一種半主動橫向穩(wěn)定桿

馮紹勇

(景德鎮(zhèn)學(xué)院,江西 景德鎮(zhèn) 333400)

0 引言

懸架的運用使車輛行駛的平順性和抗側(cè)傾能力構(gòu)成一對矛盾,為了解決這對矛盾,在車輛底盤結(jié)構(gòu)中采用橫向穩(wěn)定桿技術(shù)是一個比較好的方法。

被動式橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)簡單,側(cè)傾剛度為恒定值,它能有效抑制車身的側(cè)傾幅度。然而,其僅僅在兩側(cè)車輪跳動幅度一致的工況時,車輛行駛有比較好的平順性。而當(dāng)單側(cè)車輪跳動使兩側(cè)車輪有高度差的工況時,穩(wěn)定桿變形產(chǎn)生的彈性力會抑制單側(cè)車輪的跳動,使平順性變差,所以被動式橫向穩(wěn)定桿在解決平順性和抗側(cè)傾問題上是有缺陷的。但由于成本低廉,運用還是比較廣泛。

主動式橫向穩(wěn)定桿可以克服被動式穩(wěn)定桿的缺陷。其采用液壓旋轉(zhuǎn)式執(zhí)行器[1-2]或直流電機作為旋轉(zhuǎn)式執(zhí)行器[3-7]來產(chǎn)生扭矩以抑制車身側(cè)傾幅度和調(diào)節(jié)穩(wěn)定桿的側(cè)傾剛度。如圖1為常見的主動式穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu),穩(wěn)定桿被分解成A、B兩部分,中間是執(zhí)行器,其內(nèi)部有兩個可以做同軸旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件,這兩個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件分別與穩(wěn)定桿A部分及B部分固連,通過液壓或者電磁力使執(zhí)行器中的兩個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件各自受到相反力矩MA和MB的作用,這兩個力矩讓穩(wěn)定桿A、B部分分別向相反的方向扭轉(zhuǎn),此時穩(wěn)定桿的兩個端頭受車軸的阻礙不能運動,于是它們分別受到力PA和PB的作用,力矩和作用力的關(guān)系為:MA=PA×l,MB=PB×l。PA和PB大小相等方向相反,它們構(gòu)成一對力偶,這對力偶與車身受到的側(cè)傾力矩方向相反,力偶矩為PA×lc=Mφ(l和lc為圖1中標(biāo)注的尺寸),稱其為抗側(cè)傾力矩,可知,執(zhí)行器輸出力矩MA和MB越大,抗側(cè)傾力矩Mφ越大,車身側(cè)傾角越小。當(dāng)執(zhí)行器的輸出力矩為零時,此時相當(dāng)于穩(wěn)定桿A、B兩部分?jǐn)嚅_,不產(chǎn)生抗側(cè)傾力矩,車輛有比較好的平順性。

圖1 主動式橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)

半主動式橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)大多也如圖1所示,不同的是其執(zhí)行器產(chǎn)生的力矩MA、MB是執(zhí)行器內(nèi)兩個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的介質(zhì)產(chǎn)生的阻尼力矩[8],以阻止其內(nèi)部兩個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的運動。此阻尼力矩同樣可調(diào),從而使其抗側(cè)傾力矩發(fā)生變化。當(dāng)阻尼力矩調(diào)整為零時,穩(wěn)定桿A、B兩部分也相當(dāng)于斷開而不產(chǎn)生抗側(cè)傾力矩,車輛有比較好的平順性。

主動和半主動橫向穩(wěn)定桿除了可以用執(zhí)行器斷開和連接A、B兩部分這種方式來讓車輛保持平順性和抗側(cè)傾能力之外,還可以通過調(diào)整執(zhí)行器輸出力矩的大小來調(diào)整其側(cè)傾剛度,使前后橋總側(cè)傾剛度發(fā)生改變,從而使車輛的操縱穩(wěn)定性變得更好,且可以呈現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)向特性。

