橫向穩(wěn)定桿側(cè)滑問(wèn)題的分析及改進(jìn)

王曉蓮， 張學(xué)博， 洪 良， 張維遠(yuǎn)， 徐 琢

(一汽解放汽車(chē)有限公司 商用車(chē)開(kāi)發(fā)院， 長(zhǎng)春 130011)

橫向穩(wěn)定桿是防止汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生過(guò)大的橫向側(cè)傾，保持汽車(chē)平衡的懸架系統(tǒng)重要零件，可提高車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性，提升舒適性和安全性[1-2]。若穩(wěn)定桿與其橡膠襯套間發(fā)生側(cè)滑，不僅會(huì)使穩(wěn)定桿的性能下降，還會(huì)發(fā)生左右竄動(dòng)，影響懸架系統(tǒng)的性能及可靠性。本文針對(duì)某客車(chē)橫向穩(wěn)定桿與其襯套之間發(fā)生側(cè)滑的問(wèn)題進(jìn)行分析，并與道路試驗(yàn)反饋信息、臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果和ABAQUS仿真分析結(jié)果相結(jié)合，對(duì)穩(wěn)定桿與其襯套系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和驗(yàn)證。

1 原因分析

根據(jù)某客車(chē)道路試驗(yàn)反饋，前懸架橫向穩(wěn)定桿與襯套之間發(fā)生左右側(cè)滑的現(xiàn)象，如圖1(a)所示。發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象的穩(wěn)定桿左右兩端均與襯套間出現(xiàn)明顯間隙，如圖1(b)所示，間隙測(cè)量結(jié)果如表1所示。

(a)

(b)圖1 發(fā)生側(cè)滑的橫向穩(wěn)定桿

表1 穩(wěn)定桿與襯套間隙測(cè)量表 mm

本文從襯套結(jié)構(gòu)、襯套與支架和穩(wěn)定桿間的連接結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面分析、總結(jié)出原因如下。

1.1 襯套翹曲變形

發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象的橫向穩(wěn)定桿的襯套，其翹曲變形非常嚴(yán)重，如圖2所示。

圖2 襯套翹曲變形

當(dāng)襯套處于夾緊狀態(tài)，在車(chē)輛轉(zhuǎn)彎或者顛簸時(shí)，穩(wěn)定桿受力會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，如圖3(a)所示。在穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)的過(guò)程中，襯套內(nèi)徑變形趨勢(shì)如圖3(b)所示。

(a)穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn) (b)襯套內(nèi)徑變形趨勢(shì)圖3 穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)及襯套內(nèi)徑變形圖

壁厚均勻的圓柱形襯套的剛度沿軸線(xiàn)方向是相同的[3]。這對(duì)于如圖3(b)所示的穩(wěn)定桿襯套的變形是不利的。因此，等壁厚的圓柱形結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致穩(wěn)定桿襯套邊緣發(fā)生翹曲變形的內(nèi)在因素。而襯套翹曲變形是導(dǎo)致穩(wěn)定桿出現(xiàn)側(cè)滑問(wèn)題的根本原因之一。

1.2 襯套與支架間缺少周向限位結(jié)構(gòu)

由于襯套與支架間缺少周向限位結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)定桿的裝配和使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：

1) 裝配方便性差，襯套開(kāi)口方向很難保證。

2) 在車(chē)輛行駛過(guò)程中，襯套發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)概率加大，進(jìn)而催生穩(wěn)定桿側(cè)滑問(wèn)題的出現(xiàn)。

圖4為發(fā)生穩(wěn)定桿側(cè)滑問(wèn)題車(chē)輛的實(shí)際照片，襯套開(kāi)口方向與支架配合面方向未對(duì)齊，襯套在夾緊過(guò)程中變形不合理，加大了穩(wěn)定桿側(cè)滑問(wèn)題發(fā)生的概率。襯套與支架間缺少周向限位結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致穩(wěn)定桿出現(xiàn)側(cè)滑問(wèn)題的根本原因之二。

圖4 襯套開(kāi)口方向未對(duì)齊

1.3 穩(wěn)定桿與襯套間缺少橫向限位結(jié)構(gòu)

如圖5所示，穩(wěn)定桿是光桿，襯套內(nèi)壁為光壁，二者之間缺少橫向限位結(jié)構(gòu)。這是導(dǎo)致穩(wěn)定桿發(fā)生側(cè)滑的根本原因之三。橫向穩(wěn)定桿本身便是抗側(cè)傾的元件，因此，其與襯套之間的橫向限位結(jié)構(gòu)是非常必要的。

圖5 穩(wěn)定桿與襯套間缺少橫向限位結(jié)構(gòu)

2 影響分析

2.1 導(dǎo)致剛度性能下降

根據(jù)文獻(xiàn)[4-7]，計(jì)算車(chē)輛橫向穩(wěn)定桿線(xiàn)剛度的理論值為192.73 N/mm。

對(duì)正常狀態(tài)穩(wěn)定桿和存在側(cè)滑問(wèn)題的穩(wěn)定桿的剛度進(jìn)行測(cè)試，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

