平衡懸架上反作用桿夾角設(shè)計(jì)初探

劉 輝，杜婷婷

(中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，吉林長(zhǎng)春130011)

目前，在國(guó)內(nèi)重型卡車(chē)領(lǐng)域，后懸架多數(shù)采用平衡懸架結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由上、下反作用桿組成。其中，上反作用桿的布置形式目前有3種：?jiǎn)蜪形上反作用桿結(jié)構(gòu)，V形上反作用桿結(jié)構(gòu)（圖1），斜置雙I形上反作用桿結(jié)構(gòu)（圖2）。相對(duì)于單I形上反作用桿結(jié)構(gòu)，V形上反作用桿以及斜置雙I桿結(jié)構(gòu)由于具有穩(wěn)定性高、承受側(cè)向力效果好等優(yōu)點(diǎn)，逐步成為重卡懸架的發(fā)展趨勢(shì)。

本文本著反作用桿的合理布置原則，重點(diǎn)分析了上V形或雙I形反作用桿之間夾角大小變化對(duì)其性能的影響。

1 反作用桿系統(tǒng)受力分析

1.1 直行（驅(qū)動(dòng)）瞬態(tài)反作用桿的受力計(jì)算

在車(chē)輛直行工況下，將反作用桿簡(jiǎn)化為直線(xiàn)段，對(duì)反作用桿、輪胎、橋殼系統(tǒng)沿車(chē)輛行駛方向的側(cè)向投影，受力示意用圖3表示。

圖1 V形反作用桿

圖2 雙I形反作用桿

圖3 反作用桿側(cè)向投影受力分析

由力矩平衡原理可推導(dǎo)得：

P1為中橋上反作用桿側(cè)向投影受力

P2為中橋下反作用桿受力

P3為后橋上反作用桿側(cè)向投影受力

P4為后橋下反作用桿受力

F為地面摩擦力

準(zhǔn)1為中橋上反作用桿與水平夾角

準(zhǔn)2為中橋下反作用桿與水平夾角

準(zhǔn)3為后橋上反作用桿與水平夾角

準(zhǔn)4為中橋下反作用桿與水平夾角

L1為中橋上反作用桿連接點(diǎn)與輪心豎直距離

L2為中橋下反作用桿連接點(diǎn)與輪心豎直距離

L3為后橋上反作用桿連接點(diǎn)與輪心豎直距離

L4為后橋下反作用桿連接點(diǎn)與輪心豎直距離

通過(guò)受力分析可求得直行驅(qū)動(dòng)情況下某瞬態(tài)各個(gè)反作用桿的受力情況，由以上推導(dǎo)可知：對(duì)于上V型桿，下兩縱桿布置的懸架桿系，上桿及下桿到車(chē)輪中心的距離、各反作用桿長(zhǎng)度分配對(duì)整個(gè)桿系的受力有很大影響。合理的尺寸設(shè)計(jì)可以盡力保證各個(gè)桿受力接近。

另外，為防止車(chē)輪跳動(dòng)過(guò)程中車(chē)橋轉(zhuǎn)角變化過(guò)大，反作用桿桿系縱向投影應(yīng)盡量布置為平行四邊形結(jié)構(gòu)。

