重型汽車穩(wěn)定桿的計(jì)算和分析

陳太榮，楊佳睿

（南京徐工汽車制造有限公司，江蘇 南京 210021）

前言

橫向穩(wěn)定桿在保證汽車行駛平順性的前提下，能提高懸架的側(cè)傾角剛度，減小汽車在不平路況或轉(zhuǎn)彎時(shí)車身的側(cè)傾角。合理的調(diào)整前后懸架側(cè)傾角剛度比值，能使車輛具有一定不足轉(zhuǎn)向特性，提高整車操縱穩(wěn)定性。對于重型汽車，前后橋軸荷以及輪胎側(cè)偏剛度相差大，前后橋橫向穩(wěn)定桿的剛度以及側(cè)傾角剛度的分配過程比較復(fù)雜，它由整車的操縱穩(wěn)定性和車身的受力情況兩種因素決定的。在穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)過程中，可以從這兩方面出發(fā)，推算出前后懸架的總側(cè)傾角剛度及其在前后橋上的分配，進(jìn)而求得前后橋穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度；再結(jié)合整車布置的要求，進(jìn)行橫向穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文針對某款牽引車進(jìn)行橫向穩(wěn)定桿的剛度設(shè)計(jì)和匹配，以期對相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考和幫助。

1 、穩(wěn)定桿剛度的計(jì)算和匹配

為了提高車輛行駛平順性，板簧剛度一般適當(dāng)降低，這會降低車輛側(cè)傾穩(wěn)定性，給車輛增加穩(wěn)定桿可以解決這一矛盾。商用車側(cè)傾穩(wěn)定性的一般要求是，車輛在0.4g的側(cè)向加速度下，整車側(cè)傾角小于 6°。車輛側(cè)傾角和懸架側(cè)傾角剛度可以用下式表示[1]：

式中，φr為車輛側(cè)傾角；Mφ為整車側(cè)傾力矩，對于非獨(dú)立懸架，該力矩包括由重力和離心力引起的力矩；Fs為車身離心力；h為簧載質(zhì)心距離側(cè)傾軸線的距離；Σk為總側(cè)傾角剛度；kf為前懸側(cè)傾角剛度；kr為后懸側(cè)傾角剛度；kw為穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度；kφ為非獨(dú)立懸架的側(cè)傾角剛度；kl為一側(cè)懸架的線剛度；B為板簧安裝距；kwf為前穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度；kwr為后穩(wěn)頂桿側(cè)傾角剛度。本文所考慮的車輛參數(shù)如表1所示。

表1 整車主要參數(shù)

根據(jù)（2）式，結(jié)合車輛參數(shù)可求得前板簧側(cè)傾角剛度kf=122.8kN.m/rad，后板簧側(cè)傾角剛度kr=967.7kN.m/rad。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，車輛在0.4g側(cè)向加速度時(shí)，車身側(cè)傾角小于3.5°，根據(jù)（1）式可求得需要的總側(cè)傾角剛度Σk =1582.22 kNm/rad。考慮到橡膠襯套對穩(wěn)定桿剛度的影響，取影響因子為0.8，則kw=( Σk-kf- kr)/0.8=614.644 kNm/rad。

穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度在前后懸架上的分配主要考慮兩方面的問題，一是使車輛具有一定的不足轉(zhuǎn)向特性，二是減少側(cè)傾時(shí)車架的扭轉(zhuǎn)變形量。由于重型牽引車的中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)相對于重心位置更靠后，所以本文主要從減少車架扭轉(zhuǎn)變形的角度來進(jìn)行前后穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度的分配。合理的匹配前后懸架的側(cè)傾角剛度使前后懸架簧載質(zhì)量產(chǎn)生相同的側(cè)傾角，可以有效減少側(cè)傾時(shí)車架所承受的附加力矩[2]。前后懸架穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度可以按下式進(jìn)行分配：

式中，mf、mr分別為前、后懸簧載質(zhì)量，hf、hr分別為前、后懸簧載質(zhì)心距離側(cè)傾軸線距離。根據(jù)（4）式可求得kwf=370.7 kNm/rad，kwr=243.94 kNm/rad。

