2.39	137.42	137.40	0.01
2.0	106.41	106.91	0.47	144.25	139.13	3.68
3.0	111.83	106.84	4.67	149.65	142.55	3.98
4.0	116.47	109.67	6.20	154.27	144.41	6.83
5.0	120.60	111.40	8.26	158.38	147.23	7.57

系数

A e

m 2

F f m a x / N

$x 2$ /

$m m$

$k e$ /

（N·mm^-1）

$b$ /

（N·s ^a ·mm^-1）

N

4 × 10 - 8

1 × 10 - 4

4 × 10 - 6

N 0

0.017

145

1.6

10.4

0.5

7.5

参数	数值	参数	数值
车身质量 $m 5 / k g$	2 080	质心至第1排距离a/m	1.93
座椅质量 $/ k g$	20	质心至第2排距离b/m	0.93
乘客质量 $/ k g$	60	质心至第3排距离c/m	0.07
非簧载质量 $/ k g$	75	质心至第4排距离d/m	1.07
电机质量 $/ k g$	50	质心至第5排距离e/m	2.07
座椅刚度 $/ (k N · m - 1)$	21	质心至第1列距离 $f 1 / m$	0.71
座椅阻尼 $/ (N · s · m - 1)$	570	质心至第2列距离 $l 1 / m$	0.21
悬架阻尼 $/ (N · s · m - 1)$	1 300	质心至第3列距离 $l 2 / m$	0.29
质心至前轴距离 $m / m$	2.23	质心至第4列距离 $f 2 / m$	0.79
质心至后轴距离 $n / m$	1.77	质心至左侧轮距离 $w 1 / m$	0.817 5
轮胎线性刚度 $k t 1 / (k N · m - 1)$	241.1	质心至右侧轮距离 $w 2 / m$	0.897 5
轮胎平方非线性刚度 $k t 2 / (k N · m - 1)$	-1 191	侧倾转动惯量/ $k g ? m 2$	1 207
轮胎平方非线性刚度 $k t 2 / (k N · m - 1)$	-1 191	俯仰转动惯量/ $k g ? m 2$	4 718

乘客情况	RLAS模型	$a 车$ /（m·s^-2）	$L 悬$ /mm	$F 轮$ /N
空载	线性	0.234 8	1.760	336.7
	热力学	0.208 3	2.343	341.0
	等效	0.227 7	1.365	304.3
	综合	0.225 7	1.356	307.2
半载	线性	0.227 1	1.661	317.9
	热力学	0.218 3	2.179	343.4
	等效	0.225 6	1.331	293.0
	综合	0.229 8	1.238	297.1
满载	线性	0.277 1	2.257	402.9
	热力学	0.263 5	2.792	410.8
	等效	0.257 9	1.764	350.5
	综合	0.265 9	1.443	355.1

路面等级	车速/（km·h^-1）	$a 车$ /（m·s^-2）	$L 悬$ /mm	$F 轮$ /N
A级	20	0.183 6	1.054	257.3
	40	0.243 3	1.105	277.5
	60	0.265 9	1.443	355.1
B级	20	0.369 7	2.228	513.2
	40	0.473 9	2.281	541.3
	60	0.519 7	3.088	714.2
C级	20	0.733 5	4.704	1 025
	40	0.925 1	4.668	1 060
	60	1.021 0	6.553	1 436

路面等级	分布情况	$a 车$ /（m·s^-2）	$L 悬$ /mm	$F 轮$ /N
A级	前载分布	0.239 7	1.478	340.2
	中载分布	0.227 4	1.300	311.2
	后载分布	0.307 1	1.388	322.7
B级	前载分布	0.467 5	3.132	676.7
	中载分布	0.444 2	2.759	621.1
	后载分布	0.593 2	2.917	637.4
C级	前载分布	0.917 0	6.566	1 350
	中载分布	0.871 9	5.801	1 243
	后载分布	1.154 0	6.150	1 275

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振幅	2 mm			5 mm
频率/ Hz	仿真/ （N·mm^-1）	试验/ （N·mm^-1）	误差/ %	仿真/ （N·mm^-1）	试验/ （N·mm^-1）	误差/ %
1.0	179.08	176.75	1.32	162.04	157.84	2.66
2.0	185.68	177.77	4.45	168.93	161.66	4.50
3.0	190.89	180.26	5.90	174.36	163.26	6.96

正弦路面	模型	车身垂向加速度/（m·s^-2）	悬架动挠度/mm	轮胎动载荷/N
4 mm	CarSim	0.198 0	3.155	153.6
4 mm	Simulink	0.229 1	2.752	177.6
6 mm	CarSim	0.296 0	4.143	357.9
6 mm	Simulink	0.343 7	4.733	285.0
8 mm	CarSim	0.391 9	5.503	463.3
8 mm	Simulink	0.458 2	6.310	380.0

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The Comprehensive Model of Air Spring with Dynamically Adjustable Parameters and Dynamic Characteristics Analysis of Electric Bus

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