重型汽車穩定桿的計算和分析

陳太榮，楊佳睿

（南京徐工汽車制造有限公司，江蘇 南京 210021）

前言

橫向穩定桿在保證汽車行駛平順性的前提下，能提高懸架的側傾角剛度，減小汽車在不平路況或轉彎時車身的側傾角。合理的調整前后懸架側傾角剛度比值，能使車輛具有一定不足轉向特性，提高整車操縱穩定性。對于重型汽車，前后橋軸荷以及輪胎側偏剛度相差大，前后橋橫向穩定桿的剛度以及側傾角剛度的分配過程比較復雜，它由整車的操縱穩定性和車身的受力情況兩種因素決定的。在穩定桿的設計過程中，可以從這兩方面出發，推算出前后懸架的總側傾角剛度及其在前后橋上的分配，進而求得前后橋穩定桿的側傾角剛度；再結合整車布置的要求，進行橫向穩定桿的結構設計。本文針對某款牽引車進行橫向穩定桿的剛度設計和匹配，以期對相關設計提供參考和幫助。

1 、穩定桿剛度的計算和匹配

為了提高車輛行駛平順性，板簧剛度一般適當降低，這會降低車輛側傾穩定性，給車輛增加穩定桿可以解決這一矛盾。商用車側傾穩定性的一般要求是，車輛在0.4g的側向加速度下，整車側傾角小于 6°。車輛側傾角和懸架側傾角剛度可以用下式表示[1]：

式中，φr為車輛側傾角；Mφ為整車側傾力矩，對于非獨立懸架，該力矩包括由重力和離心力引起的力矩；Fs為車身離心力；h為簧載質心距離側傾軸線的距離；Σk為總側傾角剛度；kf為前懸側傾角剛度；kr為后懸側傾角剛度；kw為穩定桿側傾角剛度；kφ為非獨立懸架的側傾角剛度；kl為一側懸架的線剛度；B為板簧安裝距；kwf為前穩定桿側傾角剛度；kwr為后穩頂桿側傾角剛度。本文所考慮的車輛參數如表1所示。

表1 整車主要參數

根據（2）式，結合車輛參數可求得前板簧側傾角剛度kf=122.8kN.m/rad，后板簧側傾角剛度kr=967.7kN.m/rad。根據設計要求，車輛在0.4g側向加速度時，車身側傾角小于3.5°，根據（1）式可求得需要的總側傾角剛度Σk =1582.22 kNm/rad。考慮到橡膠襯套對穩定桿剛度的影響，取影響因子為0.8，則kw=( Σk-kf- kr)/0.8=614.644 kNm/rad。

穩定桿側傾角剛度在前后懸架上的分配主要考慮兩方面的問題，一是使車輛具有一定的不足轉向特性，二是減少側傾時車架的扭轉變形量。由于重型牽引車的中性轉向點相對于重心位置更靠后，所以本文主要從減少車架扭轉變形的角度來進行前后穩定桿側傾角剛度的分配。合理的匹配前后懸架的側傾角剛度使前后懸架簧載質量產生相同的側傾角，可以有效減少側傾時車架所承受的附加力矩[2]。前后懸架穩定桿側傾角剛度可以按下式進行分配：

式中，mf、mr分別為前、后懸簧載質量，hf、hr分別為前、后懸簧載質心距離側傾軸線距離。根據（4）式可求得kwf=370.7 kNm/rad，kwr=243.94 kNm/rad。

穩定桿尺寸示意圖如圖1所示，根據穩定桿的剛度計算其直徑的公式如（5）式所示[3]，可求得前后穩定桿的直徑分別為df=45mm，dr=50mm。

2 、穩定桿的結構布置及其連桿設計

穩定桿尺寸的設計及其連接支架的布置要遵循總體布置的要求，需要充分考慮到穩定桿與車橋及支架的連接關系，連接桿與板簧、轉向直拉桿的空間關系等。穩定桿及其連接桿的布置如圖2所示，連接桿上端與固定在車架上的上支座用銷軸連接，下端與穩定桿通過銷軸進行連接。

為分析連接桿結構設計是否合理，需對其進行受力分析。本文首先模擬穩定桿的運動狀況，應用動力學分析，求出穩定桿及其連接桿受力；其次，采用試驗方法驗證分析結果的準確性；最后，采用有限元方法分析連接桿的強度。

3.1 Adams動力學仿真

通常情況，連接架的最大應力出現在車輛極限工況下。為了模擬極限工況，采取動力學仿真分析方法。在Adams中建立前懸架模型，進行單輪跳動分析。橫向穩定桿與車橋、連接架，連接架與車架之間采用襯套約束；模擬單輪提高200mm，得到橫向穩定桿連接桿最大受力為4208N（見圖3）。

3.2 應力試驗

為驗證仿真分析的準確性，對實車進行應力試驗。試驗車輛系統各部件運行正常，車輛為滿載狀態。試驗采用無線傳感器測量系統，對橫向穩定桿進行貼片測量，測量橫向穩定桿所受扭矩，再推算出連接架受力。圖4為橫向穩定桿系統貼片位置。采用左輪上凸臺（高200mm）進行測量（見圖5）；試驗數據如圖6所示。

從上述試驗數據可以看出：0～5s內，為車輛左車輪駛上凸臺過程，橫向穩定桿隨著左車輪逐漸提高，所受扭矩成線性增加；5～15s內，左側車輪勻速行駛在凸臺平面上，橫向穩定桿所受扭矩、連接桿所受應力不變。橫向穩定桿所受扭矩最大值為1154Nm，該橫向穩定桿的l2尺寸為260mm，由公式F=M/L可以求出連接桿作用力為4049 N；與仿真值4208 N誤差為4%，誤差在允許范圍內，表明動力學仿真模型有一定的準確性，在結構設計階段可以作為有限元分析的依據。

3.3 有限元分析

在Hypermesh中對改進后的連接架模型劃分網格進行受力分析。對部件按照實際狀態施加約束，上端固定，下端施加載荷4049 N，分析得出結果如圖7、圖8所示，最大應力處為66.61MPa，吊桿材料ZG310-570；安全系數為4.64，滿足強度要求。 圖7為吊桿整體位移云圖，可以看出其最大位移處位于載荷施加處，最大值1.5mm，遠小于連接桿自身尺寸，滿足剛度要求。

4 、總結

本文分析了牽引車穩定桿剛度的計算和匹配，對穩定桿的設計有一定指導作用；仿真分析和試驗結果表明利用Adams進行懸架的動力學仿真，模型具有一定的精度；在結構設計階段可以作為有限元分析的依據。對穩定桿連接桿進行有限元受力分析，確保了結構的可靠性。

[1] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2009,3.

[2] 胡久強.基于 MATLAB的汽車側傾角剛度匹配及穩定桿設計[J].農業裝備及機械工程，2013，(7):21-24.

[3] 陳耀明.汽車懸架論文集[M].蘇州：蘇州大學出版社.2012,9.