在此狀態(tài)下，上反作用桿受力俯視投影可表示如圖4。

圖4 上反作用桿承受縱向力分解

1.2 側(cè)傾瞬態(tài)反作用桿的受力計(jì)算

在車(chē)輛轉(zhuǎn)彎行駛等情況下，車(chē)輛受側(cè)向力作用，受力分析可通過(guò)圖5表示。

圖5 側(cè)傾工況受力分析

K準(zhǔn)=KBS2/2為懸架系統(tǒng)的側(cè)傾剛度

M準(zhǔn)=mμ×Hs+mg×e為車(chē)輛側(cè)傾力矩

準(zhǔn)=M準(zhǔn)/K準(zhǔn)為車(chē)身側(cè)傾角

Hs為質(zhì)心到側(cè)傾中心的距離

K為鋼板彈簧垂直剛度

BS為鋼板彈簧距離

m為簧載質(zhì)量

e為整車(chē)質(zhì)心橫向偏距

μ為側(cè)向加速度

在一定的側(cè)傾角度下，反作用桿承受橫向力可通過(guò)以上計(jì)算得出，在此狀態(tài)下，上反作用桿受力俯視投影見(jiàn)圖6所示。

圖6 上反作用桿承受側(cè)傾力分解

2 上作用桿夾角變化的受力分析

2.1 上反作用桿夾角變化的受力推導(dǎo)

根據(jù)1.1及1.2的分析結(jié)論，以上反作用桿之間的夾角θ作為函數(shù)變量，對(duì)直行、側(cè)傾及二者疊加的3種瞬態(tài)對(duì)反作用桿受力計(jì)算。

圖7 上反作用桿承受合力分解

F左=P'左-mμ'左

F右=P'右+mμ'右

P'左=P'右=(P/2)/(cosθ/2)

mμ'左=mμ'右=(mμ'/2)/(sinθ/2)

F左為左側(cè)上反作用桿受力

F右為右側(cè)上反作用桿受力

P為上反作用桿承受的縱向力

P'左為左側(cè)上反作用桿受到的縱向力分力

P'右為右側(cè)上反作用桿受到的縱向力分力

mμ為上反作用桿承受的橫向力

mμ'左為左上反作用桿承受的橫向力分力

mμ'右為右上反作用桿承受的橫向力分力

2.2 直行（驅(qū)動(dòng)）瞬態(tài)受力計(jì)算

當(dāng)車(chē)輛僅直行，mμ=0，上反作用桿只承受縱向力，由1.1計(jì)算可求得縱向力P，此時(shí)上桿隨著夾角θ的變化，受力變化曲線(xiàn)如圖8。

由受力曲線(xiàn)得出，當(dāng)上反作用桿只承受縱向力作用，雙桿夾角偏小時(shí)，受力相對(duì)較小，并隨著雙桿夾角的增大由平緩增大。當(dāng)雙桿夾角大于80°左右時(shí)，受力隨著夾角的變大，而急劇增加。

以上結(jié)論表明，車(chē)輛單純?cè)谥毙泄r，上反作用桿雙桿夾角應(yīng)設(shè)計(jì)得偏小一些。

圖8 上反作用桿受縱向力曲線(xiàn)

2.3 側(cè)傾瞬態(tài)受力計(jì)算

當(dāng)車(chē)輛僅側(cè)傾轉(zhuǎn)彎時(shí)，假設(shè)上反作用桿只承受橫向側(cè)傾力，由1.2計(jì)算可得橫向力mμ，此時(shí)上桿隨著夾角θ的變化，受力變化曲線(xiàn)如圖9。

圖9 上反作用桿受橫向力曲線(xiàn)

由受力曲線(xiàn)得出，當(dāng)上反作用桿只承受橫向力，雙桿夾角偏小時(shí)，受力相對(duì)較大。并隨著雙桿夾角的增大由急劇減小。當(dāng)雙桿夾角大于30°左右時(shí)，雙I桿受力隨著夾角的變大，而平緩減小。以上結(jié)論表明，車(chē)輛單純?cè)趥?cè)傾工況，上反作用桿雙桿夾角應(yīng)設(shè)計(jì)得偏大一些。

2.4 驅(qū)動(dòng)側(cè)傾疊加瞬態(tài)受力計(jì)算

在車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，隨著車(chē)輛運(yùn)行工況的變化，反作用桿受力較復(fù)雜。由1.1、1.2中的計(jì)算，隨機(jī)選取車(chē)輛驅(qū)動(dòng)前行且轉(zhuǎn)彎某一瞬間狀態(tài)下的縱向力P及橫向力mμ，受力變化曲線(xiàn)如圖10。

圖10 上反作用桿受力曲線(xiàn)

