平衡懸架上反作用桿夾角設計初探

劉 輝，杜婷婷

(中國第一汽車股份有限公司技術中心，吉林長春130011)

目前，在國內重型卡車領域，后懸架多數采用平衡懸架結構，其導向機構由上、下反作用桿組成。其中，上反作用桿的布置形式目前有3種：單I形上反作用桿結構，V形上反作用桿結構（圖1），斜置雙I形上反作用桿結構（圖2）。相對于單I形上反作用桿結構，V形上反作用桿以及斜置雙I桿結構由于具有穩定性高、承受側向力效果好等優點，逐步成為重卡懸架的發展趨勢。

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

1 反作用桿系統受力分析

1.1 直行（驅動）瞬態反作用桿的受力計算

在車輛直行工況下，將反作用桿簡化為直線段，對反作用桿、輪胎、橋殼系統沿車輛行駛方向的側向投影，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 反作用桿側向投影受力分析

由力矩平衡原理可推導得：

P1為中橋上反作用桿側向投影受力

P2為中橋下反作用桿受力

P3為后橋上反作用桿側向投影受力

P4為后橋下反作用桿受力

F為地面摩擦力

準1為中橋上反作用桿與水平夾角

準2為中橋下反作用桿與水平夾角

準3為后橋上反作用桿與水平夾角

準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與輪心豎直距離

L2為中橋下反作用桿連接點與輪心豎直距離

L3為后橋上反作用桿連接點與輪心豎直距離

L4為后橋下反作用桿連接點與輪心豎直距離

通過受力分析可求得直行驅動情況下某瞬態各個反作用桿的受力情況，由以上推導可知：對于上V型桿，下兩縱桿布置的懸架桿系，上桿及下桿到車輪中心的距離、各反作用桿長度分配對整個桿系的受力有很大影響。合理的尺寸設計可以盡力保證各個桿受力接近。

另外，為防止車輪跳動過程中車橋轉角變化過大，反作用桿桿系縱向投影應盡量布置為平行四邊形結構。

在此狀態下，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 側傾瞬態反作用桿的受力計算

在車輛轉彎行駛等情況下，車輛受側向力作用，受力分析可通過圖5表示。

圖5 側傾工況受力分析

K準=KBS2/2為懸架系統的側傾剛度

M準=mμ×Hs+mg×e為車輛側傾力矩

準=M準/K準為車身側傾角

Hs為質心到側傾中心的距離

K為鋼板彈簧垂直剛度

BS為鋼板彈簧距離

m為簧載質量

e為整車質心橫向偏距

μ為側向加速度

在一定的側傾角度下，反作用桿承受橫向力可通過以上計算得出，在此狀態下，上反作用桿受力俯視投影見圖6所示。

圖6 上反作用桿承受側傾力分解

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

根據1.1及1.2的分析結論，以上反作用桿之間的夾角θ作為函數變量，對直行、側傾及二者疊加的3種瞬態對反作用桿受力計算。

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左為左側上反作用桿受力

F右為右側上反作用桿受力

P為上反作用桿承受的縱向力

P'左為左側上反作用桿受到的縱向力分力

P'右為右側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（驅動）瞬態受力計算

當車輛僅直行，mμ=0，上反作用桿只承受縱向力，由1.1計算可求得縱向力P，此時上桿隨著夾角θ的變化，受力變化曲線如圖8。

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

以上結論表明，車輛單純在直行工況，上反作用桿雙桿夾角應設計得偏小一些。

圖8 上反作用桿受縱向力曲線

2.3 側傾瞬態受力計算

當車輛僅側傾轉彎時，假設上反作用桿只承受橫向側傾力，由1.2計算可得橫向力mμ，此時上桿隨著夾角θ的變化，受力變化曲線如圖9。

圖9 上反作用桿受橫向力曲線

由受力曲線得出，當上反作用桿只承受橫向力，雙桿夾角偏小時，受力相對較大。并隨著雙桿夾角的增大由急劇減小。當雙桿夾角大于30°左右時，雙I桿受力隨著夾角的變大，而平緩減小。以上結論表明，車輛單純在側傾工況，上反作用桿雙桿夾角應設計得偏大一些。

2.4 驅動側傾疊加瞬態受力計算

在車輛的實際運行過程中，隨著車輛運行工況的變化，反作用桿受力較復雜。由1.1、1.2中的計算，隨機選取車輛驅動前行且轉彎某一瞬間狀態下的縱向力P及橫向力mμ，受力變化曲線如圖10。

圖10 上反作用桿受力曲線

由上圖可見，當雙桿夾角處于40°～120°時，受力相對較小，并隨著角度的變化而平緩的變化。當雙桿夾角過大或者過小時，受力將急劇增大。

綜合考慮以上對3種瞬態的分析結論，可以看到，將上反作用桿夾角設計為40°～80°范圍內相對較為合理。針對具體車型，上反作用桿夾角的選擇布置也受到中、后橋軸距、車架寬度等影響，設計時需要綜合各種因素，最終選定最合理的角度。

3 應用adms軟件對雙I桿系統分析驗證

3.1 adms模型的建立

為了驗證以上結論，選取某兩種車型的平衡懸架系統，上反作用桿夾角分別為49.4°、41°，建立adms仿真模型（見圖11），對模型分別施加縱向力、橫向力以及對車橋進行雙側、單側舉升下落，得出受力曲線，進行對比分析。

圖11 平衡懸架系統adms仿真模型

3.2 分析結果

對系統模型施加縱向作用力，雙桿受力曲線如圖12，橋縱向位移曲線如圖13。

令系統模型單橋上、下跳，另一橋相應做下、上跳運動，得出雙桿受力曲線如圖14所示。

由以上曲線可以看出，對模型施加縱向力，或雙橋交替上下跳動時，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

圖13 施加縱向力橋位移曲線

圖14 橋上下跳動雙桿受力曲線

對系統模型施加側向作用力，雙桿受力曲線如圖15，橋側向位移曲線如圖16。

圖15 施加側向力雙桿受力曲線

圖16 施加縱向力橋位移曲線

令系統模型雙橋左側同時上、下跳，則另一側相應做下、上跳運動，得出雙桿受力曲線如圖17所示。

圖17 橋單側上、下跳雙桿受力曲線

由以上曲線可以看出，對模型施加側向力，或車橋做左右跳動時，49.4°夾角桿系受力小于41°夾角桿系。

3.3 分析結論

adms驗證結果與上文計算結論相符，進一步證明了因上反作用桿夾角變化而導致的系統受力變化趨勢的正確性。

4 結束語

中重型卡車平衡懸架系統在車輛的實際運行過程中，受力非常復雜。本文選取幾個典型工況，推導上反作用桿夾角變化導致的桿系受力情況變化。并利用ADAMS軟件對計算結果進行驗證，結論與推導結果吻合。

參照文中給出的結論，在平衡懸架反作用桿產品開發過程中，在布置空間允許的情況下，應盡量合理布置上反作用桿夾角，最大化的符合車輛性能及可靠性要求。

隨著當代設計理念的逐步完善化，設計手段的先進化，CAE軟件的功能多樣化，更可靠、先進的措施將進一步研究。

[1]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2006.