1 引言
悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称，空气悬架作为汽车常用悬架的一种，主要有两种基本结构：全气囊式空气悬架和复合式空气悬架，其中复合式空气悬架是指由钢板弹簧和空气弹簧并联组成的空气弹簧悬架系统，其钢板弹簧一般还兼具导向作用。复合式空气悬架具有结构简单、性能可靠、成本相对较低等优点，因此应用广泛。
采用钢板弹簧作为导向机构的重卡复合式空气悬架，其板簧结构也有很多不同的结构形式，其中L型导向板簧和Z型导向板簧运用较为广泛，其结构分别如图1、图2所示。
L型导向板簧与Z型导向板簧的主要差异如下：
（1）Z型板簧需要经过两次折弯处理，其加工工艺复杂，零件成本一般较L型板簧高。
（2）Z型板簧从车桥上方通过，而L型板簧从车桥下方通过。
（3）Z型板簧前端与车架连接的支座相对L型板簧的小，板簧前端轴销安装中心点更靠近车架。
（4）L型板簧的减振器可以布置在空气弹簧和车桥之间，而Z型板簧一般布置在气囊后面，从减振器效果来说L型板簧的减振器因为靠近车桥，效果更直接。
2 问题
某车型上装配复合式空气悬架，其导向板簧结构为L型板簧，在强化坏路的可靠性试验验证过程中出现悬架推力杆车架固定端螺栓处的纵梁开裂问题，分别如图3和图4所示。根据悬架的结构特点，侧向推力杆主要传递整车左右方向的力，即侧向力，为此建立侧向力传递力学模型如图5所示。图5中：M为货物、货物箱和车架的总质量；H1为重心距车桥中心的垂直间距；H2为推力杆中心线与车桥中心的垂直间距；H3为左右板簧前端轴销中心点距车桥中心线垂直间距；L为左右板簧距两轮中点的水平间距；FY推为推力杆传递的侧向力；FY簧为板簧传递的侧向力。FZ簧左为左板簧Z向反力；FZ簧右为右板簧Z向反力。为了简化分析，做了如下几个基本假设：（1）左右板簧传递的侧向力相等；（2）侧向推力杆为水平方向。在车辆转弯或者扭曲等情况下，车辆产生侧向加速度a，其货物产生侧向惯性力为Ma，系统的简化动力学方程为：
以车桥中心为矩心，可得方程：
由式 2 得：FY 推 越 Ma - 2 伊 FY 簧，代入式 3，并整理得到如下方程：
当车辆处于某状态平衡时，式5中，若将A、Ma看作一个固定值，H1、H2也有结构决定，也是定值，从式4可以看出，当H3值不超过H2并在接近H2过程中，FY簧会随着H3增大而增大，结合式2即可得到FY推会随着H3增大而减小，即板簧前端轴销中心点距车桥中心或者地面高度增加，有利于减少侧向推力杆的轴向力。
3 CAE仿真分析
为了对悬架推力杆的实际受力情况进行仿真分析，建立了实车配置Z型板簧悬架和配置L型板簧悬架的整车结构CAE分析模型，包含货厢、车架、悬架等，具体模型如图6。
上述CAE分析模型中，驾驶室、发动机及其他总成件的载荷通过在重心点来施加，车型的载荷按平铺货物的质量分布来加载，约束车桥与车轮连接点，主要分析了转向时的工况，转向加速度按实车测试所得最大加速度，大小为0.5g。
紧急转向工况时，CAE分析读取推力杆轴向力结果如图8所示。
侧向推力杆轴向力CAE分析结果汇总见表1。
根据分析结果，配Z型板簧的悬架推力杆受侧向力为比配L型板簧的降低了24.2%，上述结果中，轴向力的值为负，表示推力杆受到推力作用。
4 实际对比测试
为了验证理论分析和CAE仿真分析的结论，并确定不同导向板簧结构对悬架实际受力的影响，选取了两种类似结构对复合式空气进行实测对比测试。
4.1 悬架对比测试方案
选取用于对比测试复合悬架的主要参数见表2。
将两种复合式空悬放置在一起进行结构差异对比，如图9所示。
图9中两种板簧的前端轴销中心点在Z向上差异较大，其他差异较小，因此具备可对比性。
为了验证理论分析和CAE分析的结论，实车测试主要分为悬架受力测试和整车平顺性测试两部分。
4.2 悬架受力对比测试