由上圖可見(jiàn)，當(dāng)雙桿夾角處于40°～120°時(shí)，受力相對(duì)較小，并隨著角度的變化而平緩的變化。當(dāng)雙桿夾角過(guò)大或者過(guò)小時(shí)，受力將急劇增大。

綜合考慮以上對(duì)3種瞬態(tài)的分析結(jié)論，可以看到，將上反作用桿夾角設(shè)計(jì)為40°～80°范圍內(nèi)相對(duì)較為合理。針對(duì)具體車(chē)型，上反作用桿夾角的選擇布置也受到中、后橋軸距、車(chē)架寬度等影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合各種因素，最終選定最合理的角度。

3 應(yīng)用adms軟件對(duì)雙I桿系統(tǒng)分析驗(yàn)證

3.1 adms模型的建立

為了驗(yàn)證以上結(jié)論，選取某兩種車(chē)型的平衡懸架系統(tǒng)，上反作用桿夾角分別為49.4°、41°，建立adms仿真模型（見(jiàn)圖11），對(duì)模型分別施加縱向力、橫向力以及對(duì)車(chē)橋進(jìn)行雙側(cè)、單側(cè)舉升下落，得出受力曲線(xiàn)，進(jìn)行對(duì)比分析。

圖11 平衡懸架系統(tǒng)adms仿真模型

3.2 分析結(jié)果

對(duì)系統(tǒng)模型施加縱向作用力，雙桿受力曲線(xiàn)如圖12，橋縱向位移曲線(xiàn)如圖13。

令系統(tǒng)模型單橋上、下跳，另一橋相應(yīng)做下、上跳運(yùn)動(dòng)，得出雙桿受力曲線(xiàn)如圖14所示。

由以上曲線(xiàn)可以看出，對(duì)模型施加縱向力，或雙橋交替上下跳動(dòng)時(shí)，49.4°夾角桿系受力大于41°夾角桿系。

圖12 施加縱向力雙桿受力曲線(xiàn)

圖13 施加縱向力橋位移曲線(xiàn)

圖14 橋上下跳動(dòng)雙桿受力曲線(xiàn)

對(duì)系統(tǒng)模型施加側(cè)向作用力，雙桿受力曲線(xiàn)如圖15，橋側(cè)向位移曲線(xiàn)如圖16。

圖15 施加側(cè)向力雙桿受力曲線(xiàn)

圖16 施加縱向力橋位移曲線(xiàn)

令系統(tǒng)模型雙橋左側(cè)同時(shí)上、下跳，則另一側(cè)相應(yīng)做下、上跳運(yùn)動(dòng)，得出雙桿受力曲線(xiàn)如圖17所示。

圖17 橋單側(cè)上、下跳雙桿受力曲線(xiàn)

由以上曲線(xiàn)可以看出，對(duì)模型施加側(cè)向力，或車(chē)橋做左右跳動(dòng)時(shí)，49.4°夾角桿系受力小于41°夾角桿系。

3.3 分析結(jié)論

adms驗(yàn)證結(jié)果與上文計(jì)算結(jié)論相符，進(jìn)一步證明了因上反作用桿夾角變化而導(dǎo)致的系統(tǒng)受力變化趨勢(shì)的正確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

中重型卡車(chē)平衡懸架系統(tǒng)在車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受力非常復(fù)雜。本文選取幾個(gè)典型工況，推導(dǎo)上反作用桿夾角變化導(dǎo)致的桿系受力情況變化。并利用ADAMS軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論與推導(dǎo)結(jié)果吻合。

參照文中給出的結(jié)論，在平衡懸架反作用桿產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在布置空間允許的情況下，應(yīng)盡量合理布置上反作用桿夾角，最大化的符合車(chē)輛性能及可靠性要求。

隨著當(dāng)代設(shè)計(jì)理念的逐步完善化，設(shè)計(jì)手段的先進(jìn)化，CAE軟件的功能多樣化，更可靠、先進(jìn)的措施將進(jìn)一步研究。

[1]余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.