廂式輕型貨車側(cè)傾穩(wěn)定性研究分析

劉振成，厲建友，王凱

廂式輕型貨車側(cè)傾穩(wěn)定性研究分析

劉振成，厲建友，王凱

（山東五征集團有限公司，山東 日照 276826）

文章以車輛使用工況為出發(fā)點，分析了懸架影響側(cè)傾穩(wěn)定性的因素，對側(cè)傾穩(wěn)定性影響機理進行了理論分析。利用理論基礎，以實例設計驗證，結(jié)合仿真建模及分析和試驗測試，對三者的數(shù)據(jù)進行對比分析，證明理論設計方案的可行性和仿真分析的可行性。分析出了影響車輛側(cè)傾角的主要懸架參數(shù)，增加橫向穩(wěn)定桿、調(diào)整板簧距離、降低質(zhì)心高度是改善車輛側(cè)傾角的有效途徑。

懸架；側(cè)傾角剛度；側(cè)傾角；蛇行試驗

前言

輕型廂式物流運輸車應用越來越多，它的特點是貨箱封閉、貨物質(zhì)心高、行駛速度快，它行駛道路多為城際高速、城際國道、繞城高速等中速、高速路況，在這些路況上行駛，車輛經(jīng)常高速行駛、變道超車，并且會受到側(cè)向風、高速行駛車輛的渦流風的影響，車輛會產(chǎn)生一邊低、一邊高的側(cè)傾，行駛性變差。為了確保這類車輛具有較好的側(cè)傾穩(wěn)定性、行駛安全性，有必要對車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性進行研究分析，研究影響側(cè)傾穩(wěn)定性的機理，尋找減小車輛側(cè)傾的途徑，以確保車輛行駛時具有良好的側(cè)傾穩(wěn)定性。由于懸架系統(tǒng)能夠更直接的影響車輛操縱穩(wěn)定性和平順性，因此，本文重點針對懸架剛度匹配設計、懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配設計、降低質(zhì)心高度等與懸架相關的因素進行分析，暫不對轉(zhuǎn)向特性進行分析研究。

1 懸架影響側(cè)傾穩(wěn)定性的因素分析

從外在表現(xiàn)上來看，車輛在高速公路行駛，要超越其它車輛時，作S狀行駛，從超越到直線行駛狀態(tài)，車輛會側(cè)傾一定角度，駕乘人員的直觀感受就是一邊下沉、一邊抬高，而且車輛會扭擺，在坑洼路面、減速帶或者急轉(zhuǎn)彎時，也會產(chǎn)生側(cè)傾、扭擺現(xiàn)象。這種路況造成了車輛左、右軸荷及前、后軸荷的偏移，因軸荷的偏移造成懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生相對位移，從而造成車輛側(cè)傾、扭擺。這種工況下，車輛側(cè)傾超出合理范圍之內(nèi)時，車輛的操控性、平順性、安全性變差。這種相對位移間接的與懸架剛度、懸架的布置型式、車輛質(zhì)心相關聯(lián)，這些形成了影響車輛側(cè)傾的主要因素。

2 懸架影響側(cè)傾穩(wěn)定性的機理

車輛沿曲線行駛時，將發(fā)生側(cè)傾現(xiàn)象，發(fā)生側(cè)傾后，主要由懸架提供所需的恢復穩(wěn)定性的力矩，車輛才能夠迅速恢復穩(wěn)定狀態(tài)，懸架的恢復力矩來源于鋼板彈簧剛度，車輛帶有橫向穩(wěn)定桿時，恢復力矩也會來源于橫向穩(wěn)定桿提供的剛度。車輛側(cè)傾的直接表現(xiàn)是懸架以上的車廂側(cè)傾一定的角度。車廂側(cè)傾角的大小成為評價汽車操縱穩(wěn)定性和平順性的一個重要技術(shù)參數(shù)，側(cè)傾角的大小影響到汽車的橫擺角速度穩(wěn)態(tài)響應和橫擺角速度瞬態(tài)響應。側(cè)傾角本身也是評價汽車操縱穩(wěn)定性的一個重要指標。過大的側(cè)傾角使駕駛員感到不穩(wěn)定、不安全。對平順性而言，側(cè)傾過大的汽車，乘客感到不舒適。側(cè)傾角過小，懸架的側(cè)傾角剛度大，汽車一側(cè)車輪遇到凸起或凹坑時，車廂內(nèi)會感受到?jīng)_擊，平順性較差。