對它們的側(cè)傾剛度進行調(diào)整需要運用實時控制系統(tǒng)。穩(wěn)定桿的側(cè)傾剛度定義為:穩(wěn)定桿作用于車身的抗側(cè)傾力矩與車身側(cè)傾角的比值。這樣,傳感器在車身發(fā)生側(cè)傾的過程中隨時檢測車身的側(cè)傾角,然后根據(jù)需要調(diào)整執(zhí)行器的輸出力矩,從而得到想要的穩(wěn)定桿對車身一定的抗側(cè)傾力矩。側(cè)傾剛度調(diào)整的過程是這樣的,隨著車身側(cè)傾角增大,如果執(zhí)行器輸出力矩的增大幅度調(diào)得比較大,那么穩(wěn)定桿呈現(xiàn)出大的側(cè)傾剛度;反之,執(zhí)行器輸出力矩的增大幅度調(diào)得比較小,那么穩(wěn)定桿將呈現(xiàn)出小的側(cè)傾剛度。所以這兩種穩(wěn)定桿都需要一套可靠的實時控制系統(tǒng)。

當(dāng)前,主動式橫向穩(wěn)定桿由于成本等原因,在豪華高端車型中使用較多[1-7],半主動橫向穩(wěn)定桿雖然結(jié)構(gòu)簡單、不耗費車載動力,但是其調(diào)節(jié)側(cè)傾剛度的幅度不如主動式穩(wěn)定桿,且仍然需要實時控制系統(tǒng)來調(diào)整側(cè)傾剛度,成本也很高,所以當(dāng)前量產(chǎn)車上應(yīng)用的比較少,研究開發(fā)的力度也小。

文中開發(fā)的一種半主動式橫向穩(wěn)定桿,其結(jié)構(gòu)簡單,占用空間小,無需實時控制系統(tǒng)來調(diào)整側(cè)傾剛度,雖然側(cè)傾剛度的調(diào)整幅度有限,但是成本較低,對操控性能要求不高的低端車型有較大的應(yīng)用價值。

1 新型半主動式橫向穩(wěn)定桿

1.1 新型半主動橫向穩(wěn)定桿的實現(xiàn)原理

如圖2所示,穩(wěn)定桿也被分成A、B兩部分,它們分別與特殊設(shè)計的離合器中的兩個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件固連。當(dāng)車輛直線行駛時,離合器中的兩個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件分離,從而使穩(wěn)定桿A、B兩部分?jǐn)嚅_,此時其不產(chǎn)生抗側(cè)傾力矩,車輛有比較好的行駛平順性;當(dāng)車身做側(cè)傾運動時,使離合器結(jié)合,穩(wěn)定桿A、B兩部分被連接在一起成為一根完整的穩(wěn)定桿,它將產(chǎn)生抗側(cè)傾力矩。

圖2 新型半主動橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)

新型穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度的調(diào)整原理如下:

被動式橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾剛度表達式為[9]:

(1)

圖3 被動式橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 新型半主動式橫向穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)及側(cè)傾剛度

1.2.1新型半主動橫向穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)[10］

圖4所示的可控離合器,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由離合器外圈、離合器內(nèi)圈及楔塊組構(gòu)成。穩(wěn)定桿的A部分與可控離合器套筒狀的外圈相固連,穩(wěn)定桿B伸入離合器的部分做成具有外花鍵結(jié)構(gòu)的花鍵軸,花鍵軸的兩端通過滾動軸承安裝在離合器外圈內(nèi)部?？煽仉x合器由兩個工作方向互為相反的單向離合器組成,它們共用一個離合器外圈。如圖5所示,左、右兩個單向離合器內(nèi)圈相連在一起不分開的,它們均以內(nèi)花鍵套裝在花鍵軸上,在離合器分離的狀態(tài)下,它們可以一起沿著花鍵軸左右移動(前述特殊設(shè)計的離合器內(nèi)部的兩個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件即為這里所述的離合器外圈和內(nèi)圈)。楔塊組以轉(zhuǎn)動副的形式連接在離合器內(nèi)圈上,不操作時,它們處于收緊狀態(tài),與離合器外圈不接觸,此時穩(wěn)定桿A、B部分可以單獨轉(zhuǎn)動而互不干涉,且穩(wěn)定桿對單側(cè)車輪的跳動無作用力,車輛有比較好的平順性。當(dāng)車輛彎道行駛時,控制離合器內(nèi)的電動機工作,帶動連在內(nèi)圈上的左右兩個楔塊組旋轉(zhuǎn)、張開,使左右兩個單向離合器的楔塊組與內(nèi)、外圈都處于楔緊狀態(tài),由于車身側(cè)傾使穩(wěn)定桿A和B部分發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,致使分別與它們相連的內(nèi)外圈發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,此時兩個處于楔緊狀態(tài)的單向離合器必有一個被結(jié)合,另一個處于滑轉(zhuǎn)狀態(tài)(這是由于兩個單向離合器的工作方向是互為相反的)。如此,只要穩(wěn)定桿A、B兩部分發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,總有一個單向離合器工作,使穩(wěn)定桿A、B兩部分連接成一個整體,進而變形產(chǎn)生抗側(cè)傾力矩。

