駕駛室懸置穩定桿結構優化設計

關鍵詞：駕駛室懸置；穩定桿；耐久性

0引言

隨著科技的持續進步，人們對汽車的安全性、舒適性要求變得越來越嚴格。為了提升重卡車輛的駕乘舒適性，目前駕駛室普遍采用了四點懸浮的懸置結構。其中，駕駛室前懸的穩定桿總成作為這一結構的核心部件，不僅需要承受來自底盤的動態載荷，還需在駕駛室翻轉過程中承受相應的載荷，以確保翻轉的姿態和安全性。由于重型牽引車的工作條件十分惡劣，且行駛工況復雜多樣，因此在產品開發過程中，我們采用了多種驗證方法，包括搭載整車進行道路可靠性試驗、基于路譜的駕駛室總成六自由度臺架試驗，以及穩定桿總成的耐久性試驗。

1問題描述

在某車型用戶試用期間．駕駛員反饋車輛出現了明顯的左右高低差異現象。經過實地測量，發現駕駛室左右對稱部位的離地高度差達到了約40mm，這一數值超出了設計標準。特別值得注意的是，駕駛室前懸置的限位高度存在顯著差異，其中右側比左側高出20mm。基于這些觀察，我們初步判斷穩定桿總成可能出現了變形。在現場更換了前懸穩定桿總成后，問題得到了解決。將拆下的舊件放置在水平地面上進行檢查，發現穩定桿總成有明顯變形，左右兩端的高度差達到了21mm，這表明穩定桿總成已經發生了永久性變形，失去了其應有的功能（故障照片如圖1所示）。

穩定桿總成的變形會導致駕駛室左右高度差異進一步加劇。在嚴重的情況下，還可能會導致駕駛室的外觀部件與底盤部件發生干涉，甚至可能影響車輛的安全駕駛。另外，考慮到穩定桿總成的價格較高且更換過程復雜，我們需要對其結構進行深入的分析，并提出有效的改進和優化方案。

2原因分析

2.1懸置及穩定桿結構

駕駛室前懸穩定桿，根據其懸置的結構類型，主要可以分為2種形式：固定式穩定桿和浮動式穩定桿。采用浮動式穩定桿的懸置系統，在提升車輛的平順性方面表現更優，因此目前已經成為了主流應用。一個典型的懸置結構通常包含以下部件：穩定桿、擺臂、襯套、減振器、擺臂支座、減振器支座以及緩沖塊等。其簡化后的結構形式如圖2所示。

2.2穩定桿受力分析

在采用四點懸浮機構的駕駛室懸置系統中，穩定桿所承受的載荷主要來源于兩個方面：一是車輛行駛過程中路面產生的動態沖擊載荷；二是在駕駛室翻轉過程中，由駕駛室質心位置變化所產生的扭矩變化。穩定桿的作用是在駕駛室受到沖擊時發生變形，從而保護駕駛室。因此，在分析穩定桿的受力情況時，我們主要考慮以下工況（表1）：

2.3力學模型仿真分析

為了深入分析穩定桿的受力情況，我們建立了駕駛室懸置系統的ADMAS力學模型，并對懸置系統中的減振器、襯套等關鍵部件進行柔性化建模。通過這一模型，我們提取了駕駛室懸置在各工況下穩定桿端部的載荷數據。隨后，將這些數據導入到Hyper＼Works軟件中，進行了靜力仿真分析。有限元模型見圖3。

經過詳細的靜力仿真分析，我們發現除了扭轉工況外，在其他各載荷工況下，穩定桿的最小安全因子均大于2，顯示出相對較高的安全性。特別是在扭轉工況下，穩定桿的安全系數為1.83。因此，從結構及材料本身的力學性能來看，是滿足使用要求的。

2.4穩定桿極限位移分析

根據穩定桿的結構特點，并結合靜力仿真分析的結果，可以得知在扭轉工況下，穩定桿兩端會產生較大的位移，這是其受力最為惡劣的工況。為了準確獲取車輛實際運行過程中穩定桿兩端的位移變化，在實車駕駛室的穩定桿兩端安裝了位移傳感器。這些傳感器能夠記錄在各種路況條件下穩定桿兩端的位移差值（參見表2）。

試驗工況是在試驗場進行的綜合采集，涵蓋了高速路、國道、非鋪裝路面等多種路況。采樣頻率設置為1000Hz，總計收集了149萬個數據樣本，試驗里程6.9km。經過數據篩選發現，在正常行駛過程中，由于路面狀況良好，穩定桿的相對位移在大多數情況下都保持在10mm以下，這一比例高達93.43%。而穩定桿相對位移超過10mm的情況僅占6.57%，且最大相對位移記錄為37.5mm。因此，在進行仿真分析時，我們需要特別關注穩定桿的極限位移情況。

對穩定桿總成進行極限位移分析時，我們約束了穩定桿擺臂的后端，并在穩定桿前端減振器安裝點施加了載荷。載荷以位移的方式進行驅動，且左右方向的位移是相反的。在施加了±30mm的位移后，我們根據分析結果發現，在極限過載工況下，穩定桿的安全系數為0.98。這一結果表明，在極端條件下穩定桿可能存在一定的風險。

2.5駕駛室舉升過程影響

對于浮動式前懸，駕駛室翻轉時，穩定桿并非固定不動，而是隨著減振器的伸縮而移動。出于整車布置和成本的考慮，許多車輛都采用單舉升缸設計，通常將翻轉油缸布置在駕駛室右側。這種設計在實際翻轉過程中會導致駕駛室懸置兩側的減振器受力不均。由于駕駛室的質心與翻轉中心距離較遠，這會對穩定桿產生一個扭轉力矩，具體受力情況如圖4所示。