2.1 車輛側(cè)傾角計算分析

車輛在行駛過程中，遇到的路況千差萬別，引起整車側(cè)傾行駛狀況有多種，如高速公路上的超車后回到正常車道行駛，國道上坑洼路面的中速行駛等，為了定性的分析整車側(cè)傾，假定在一定加速度下，汽車作勻速、穩(wěn)態(tài)圓周行駛，那么，車廂側(cè)傾角與側(cè)傾力矩和懸架總的側(cè)傾角剛度的關系。

式中：為車輛側(cè)傾角；Mθ為總側(cè)傾力矩；Kθ為懸架總的側(cè)傾角剛度。

2.1.1側(cè)傾力矩

側(cè)傾力矩一般由兩部分組成，簧上質(zhì)量離心力產(chǎn)生的離心側(cè)傾力矩、簧上質(zhì)量重力產(chǎn)生的側(cè)傾力矩。

（1）簧上質(zhì)量離心力產(chǎn)生的側(cè)傾力矩MθⅠ：

假定車輛作勻速圓周行駛時，簧上質(zhì)量mS的離心力為：

式中：Fy為側(cè)傾力；ms為簧載質(zhì)量；V為沿轉(zhuǎn)向圓行駛時的勻速時速；R為轉(zhuǎn)向圓半徑；ay為側(cè)向加速度。

如圖1，F(xiàn)sy引起的側(cè)傾力矩為：

式中：h0為簧載質(zhì)量質(zhì)心至側(cè)傾軸線距離。

若車廂前、后側(cè)傾中心至地面的距離分別為h1、h2，車廂（懸掛質(zhì)量）的質(zhì)心至前、后軸的距離為a、b，則：

式中：L為軸距。

在整車狀態(tài)下，測量車輛簧載質(zhì)量的質(zhì)心位置是比較困難的。為了獲得簧載質(zhì)量的質(zhì)心位置，可以使用側(cè)傾試驗臺，測得整車質(zhì)心位置，然后，測量非簧載質(zhì)量的質(zhì)心位置。前、后懸架為鋼板彈簧，并且前、后橋在板簧之下時，非簧載質(zhì)量質(zhì)心可以近似的認為位于板簧主片與前、后吊耳垂直交點的連線的中心。利用作圖法求出前、后非簧載質(zhì)量質(zhì)心位置h1、h2后，可以利用上述公式，求出簧載質(zhì)量質(zhì)心與側(cè)傾軸線的距離。

（2）側(cè)傾后，簧上質(zhì)量重力引起的側(cè)傾力矩MθⅡ

車廂側(cè)傾后，簧上質(zhì)量的質(zhì)心偏出距離e。因此，其重力引起的側(cè)傾力矩為：

式中：Gs為簧載質(zhì)量重力。

當θ值比較小時，近似的認為sinθ=θ，θ單位為rad，則：

因此，汽車作穩(wěn)態(tài)圓周運動時，其側(cè)傾力矩為：

2.1.2懸架側(cè)傾角剛度

懸架總的側(cè)傾角剛度由前、后懸架的側(cè)傾角剛度組成，當前、后懸架有橫向穩(wěn)定桿時，還包括前、后穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度。

（1）前、后懸架沒有橫向穩(wěn)定桿時

式中：Kfθ為前懸架側(cè)傾角剛度，Krθ為后懸架側(cè)傾角剛度。

（2）當車輛設計前、后穩(wěn)定桿時，懸架總的側(cè)傾角剛度就包含前后穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度

式中：Kb1θ為前穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度，Kb2θ為后穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度。

（3）側(cè)傾角剛度計算

簧上質(zhì)量垂直位移時受到的彈性恢復力，就是具有線剛度的等效鋼板彈簧所產(chǎn)生的彈性力。因此，車輛側(cè)傾時懸架所產(chǎn)生的彈性恢復力偶矩，也可以利用等效彈簧的概念進行分析。當車輛側(cè)傾較小角度dθ時，被壓縮一側(cè)的等效彈簧的變形量為-S/2*dθ，那么，車輛受到的彈性恢復力偶矩為：