圖4 可控離合器結(jié)構(gòu)

圖5 可控離合器內(nèi)圈與花鍵軸

離合器工作時,穩(wěn)定桿A、B兩部分連接成一根穩(wěn)定桿,其側(cè)傾剛度大小隨離合器內(nèi)圈沿著花鍵軸滑動到不同的位置而發(fā)生變化。

1.2.2新型半主動橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾剛度

根據(jù)穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度定義和材料力學(xué)扭轉(zhuǎn)和彎曲變形計算方法可推導(dǎo)出這種穩(wěn)定桿的側(cè)傾剛度[9],此處推導(dǎo)過程從略,僅說明新型穩(wěn)定桿離合器部分參與扭轉(zhuǎn)和彎曲變形的各段以及其抗彎剛度。

對于扭轉(zhuǎn)變形,如圖6所示,離合器外圈和花鍵軸部分均被分成l4、l5兩段,離合器外圈只有l(wèi)5段參與扭轉(zhuǎn)變形,花鍵軸只有l(wèi)4段參與扭轉(zhuǎn)變形。對于彎曲變形,離合器作為整體參與彎曲變形,從圖4所示結(jié)構(gòu)可知,穩(wěn)定桿B花鍵軸頭部與離合器外圈之間用單個滾動軸承連接,這就使離合器外圈發(fā)生微小彎曲時,花鍵軸不會跟著彎曲。這是因為單個軸承允許外圈軸線相對于花鍵軸軸線產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角,所以,可控離合器部分的抗彎剛度僅等于離合器外圈的抗彎剛度,其與離合器內(nèi)部的花鍵軸無關(guān),因此,離合器內(nèi)圈在花鍵軸上的軸向位置變化不影響離合器部分的抗彎剛度。

推導(dǎo)出這種新型穩(wěn)定桿的側(cè)傾剛度為:

從上式可知,離合器內(nèi)圈的位置發(fā)生變化,l5長度即發(fā)生變化,相當(dāng)于真正參與扭轉(zhuǎn)變形的長度發(fā)生變化,穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度即發(fā)生變化。車輛行駛時,控制系統(tǒng)根據(jù)車速隨時調(diào)整內(nèi)圈的位置,低速時內(nèi)圈左移使l5減小,高速時內(nèi)圈右移使l5增大,一旦車身發(fā)生側(cè)傾運動,控制離合器內(nèi)的楔塊張開使離合器工作,此時穩(wěn)定桿的側(cè)傾剛度將呈現(xiàn)為低速時小,高速時大,使車輛有比較好的操控性。