(a)正常狀態(tài)穩(wěn)定桿

9:29 2018-4-21(b)有側(cè)滑問(wèn)題的穩(wěn)定桿圖6 臺(tái)架試驗(yàn)剛度曲線(xiàn)

從圖6中可以看出：

1) 存在側(cè)滑問(wèn)題的穩(wěn)定桿剛度曲線(xiàn)的形狀與正常狀態(tài)穩(wěn)定桿的剛度曲線(xiàn)形狀不同，回環(huán)中間出現(xiàn)折彎現(xiàn)象，表明穩(wěn)定桿性能發(fā)生變化。該處折彎區(qū)域，便是穩(wěn)定桿與襯套之間的間隙造成的。

2) 正常狀態(tài)穩(wěn)定桿臺(tái)架試驗(yàn)所得的線(xiàn)剛度與理論計(jì)算值吻合，有側(cè)滑問(wèn)題的穩(wěn)定桿臺(tái)架試驗(yàn)復(fù)測(cè)的線(xiàn)剛度比理論計(jì)算值下降28%。

2.2 導(dǎo)致連接零件間隙增大

穩(wěn)定桿側(cè)滑現(xiàn)象與穩(wěn)定桿系統(tǒng)內(nèi)間隙的變化是相互影響、相互加深的關(guān)系。圖7(a)所示為穩(wěn)定桿與吊臂連接處左、右兩側(cè)間隙出現(xiàn)不等情況；圖7(b)所示為穩(wěn)定桿與吊臂連接螺栓頭處出現(xiàn)間隙。

(a)連接處左右間隙不等

(b)連接螺栓頭部出現(xiàn)間隙圖7 連接零件間隙變化

2.3 導(dǎo)致異常磨損

由于穩(wěn)定桿側(cè)滑問(wèn)題導(dǎo)致的異常磨損主要有兩點(diǎn)：

1) 穩(wěn)定桿與襯套的異常磨損。如圖8(a)所示，L1為穩(wěn)定桿與襯套夾緊處長(zhǎng)度，圖8(b)中L2為襯套長(zhǎng)度，正常情況下，L1與L2基本吻合，但由于穩(wěn)定桿與襯套間發(fā)生左右竄動(dòng)，穩(wěn)定桿和襯套產(chǎn)生異常磨損，因此，L1>L2。

(a) 穩(wěn)定桿 (b) 襯套圖8 異常磨損

圖9 前鋼板彈簧支架異常磨損

2) 鋼板彈簧支架異常磨損。由于穩(wěn)定桿側(cè)滑，導(dǎo)致前鋼板彈簧總成的前后卷耳和與車(chē)架連接的支架的配合面產(chǎn)生了異常磨損，如圖9所示。

2.4 導(dǎo)致異響

由于穩(wěn)定桿與前軸連接襯套之間發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)懸架系統(tǒng)內(nèi)多處連接件產(chǎn)生間隙、位移和變形，由此導(dǎo)致各配合面處的異常摩擦，橡膠與金屬的粘滯與摩擦造成異響[8]。

3 改進(jìn)措施及效果

3.1 改進(jìn)襯套結(jié)構(gòu)

襯套結(jié)構(gòu)存在以下3個(gè)需要改進(jìn)的地方。

1) 襯套內(nèi)徑增加與穩(wěn)定桿橫向限位卡環(huán)配合的環(huán)形限位槽，以解決穩(wěn)定桿與襯套之間橫向限位問(wèn)題。

2) 襯套外徑增加防止襯套周向轉(zhuǎn)動(dòng)的定位柱，以解決襯套開(kāi)口方向難于保證的問(wèn)題，提高裝配方便性。

3) 襯套結(jié)構(gòu)由等壁厚圓柱形改進(jìn)成外壁呈腰鼓形，即襯套壁厚沿軸線(xiàn)方向，中間薄，向邊緣逐漸變厚，以解決襯套容易翹曲變形的問(wèn)題。

改進(jìn)后的襯套結(jié)構(gòu)如圖10所示。該襯套結(jié)構(gòu)及其相關(guān)結(jié)構(gòu)已申報(bào)專(zhuān)利。

1—環(huán)形限位槽； 2—定位柱； 3—腰鼓形外壁結(jié)構(gòu)圖10 改進(jìn)后的襯套結(jié)構(gòu)

改進(jìn)襯套結(jié)構(gòu)的同時(shí)，夾緊襯套的上下支架結(jié)構(gòu)也需要對(duì)應(yīng)調(diào)整，本文不再贅述。

3.2 增加穩(wěn)定桿與襯套間的橫向限位結(jié)構(gòu)

在穩(wěn)定桿外徑上壓裝2個(gè)橫向限位卡環(huán)，用于穩(wěn)定桿與襯套的橫向限位，如圖11所示。該穩(wěn)定桿和卡環(huán)裝置及相關(guān)結(jié)構(gòu)已申報(bào)專(zhuān)利。

1—穩(wěn)定桿； 2—橫向限位卡環(huán)圖11 穩(wěn)定桿上增加橫向限位卡環(huán)