式中：K為板簧剛度，S為板簧托距。

懸架側(cè)傾角剛度計算式為：

當計算前、后懸架及穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度時，計算式分別如下：

前懸架側(cè)傾角剛度為：

式中：Kf為前板簧剛度，Sf為前板簧托距，以下列式中代號意義同此式。

后懸架側(cè)傾角剛度為：

前穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度為：

后穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度為：

2.1.3車輛側(cè)傾角

車輛側(cè)傾時的側(cè)傾角，如圖2。

圖2 車輛側(cè)傾角

由公式1和8可以求得，車輛側(cè)傾角。

側(cè)向加速度ay的取值，以輪胎側(cè)偏特性處于線性范圍為前提，德國、美國試驗測試一般用0.4g的側(cè)向加速度，我國規(guī)定車輛質(zhì)心處的向心加速度達到0.4g時車輛不應發(fā)生側(cè)翻或側(cè)滑，因此，側(cè)向加速度一般取0.4g。

2.2 減振器阻力對側(cè)傾的影響

側(cè)傾分析時很容易忽略減振器的影響，由于商用車使用的減振器多是雙作用筒式減振器，減振器的壓縮阻力一般設計的都比較大，當車輛側(cè)傾時，車輛受到壓縮的一側(cè)，減振器的壓縮阻力就會增大車輛的側(cè)傾剛度，從而也起到抑制車輛側(cè)傾的作用。因此，車輛實際側(cè)傾角要比理論計算所得的側(cè)傾角要小。

3 車輛側(cè)傾理論計算與分析

以某廂式輕型貨車為研究對象，分析主要影響車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的主要參數(shù)。

3.1 基礎方案設計驗證

車輛側(cè)傾角設計目標≤5°，驗證原基礎設計方案。

某廂式輕型貨車參數(shù)如表1：

表1 車輛參數(shù)

由式4求得h0=825（mm）

無前后穩(wěn)定桿狀態(tài)下，由式9、13、14求得

∑Kθ=115885（N/m.rad）

由式17求得θ=9.9（°），計算值大于目標值≤5°。

由式17可知，質(zhì)心相對距離h0是變值，其它參數(shù)值不變的情況下，減小h0，即降低質(zhì)心高度，可以減小側(cè)傾角，因此，在整車布置設計時，要努力降低整車質(zhì)心高度。

由式17可知，側(cè)傾角剛度是變值，其它參數(shù)值不變的情況下，增大側(cè)傾角剛度可以減小側(cè)傾角。而由式12可知，側(cè)傾角剛度與左右板簧中心距的平方成正比，與板簧剛度成正比，增大S值、K值都能夠增大側(cè)傾角剛度，在S值增加5%時，側(cè)傾角剛度增大11%，剛度K值增加5%時，側(cè)傾角剛度響應增大5%，因此，在保證整車平順性前提下，增大左右板簧中心距能更有效的增大側(cè)傾角剛度，從而減小側(cè)傾角。如果增加穩(wěn)定桿能更好的增加側(cè)傾角剛度，也可以減小側(cè)傾角，同時保證整車平順性。

3.2 基礎方案改進

針對原方案的側(cè)傾角超過目標值，根據(jù)影響因素分析，在保證整車平順性前提下，通過增大前板簧左右中心距S1、后板簧左右中心距S2，增大后板簧剛度，增加前穩(wěn)定桿，從而實現(xiàn)車輛側(cè)傾角≤5°的目標。調(diào)整參數(shù)如表2：

表2 調(diào)整參數(shù)

由式12、17可得θ=4.7（°），計算值在目標值之內(nèi)。

在改進方案下，計算0.2g-0.45g側(cè)向加速度段的十三組側(cè)傾角數(shù)據(jù)，做出變化趨勢圖，如圖3：

圖3 側(cè)向加速度與側(cè)傾角曲線

從圖中分析隨著加速度的增大，側(cè)傾角不斷增加，在0.43g時，側(cè)傾角達到5°，達到了目標要求，能夠滿足實際客戶使用需求。

4 仿真分析及試驗驗證

對于設計方案的驗證，可以借助現(xiàn)代化的分析手段進行仿真分析及驗證，再輔以實物試驗，能夠更好的縮短試驗周期及試驗耗材，更好的實現(xiàn)車輛的設計目標。

