一種半主動橫向穩定桿

馮紹勇

(景德鎮學院,江西 景德鎮 333400)

0 引言

懸架的運用使車輛行駛的平順性和抗側傾能力構成一對矛盾,為了解決這對矛盾,在車輛底盤結構中采用橫向穩定桿技術是一個比較好的方法。

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

主動式橫向穩定桿可以克服被動式穩定桿的缺陷。其采用液壓旋轉式執行器[1-2]或直流電機作為旋轉式執行器[3-7]來產生扭矩以抑制車身側傾幅度和調節穩定桿的側傾剛度。如圖1為常見的主動式穩定桿結構,穩定桿被分解成A、B兩部分,中間是執行器,其內部有兩個可以做同軸旋轉的構件,這兩個旋轉構件分別與穩定桿A部分及B部分固連,通過液壓或者電磁力使執行器中的兩個旋轉構件各自受到相反力矩MA和MB的作用,這兩個力矩讓穩定桿A、B部分分別向相反的方向扭轉,此時穩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,力矩和作用力的關系為:MA=PA×l,MB=PB×l。PA和PB大小相等方向相反,它們構成一對力偶,這對力偶與車身受到的側傾力矩方向相反,力偶矩為PA×lc=Mφ(l和lc為圖1中標注的尺寸),稱其為抗側傾力矩,可知,執行器輸出力矩MA和MB越大,抗側傾力矩Mφ越大,車身側傾角越小。當執行器的輸出力矩為零時,此時相當于穩定桿A、B兩部分斷開,不產生抗側傾力矩,車輛有比較好的平順性。

圖1 主動式橫向穩定桿結構

半主動式橫向穩定桿結構大多也如圖1所示,不同的是其執行器產生的力矩MA、MB是執行器內兩個旋轉構件之間的介質產生的阻尼力矩[8],以阻止其內部兩個旋轉構件的運動。此阻尼力矩同樣可調,從而使其抗側傾力矩發生變化。當阻尼力矩調整為零時,穩定桿A、B兩部分也相當于斷開而不產生抗側傾力矩,車輛有比較好的平順性。

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

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

當前,主動式橫向穩定桿由于成本等原因,在豪華高端車型中使用較多[1-7],半主動橫向穩定桿雖然結構簡單、不耗費車載動力,但是其調節側傾剛度的幅度不如主動式穩定桿,且仍然需要實時控制系統來調整側傾剛度,成本也很高,所以當前量產車上應用的比較少,研究開發的力度也小。

文中開發的一種半主動式橫向穩定桿,其結構簡單,占用空間小,無需實時控制系統來調整側傾剛度,雖然側傾剛度的調整幅度有限,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用價值。

1 新型半主動式橫向穩定桿

1.1 新型半主動橫向穩定桿的實現原理

如圖2所示,穩定桿也被分成A、B兩部分,它們分別與特殊設計的離合器中的兩個旋轉構件固連。當車輛直線行駛時,離合器中的兩個旋轉構件分離,從而使穩定桿A、B兩部分斷開,此時其不產生抗側傾力矩,車輛有比較好的行駛平順性;當車身做側傾運動時,使離合器結合,穩定桿A、B兩部分被連接在一起成為一根完整的穩定桿,它將產生抗側傾力矩。

圖2 新型半主動橫向穩定桿結構

新型穩定桿側傾剛度的調整原理如下:

被動式橫向穩定桿的側傾剛度表達式為[9]:

(1)

圖3 被動式橫向穩定桿結構尺寸

1.2 新型半主動式橫向穩定桿的結構及側傾剛度

1.2.1新型半主動橫向穩定桿的結構[10］

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

圖4 可控離合器結構

圖5 可控離合器內圈與花鍵軸

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

1.2.2新型半主動橫向穩定桿的側傾剛度

根據穩定桿側傾剛度定義和材料力學扭轉和彎曲變形計算方法可推導出這種穩定桿的側傾剛度[9],此處推導過程從略,僅說明新型穩定桿離合器部分參與扭轉和彎曲變形的各段以及其抗彎剛度。

對于扭轉變形,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l5段參與扭轉變形,花鍵軸只有l4段參與扭轉變形。對于彎曲變形,離合器作為整體參與彎曲變形,從圖4所示結構可知,穩定桿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生一定的偏轉角,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,其與離合器內部的花鍵軸無關,因此,離合器內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。

推導出這種新型穩定桿的側傾剛度為:

從上式可知,離合器內圈的位置發生變化,l5長度即發生變化,相當于真正參與扭轉變形的長度發生變化,穩定桿側傾剛度即發生變化。車輛行駛時,控制系統根據車速隨時調整內圈的位置,低速時內圈左移使l5減小,高速時內圈右移使l5增大,一旦車身發生側傾運動,控制離合器內的楔塊張開使離合器工作,此時穩定桿的側傾剛度將呈現為低速時小,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定桿的技術難點及解決措施

一般轎車橫向穩定桿在發生允許的最大車身側傾角時,其承受的扭轉力矩約為150 N·m,由于底盤中穩定桿的安裝空間是很小的,從離合器便于安裝的角度考慮,假設把可控離合器的直徑限定在55 mm以內,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,那么無論穩定桿A、B部分向哪個方向扭轉,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,現有量產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,所以用市面上現有楔塊式單向離合器還是達不到目的。

現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部零件的高副連接,即其楔塊和內外圈之間是線接觸的,這就使其接觸應力比較大。這里采用哈爾濱工業大學王樹春老師的發明專利“弧塊式低副單向超越離合器”[11],這種單向離合器內外圈之間是弧塊和楔塊的組合,如圖7所示,工作時,楔塊旋轉張開,帶動弧塊運動直至貼緊外圈內圓柱面,當離合器內外圈發生相對轉動時,楔塊和內圈、楔塊和弧塊以及弧塊和外圈內圓柱面這三個接觸弧面均發生自鎖,從而使內外圈連接在一起。這三個轉動副都是面接觸,強度設計時只考慮楔塊的承壓應力不超過極限即可[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

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

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

這種半主動橫向穩定桿具有結構簡單、占用空間小、對控制系統要求低、有一定的側傾剛度調整能力的特點,能使車輛具有良好的平順性和抗側傾能力,便于底盤工程師對懸架進行調校,穩定桿系統的開發難度也小,適合低成本、對操控要求不高的車輛采用。