為了模擬翻轉過程中穩定桿的極限位移變化，我們假設駕駛室懸置的一個減振器失效，并在ADAMS中進行建模仿真。這樣，我們可以得到在正常翻轉和一個減振器失效的情況下，駕駛室穩定桿兩端的變形量（圖5）。

經過對比分析，當單側減振器失效時翻轉駕駛室，與正常情況下的翻轉相比，穩定桿的位移量增加了62%，最大位移差達到了58.2mm，這與極限過載分析工況相近（圖6）。在這種情況下，材料可能達到屈服點，從而產生永久變形。仿真結果表明，當駕駛室某一側減振器失效后，穩定桿的一端會失去有效支撐，導致其受力狀況發生變化。此時，穩定桿需要承受更大的扭轉力矩，該力矩的大小會隨著翻轉角度和駕駛室質心位置的變化而變化。

2.6主要失效原因確定

經過核查，我們在產品開發過程中對穩定桿總成進行了靜力、翻轉、扭轉仿真分析，并未發現問題。在試驗過程中，我們也進行了翻轉疲勞和六自由度臺架試驗，且試驗結果均合格。但我們并未對穩定桿的極限變形進行測量，這可能是導致在極限隋況下穩定桿出現變形而常規試驗驗證未能發現問題的原因。目前使用的穩定桿材料為Q345，其材料性能相對較低，屈服強度335～345MPa。為了提高穩定桿的極限抗變形能力，我們需要提升其屈服強度。

3設計改進

3.1結構優化

為了提升穩定桿的抗變形能力，我們結合了現有產品的布置空間，從增大截面和提升材料性能兩方面開展。在材料選擇上，我們選用Q345、Q420、40Cr等材料進行驗證。目前穩定桿總成的結構形式采用的是鉚接工藝，這就要求材料不僅要有良好的延展性，還需要具備高的屈服強度室。為了提高穩定桿的抗變形能力，提升材料的屈服強度是關鍵，進而能夠提升其過載性能。根據現有的結構空間和材料的可用性，我們制定了以下備選方案（參見表3）。

3.2工藝分析

為了評估上述方案的可實施性，我們基于現有的穩定桿壓裝設備進行試樣分析。Q345、Q420材料以及經過熱處理的Q420材料，由于其本身具有良好的延伸率，因此可以實現鉚接。不過，40Cr材料的延伸率僅為9%，抗拉強度達到840 MPa，這使得它無法實現鉚接。因此，建議采用焊接方案進行驗證。

3.3極限過載條件下的仿真分析

我們對4種方案進行對比分析，通過在±35mm的加載位移下考察穩定桿在極限條件下的安全因子。結果顯示，采用40Cr材料的方案性能最優，其安全因子達到1.6。

3.4試驗設計

為了驗證穩定桿總成的過載疲勞性能，我們結合道路試驗采集的位移數據和駕駛室翻轉過程中的極限位移差，設計了疊加工況進行耐久性測試。試驗臺架如圖7，加載工況如下：

（1）位移±20mm，頻率2Hz，循環10萬次。

（2）過載測試：從20mm開始，以5mm/s的速度逐步加載，直到穩定桿產生永久變形。

我們對不同方案的穩定桿進行了臺架加載試驗，并與現有狀態進行了對比，以便為最終優化方案的選擇提供指導。試驗結果參見表4。

通過試驗對比發現，單獨更換材料規格無法滿足試驗要求。方案2與方案3在過載抗變形能力方面表現相對更優。對于方案2中使用的40Cr材料雖然提高了管體本身的抗屈服能力，但由于其焊接性能降低，焊接難度增大，導致焊縫位置成為受力薄弱點。由于焊接強度不足和工藝控制難度較高，方案2無法滿足批量應用的需求。相比之下，方案3采用的Q420材料具有良好的延展性，并采用鉚接結構，具有更優的耐久性。通過對管體進行整體熱處理，可以改善內部應力分布，提高表面硬度。經過多次工藝參數調整，其屈服強度可以穩定在500MPa以上，抗拉強度670～800MPa，延伸率達到16%以上，性能表現較為穩定。

3.5改進實施

為了滿足車輛實際使用需求并減少因變形而導致的駕駛室傾斜問題，我們采用方案3進行市場驗證。我們選擇使用工況較為惡劣的區域，在用戶試用車上進行實地驗證。共更換了5輛車的穩定桿，并持續對用戶進行跟蹤調查。截至目前，更換后的車輛已經運行超過5萬km，未發生任何變形現象，改進效果明顯。

4結束語

本文通過對浮動式駕駛室懸置穩定桿的結構進行深入分析，發現穩定桿變形的主要原因是材料的屈服強度不足。在極限工況下，由于載荷超過了材料的屈服極限，導致變形累積。為了解決穩定桿的變形問題，我們進行了材料優化和結構分析改進。同時，根據試驗場采集的位移信息，并考慮減振器失效后的單側舉升工況，我們制定了相應的仿真分析方案和試驗方案。改進后的穩定桿在承載能力和過載位移方面均得到了顯著提升。這一研究成果不僅解決了實際問題，還為后續駕駛室懸置產品的開發提供了有價值的借鑒方案和分析方法，具有一定的指導意義。