4.1 仿真模型的建立及分析

基于Adams/Car模塊建立分析模型，本文主要研究的是懸架系統(tǒng)對整車側(cè)傾穩(wěn)定性的影響，在建立模型時，鋼板彈簧用離散梁法建立模型，將鋼板彈簧劃分為多塊剛體的構(gòu)件，用無質(zhì)量的beam梁將它們連接，以面約束限值beam的相對運動。鋼板彈簧與車架間的連接以運動副的約束關系連接。減振器利用Adams/Car模塊中減振器模板建立，參數(shù)設定使用匹配設計的參數(shù)。穩(wěn)定桿采用柔性體模型。車輛總質(zhì)量簡化為有質(zhì)量的質(zhì)點，按照質(zhì)心位置尺寸參數(shù)加在模型中。

圖4 前后懸架仿真圖

根據(jù)零部件的幾何參數(shù)及設定的條件，建立前、后懸架分析模型如圖4。

仿真分析參考GB/T6323進行，做最低穩(wěn)定速度沿所定值圓做圓周行駛分析、蛇行仿真分析?？梢缘玫絺?cè)傾角隨時間、側(cè)傾加速度與時間、側(cè)傾加速度與側(cè)傾角的變化趨勢曲線圖。

圖5 側(cè)傾角仿真

圖6 側(cè)傾加速度仿真

圖7 側(cè)傾加速度與側(cè)傾角趨勢

4.2 試驗驗證與分析

蛇行試驗方法能夠模擬客戶高速超車、彎道行駛等實際行駛工況，能夠客觀反映懸架對車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的影響，因此，可以按GB/T6323中的蛇行試驗方法進行測試。每一個時速段測四次，然后取平均值，做30-75Km/h分10個時速段的蛇行測試，獲得試驗數(shù)據(jù)如表：

表3 蛇行試驗參數(shù)

根據(jù)表中數(shù)值，繪制出車速-平均側(cè)向加速度對應變化曲線，如圖。

根據(jù)表中數(shù)值，繪制出車速-平均側(cè)傾角對應變化曲線，如圖。

圖9 車速與側(cè)傾角曲線

從變化曲線中，可以看出車輛側(cè)傾角、側(cè)向加速度隨車速變化曲線一致。在目標條件下，側(cè)傾角不超過目標值。

圖10 平均側(cè)向加速度與平均側(cè)傾角曲線

繪制出平均側(cè)向加速度與平均側(cè)傾角變化曲線。

從圖7、圖10與圖3的曲線變化趨勢上看，試驗結(jié)果、仿真結(jié)果與計算結(jié)果趨勢相符。通過方案設計、仿真分析、試驗驗證，證明通過增加前橫向穩(wěn)定桿、加寬板簧托距、增加后板簧剛度的改進途徑是合適的，能夠滿足側(cè)傾穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)論

通過懸對側(cè)傾穩(wěn)定性影響機理分析，結(jié)合理論計算與仿真分析、試驗測試數(shù)據(jù)的對比分析數(shù)據(jù)，可知，理論計算方法和仿真分析方法是有效的，實現(xiàn)良好側(cè)傾穩(wěn)定性的途徑是可行的。在這一過程中，以實例研究了影響車輛側(cè)傾的懸架參數(shù)，得出影響較大的參數(shù)：板簧托距、前懸架剛度、質(zhì)心高度，增加前穩(wěn)定桿和增加托距影響側(cè)傾角最大，此可作為初步方案的設計方向。

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Research and Analysis on Roll Stability of Van Light Truck

Liu Zhencheng, Li Jianyou, Wang Kai

（Shandong Wuzheng Group Co., Ltd., Shandong Rizhao 276826）

Starting from the vehicle operating conditions, this paper analyses the factors that affect the roll stability of suspension, and makes a theoretical analysis of the mechanism that affects the roll stability. Based on the theoretical foundation, the feasibility of the theoretical design scheme and the feasibility of the simulation analysis are proved by the case design verification, simulation modeling and analysis and test. The main suspension parameters affecting vehicle roll angle are analyzed. Increasing lateral stabilizer rod, adjusting leaf spring distance and reducing centroid height are effective ways to improve vehicle roll angle.

Suspension; Rolling angle stiffness; Roll angle; Slalom test

U463.33

A

1671-7988(2019)18-80-05

U463.33

A

1671-7988(2019)18-80-05

劉振成，男，副總設計師/商用車研究所所長/高級工程師，就職于山東五征集團有限公司汽車設計研究院，從事整車開發(fā)、底盤設計開發(fā)、車身結(jié)構(gòu)設計開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.027