3.3 增加輔助防側(cè)滑裝置

增加輔助防側(cè)滑裝置，是解決和預(yù)防穩(wěn)定桿側(cè)滑問(wèn)題的雙保險(xiǎn)，如圖12所示。該輔助防側(cè)滑裝置及其相關(guān)結(jié)構(gòu)已申報(bào)專(zhuān)利。

(1) 防側(cè)滑夾箍裝置 (2) 防側(cè)滑夾箍與穩(wěn)定桿裝配1—防側(cè)滑夾箍本體； 2—光孔銷(xiāo)； 3—螺紋銷(xiāo)； 4—鎖緊螺栓； a—穩(wěn)定桿； b—襯套； c—下支架； d—上支架圖12 輔助防側(cè)滑裝置

3.4 仿真分析

1) 襯套翹曲變形分析。利用ABAQUS軟件，對(duì)原始的襯套結(jié)構(gòu)和改進(jìn)后的腰鼓形襯套結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行計(jì)算分析[9-11]，得知：原始襯套結(jié)構(gòu)的翹曲變形量是0.489 mm，改進(jìn)后的腰鼓形襯套結(jié)構(gòu)的翹曲變形量是0.243 mm。由于改進(jìn)的襯套結(jié)構(gòu)的剛度沿軸線(xiàn)方向變化，減少了襯套邊緣翹曲變形，有助于改善穩(wěn)定桿的側(cè)滑問(wèn)題。

2) 橫向限位槽/卡環(huán)受力分析。在穩(wěn)定桿上增加橫向限位卡環(huán)，與襯套內(nèi)徑上的橫向限位卡槽配合，其仿真分析結(jié)果為：改進(jìn)后的橡膠襯套結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑上增設(shè)的橫向限位槽的端面承受壓力，這說(shuō)明，穩(wěn)定桿上增加的橫向限位卡環(huán)和襯套內(nèi)徑上的橫向限位槽起到橫向限位的作用，對(duì)于改善穩(wěn)定桿的側(cè)滑問(wèn)題起到重要作用。

3) 防側(cè)滑輔助裝置受力分析。在原始的穩(wěn)定桿系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增設(shè)防止穩(wěn)定桿側(cè)滑的輔助裝置，其仿真分析結(jié)果為：增設(shè)的防止穩(wěn)定桿側(cè)滑的輔助裝置，其端面承受壓力，這說(shuō)明，防止穩(wěn)定桿側(cè)滑的輔助裝置起到了橫向限位作用，對(duì)于改善穩(wěn)定桿的側(cè)滑問(wèn)題起到輔助的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后的襯套結(jié)構(gòu)和限位結(jié)構(gòu)，與原穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)相比，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 腰鼓形襯套其防翹曲變形的能力更強(qiáng)，對(duì)于穩(wěn)定桿側(cè)滑問(wèn)題具有一定的改善效果。

2) 在穩(wěn)定桿上增加防側(cè)滑卡環(huán)結(jié)構(gòu)，從根本上預(yù)防穩(wěn)定桿側(cè)滑問(wèn)題的發(fā)生，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)。

3) 增加的輔助防側(cè)滑夾箍是防止穩(wěn)定桿出現(xiàn)側(cè)滑問(wèn)題的雙保險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾林.車(chē)用穩(wěn)定桿及其發(fā)展前景[J].彈簧工程，1993，5(2):2-8.

[2] 黃康，仰榮德.基于A(yíng)NSYS的汽車(chē)橫向穩(wěn)定桿疲勞分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì), 2008, 25(12):66-68.

[3] 龔積球, 龔震震, 趙熙雍.橡膠件的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社, 2003:47-65.

[4] 劉惟信.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2001:510-512.

[5] 日本自動(dòng)車(chē)技術(shù)會(huì).汽車(chē)工程手冊(cè)5: 底盤(pán)設(shè)計(jì)篇[M].中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)組,譯.北京：北京理工大學(xué)出版社, 2010:31-33.

[6] 王曉蓮, 張學(xué)博.基于A(yíng)DAMS的橫向穩(wěn)定桿與吊臂兩種連接結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析[J].客車(chē)技術(shù)與研究, 2017,39(5):1-4.

[7] 丁能根, 張宏兵, 冉曉鳳,等.橫向穩(wěn)定桿性能計(jì)算及其影響因素分析[J].汽車(chē)技術(shù), 2007,38(2):19-22.

[8] 莫勇, 吳磊, 鄧帥.關(guān)于汽車(chē)穩(wěn)定桿襯套異響問(wèn)題研究[J].大眾科技, 2016, 18(3):49-51.

[9] 周棟, 黃虎, 劉新田, 等.大客車(chē)橫向穩(wěn)定桿有限元分析[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 22(3):215-217.

[10] 白素強(qiáng), 張偉峰, 閆琳.某載貨車(chē)橫向穩(wěn)定桿有限元分析[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù), 2015，40(9):1-3.

[11] 石少亮, 吳偉蔚, 黃虎,等.車(chē)用橡膠襯套的非線(xiàn)性有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2011,49(9):30-32.