悬架受力对比测试的主要测试对象为横向推力杆，纵梁应力测试为辅助参考。推力杆的受力主要考虑轴向力，其测试方案如图10所示。
推力杆的轴向力测试采用四片单向应变片组成全桥电路，其测试电路具备温度补偿功能，即在测试环境温度变化时，可以消除温度对应变测量的影响。
测试前先对已贴好应变片并组成全桥测试电路系统的推力杆进行轴向加载，从而获得轴向力与应变关系，因此根据推力杆应变测试结果可以得到准确的受力大小。测试前对车辆各轴进行了称重，使整车各轴轴荷误差在2%以内，同时货物采用了平铺在货厢的策略，从而确保整车货物重心位置基本相同。测试时，采用同一个司机开车，尽量减小驾驶习惯对测试的影响，同时严格控制各个典型路面的车速，选择了厂内的典型路面进行测试，典型路面主要包括：转弯路、扭曲路、坑洼路等。
推力杆应变测试结果如图11、12所示。
图11、12中，横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为应变。
从图11、12可以明显看出，配Z板簧的悬架，其推力杆受力相对小，尤其是转弯道路时。具体数据统计结果见表3。
从表3统计结果来看，配Z型簧的空气悬架推力杆受力在转弯道路明显比配L型板簧的空气悬架的小，其中推力减小了29.4%，测试结果与CAE分析结果反应的趋势基本一致，但二者还存在这一定偏差，其可能原因是实车货物的布置与CAE分析采用的均布这种理想情况存在偏差。拉力减小了19%，推力杆的推力和拉力相差较大主要是受试验道路转弯半径不同，同等车速下侧向加速度不同引起。由于试验场是单向行驶道路，因此无法反向进行测试加以验证。扭曲路时，配Z型簧的空气悬架推力杆推力与配L型推力杆的空气悬架基本相当。所有三种路况Z型板簧推力杆的拉力均明显小于L型板簧结构的推力杆受力。由于转弯路和坑洼路推力杆的受力相对较大，且两种路况下Z型板簧悬架的推力杆受力均比L型板簧悬架推力杆的受力小，因此基本可以确定Z型簧结构可以减小复合式空气悬架侧向推力杆的受力。
4.3 整车平顺性受力对比测试
由于配置Z型板簧的复合式空气悬架的垂直复合刚度、减振器阻尼与配置L型板簧的复合式空气悬架存在差异，因此还需确定上述结构差异对整车平顺性的影响，才能比较全面的评估结构的优缺点，为此开展了平顺性对比测试，测试评价位置为司机坐垫。测试的综合结果（X、Y、Z加权）如图13至图18所示。
空载高速沥青路面时，配Z型板簧的空悬在75、80km/h时略差于L型板簧空悬，但在30km/h时比L型板簧空悬好，整体来看基本相当，如图13所示。
满载高速沥青路面时，配Z型板簧的空悬略优于L型板簧空悬，如图14所示。
空载水泥路面时，配Z型板簧的空悬与L型板簧空悬基本相当，如图15所示。
满载水泥路面时，配Z型板簧的空悬优于L型板簧空悬，如图16所示。
空载减速带冲击工况时，配Z型板簧的空悬优于L型板簧空悬，如图17所示。
满载减速带冲击工况时，配Z型板簧的空悬优于L型板簧空悬，如图18所示。
综合来看，配Z型板簧的复合式空气悬架在满载时平顺性均优于配L型板簧悬架，其他测试的路况基本相当，空载冲击时也优于配L型板簧的，其他路况空载时基本相当。
5 结论
（1）根据理论与仿真分析，Z型板簧前端安装点较L型板簧高，其结构有利于减小侧向推力杆的轴向力；
（2）通过对配置Z型板簧的悬架与L型板簧的悬架进行推力杆推力实测，发现在转弯路况下配置Z型板簧的悬架推力杆受力明显小于L型板簧结构，扭曲路的推力基本相当，坑洼路推力略小，所有路况推力杆拉力均明显小于L型板簧结构；
（3）进一步对比测试配置Z型板簧和L型板簧的复合式空气悬架对整车平顺性影响，发现满载时均优于配L型板簧复合悬架，其他测试的路况基本相当，空载冲击路时也优于配置L型板簧结构的，其他路况空载时基本相当。
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