1.3 新型半主動式橫向穩(wěn)定桿的技術(shù)難點及解決措施

一般轎車橫向穩(wěn)定桿在發(fā)生允許的最大車身側(cè)傾角時,其承受的扭轉(zhuǎn)力矩約為150 N·m,由于底盤中穩(wěn)定桿的安裝空間是很小的,從離合器便于安裝的角度考慮,假設(shè)把可控離合器的直徑限定在55 mm以內(nèi),尺寸如此小的一般摩擦離合器要做到承受150 N·m左右的扭矩極為困難,因為如此狹小的空間是不足以產(chǎn)生足夠壓緊力的,所以考慮采用帶有自鎖壓緊作用的楔塊式單向離合器,靠其自鎖作用力來產(chǎn)生足夠的扭矩。為了彌補其只能傳遞單向扭矩的不足,如前所述,可采用兩個工作方向相反的單向離合器拼在一起使用,那么無論穩(wěn)定桿A、B部分向哪個方向扭轉(zhuǎn),總會有一個單向離合器工作,從而都能把兩部分連接成一個整體。

然而,現(xiàn)有量產(chǎn)的楔塊式單向離合器能傳遞的扭矩依然不能滿足需求,如某楔塊式單向離合器外徑52 mm,其額定承受扭矩只有68 N·m,所以用市面上現(xiàn)有楔塊式單向離合器還是達不到目的。

現(xiàn)有楔塊式單向離合器所能承受的額定扭矩不高的主要原因是其內(nèi)部零件的高副連接,即其楔塊和內(nèi)外圈之間是線接觸的,這就使其接觸應(yīng)力比較大。這里采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)王樹春老師的發(fā)明專利“弧塊式低副單向超越離合器”[11],這種單向離合器內(nèi)外圈之間是弧塊和楔塊的組合,如圖7所示,工作時,楔塊旋轉(zhuǎn)張開,帶動弧塊運動直至貼緊外圈內(nèi)圓柱面,當(dāng)離合器內(nèi)外圈發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時,楔塊和內(nèi)圈、楔塊和弧塊以及弧塊和外圈內(nèi)圓柱面這三個接觸弧面均發(fā)生自鎖,從而使內(nèi)外圈連接在一起。這三個轉(zhuǎn)動副都是面接觸,強度設(shè)計時只考慮楔塊的承壓應(yīng)力不超過極限即可[11],這就使同尺寸的單向離合器承受扭矩的能力大大增強,如果用普通軸承鋼材料制造,經(jīng)計算大約能承受250 N·m,如果采用高強度材料并增大接觸面摩擦系數(shù)以增大自鎖摩擦角,那么離合器承受的扭矩量還有較大的潛力可挖。所以從理論上來說這種單向離合器能滿足使用要求。

圖7 弧塊式低副單向離合器

2 總結(jié)

這種半主動橫向穩(wěn)定桿為純機械式的,其離合器內(nèi)圈在調(diào)到一定的位置后,楔塊張開使離合器工作,使其成為一根具有一定側(cè)傾剛度的穩(wěn)定桿,內(nèi)圈在不同的位置工作,可以得到不同剛度的穩(wěn)定桿?，F(xiàn)有的半主動橫向穩(wěn)定桿是通過控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器檢測到的車身側(cè)傾角度后實時調(diào)整執(zhí)行器的阻尼力矩來達到改變其側(cè)傾剛度的,這種新型機械式的半主動穩(wěn)定桿無需復(fù)雜的、對實時控制可靠性要求高的控制系統(tǒng),其具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)和制造成本低的特點。

但是這種橫向穩(wěn)定桿是通過調(diào)整其發(fā)生扭轉(zhuǎn)部分的長度來調(diào)整側(cè)傾剛度的,從側(cè)傾剛度公式(3)可以看出,調(diào)整量只是其中的扭轉(zhuǎn)變形部分,雖然是穩(wěn)定桿變形的主要部分,但是畢竟還存在彎曲變形,所以改變扭轉(zhuǎn)部分長度來調(diào)整其側(cè)傾剛度的幅度是有限的,即調(diào)整得到的側(cè)傾剛度的變化范圍不如現(xiàn)有的半主動橫向穩(wěn)定桿的大。

這種半主動橫向穩(wěn)定桿具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、對控制系統(tǒng)要求低、有一定的側(cè)傾剛度調(diào)整能力的特點,能使車輛具有良好的平順性和抗側(cè)傾能力,便于底盤工程師對懸架進行調(diào)校,穩(wěn)定桿系統(tǒng)的開發(fā)難度也小,適合低成本、對操控要求不高的車輛采用。