穩(wěn)定桿尺寸示意圖如圖1所示，根據(jù)穩(wěn)定桿的剛度計(jì)算其直徑的公式如（5）式所示[3]，可求得前后穩(wěn)定桿的直徑分別為df=45mm，dr=50mm。

2 、穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)布置及其連桿設(shè)計(jì)

穩(wěn)定桿尺寸的設(shè)計(jì)及其連接支架的布置要遵循總體布置的要求，需要充分考慮到穩(wěn)定桿與車橋及支架的連接關(guān)系，連接桿與板簧、轉(zhuǎn)向直拉桿的空間關(guān)系等。穩(wěn)定桿及其連接桿的布置如圖2所示，連接桿上端與固定在車架上的上支座用銷軸連接，下端與穩(wěn)定桿通過銷軸進(jìn)行連接。

為分析連接桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，需對其進(jìn)行受力分析。本文首先模擬穩(wěn)定桿的運(yùn)動狀況，應(yīng)用動力學(xué)分析，求出穩(wěn)定桿及其連接桿受力；其次，采用試驗(yàn)方法驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；最后，采用有限元方法分析連接桿的強(qiáng)度。

3.1 Adams動力學(xué)仿真

通常情況，連接架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在車輛極限工況下。為了模擬極限工況，采取動力學(xué)仿真分析方法。在Adams中建立前懸架模型，進(jìn)行單輪跳動分析。橫向穩(wěn)定桿與車橋、連接架，連接架與車架之間采用襯套約束；模擬單輪提高200mm，得到橫向穩(wěn)定桿連接桿最大受力為4208N（見圖3）。

3.2 應(yīng)力試驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性，對實(shí)車進(jìn)行應(yīng)力試驗(yàn)。試驗(yàn)車輛系統(tǒng)各部件運(yùn)行正常，車輛為滿載狀態(tài)。試驗(yàn)采用無線傳感器測量系統(tǒng)，對橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行貼片測量，測量橫向穩(wěn)定桿所受扭矩，再推算出連接架受力。圖4為橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)貼片位置。采用左輪上凸臺（高200mm）進(jìn)行測量（見圖5）；試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：0～5s內(nèi)，為車輛左車輪駛上凸臺過程，橫向穩(wěn)定桿隨著左車輪逐漸提高，所受扭矩成線性增加；5～15s內(nèi)，左側(cè)車輪勻速行駛在凸臺平面上，橫向穩(wěn)定桿所受扭矩、連接桿所受應(yīng)力不變。橫向穩(wěn)定桿所受扭矩最大值為1154Nm，該橫向穩(wěn)定桿的l2尺寸為260mm，由公式F=M/L可以求出連接桿作用力為4049 N；與仿真值4208 N誤差為4%，誤差在允許范圍內(nèi)，表明動力學(xué)仿真模型有一定的準(zhǔn)確性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段可以作為有限元分析的依據(jù)。

3.3 有限元分析

在Hypermesh中對改進(jìn)后的連接架模型劃分網(wǎng)格進(jìn)行受力分析。對部件按照實(shí)際狀態(tài)施加約束，上端固定，下端施加載荷4049 N，分析得出結(jié)果如圖7、圖8所示，最大應(yīng)力處為66.61MPa，吊桿材料ZG310-570；安全系數(shù)為4.64，滿足強(qiáng)度要求。 圖7為吊桿整體位移云圖，可以看出其最大位移處位于載荷施加處，最大值1.5mm，遠(yuǎn)小于連接桿自身尺寸，滿足剛度要求。

4 、總結(jié)

本文分析了牽引車穩(wěn)定桿剛度的計(jì)算和匹配，對穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)作用；仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果表明利用Adams進(jìn)行懸架的動力學(xué)仿真，模型具有一定的精度；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段可以作為有限元分析的依據(jù)。對穩(wěn)定桿連接桿進(jìn)行有限元受力分析，確保了結(jié)構(gòu)的可靠性。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009,3.

[2] 胡久強(qiáng).基于 MATLAB的汽車側(cè)傾角剛度匹配及穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備及機(jī)械工程，2013，(7):21-24.

[3] 陳耀明.汽車懸架論文集[M].蘇州：蘇州大學(xué)出版社.2012,9.