重型商用车后悬抗侧倾能力的设计计算

苏寅寅 朱小蓉 徐 垒

（江淮汽车国际公司海外汽车研究所，合肥 230601）



重型商用车后悬抗侧倾能力的设计计算

苏寅寅 朱小蓉 徐 垒

（江淮汽车国际公司海外汽车研究所，合肥 230601）

摘 要：重型商用车由于其结构特点决定了其整车质心位置较高，这就要求其有足够的侧倾角刚度来满足车辆在转弯时的安全性要求。本文根据出口俄罗斯产品认证过程中发现的问题，分析原因，制定优化措施，根据改进后车辆后悬的结构参数，分别计算出钢板弹簧及横向稳定杆的侧倾角刚度，并分析出整车侧倾能力是否满足法规中对搅拌车的性能要求。

关键词：重型商用车 横向稳定杆 侧倾角刚度 安全性

引言

某公司出口俄罗斯重型卡车产品在进行法规认证的过程中，需进行一系列的操纵稳定性试验，其中一项试验是针对车辆的抗侧倾能力进行的。由于产品初试结果不甚理想，因此本文针对此问题分析原因，制定改进措施，再通过分析计算得出车辆能否满足试验要求。

影响整车侧倾能力的因素有很多，为方便研究计算，假定以下两个条件：

（1）重型商用车车后轴载荷远大于前轴，且后轴载荷重心高于前轴，故以后轴是否发生侧翻作为判定整车行驶稳定性的标准；

（2）不予考虑轮胎刚度及其他橡胶件刚度等因素。

1 俄罗斯法规要求简介

根据俄罗斯法规GOST R52302-2004要求，公司出口俄罗斯重卡产品需进行以下操纵稳定性测试：（1）转弯半径：R=35m；（2）车速：V≥60km/h；（3）载荷要求：满载。

试验过程中，车辆以一定的速度通过半径35m的通道。根据试验情况，逐步增加车速进行循环试验。当车辆轮胎离开地面、车辆脱离界限或者车速超过60km/h时，试验终止。以最终车速为判定标准，车速大于等于60km/h为合格。图1为试验的示意图。

图1 试验示意图

2 试验结果及改进措施

2.1 试验结果

公司搅拌车产品初试未能通过试验。车速为52km/h时，外侧车轮即已离开地面，车辆侧倾角刚度不满足法规要求。表1为实施改进前，公司搅拌车后悬参数的状态。

表1 改进前车辆后悬参数的状态

2.2 原因及改进措施

车辆直线行驶时，两侧板簧负荷相同。车辆转弯时，由于离心力的作用，内外侧板簧负荷发生转移，内侧板簧负荷减小，外侧板簧负荷增大，板簧所产生的反力成为继续侧倾的阻力。如果车辆装配有稳定杆，此时横向稳定杆发生扭转，杆身的弹力也成为继续侧倾的阻力，二者共同作用之和构成后悬的抗侧倾能力。为增加后悬侧倾角刚度，满足法规要求，制定改进措施：（1）增加后钢板弹簧刚度，以提高车辆侧倾时钢板弹簧所提供的反力；（2）增加后桥横向稳定杆，增加板簧以外的抗侧倾能力。

改进后，车辆后悬的主要参数如表2所示。

表2 改进后车辆后悬参数的状态

3 后悬侧倾角刚度计算

3.1 优化设计前，后悬侧倾角刚度

如图2所示，车辆侧倾时，钢板弹簧绕车辆纵轴中心旋转，此时钢板弹簧的侧倾角刚度为：

式（1）中，KS为钢板弹簧刚度；D为钢板弹簧中心距。

因此，改进前后悬侧倾角刚度

图2 车辆侧倾示意图

3.2 优化设计后，后悬侧倾角刚度

（1）后悬侧倾角刚度构成。优化设计后，后悬侧倾角刚度主要由两个部分构成：KSR，钢板弹簧的侧倾角刚度；KR，横向稳定杆的侧倾角刚度。于是，有

3.2.2 钢板弹簧侧倾角刚度

由式（1）可得，

（3）横向稳定杆侧倾角刚度。横向稳定杆形状如图3所示。它为圆形实心截面，直径为d，力作用在两端点A、A’。在车辆转弯时，横向稳定杆发生扭转，在两端点施加的载荷P大小相等，方向相反，载荷作用点处变形为δ（不考虑横向稳定杆的橡胶衬套变形）。表3则为横向稳定杆的参数值。

图3 横向稳定杆

则横向稳定杆的刚度K为：

横向稳定杆侧倾角刚度KR为：

表3 横向稳定杆参数

稳定杆侧倾刚度

稳定杆侧倾角刚度

3.2.4 优化结果分析对比优化前后悬侧倾刚度

优化后后悬侧倾刚度

优化后后悬侧倾刚度相对提升：

优化前后悬侧倾角刚度：

优化后后悬侧倾角刚度：

优化后后悬侧倾角刚度相对提升：

可见，优化后后悬侧倾角刚度提升效果明显。

4 试验工况校核

图4 力学模型

以上计算结果表明，优化设计后后悬侧倾角刚度有了大幅度提升。以下将通过计算分析来判定后悬侧倾角刚度能否满足试验要求。

4.1 力学模型

为进行力学分析，建立力学模型，如图4所示。车辆静止时，左右车轮负荷Wi、W0相等。车辆转弯过程中，由于离心力Fcf的作用，簧上部分绕车辆纵向中心O旋转，重心向外侧倾斜，倾斜角度为。由于离心力及重力的作用，内侧车轮负荷向外侧车轮转移，即内侧车轮负荷Wi减小，外侧车轮负荷W0增大。由离心力作用引起的转移量为

4.2 车轮负荷转移量计算

根据以上分析结果可知，车辆在试验条件下是否会发生侧翻，可以通过内侧车轮负荷量来判定，即内侧车轮负荷大于等于零，则车轮与地面仍有接触，车辆不会发生侧翻；内侧车轮负荷小于零，则车轮与地面脱离接触，车辆发生侧翻。

当车辆以60km/h时速，35m为半径运行时，后悬簧上载荷受到离心力Fcf作用。其中，

此时簧上载荷处于力矩平衡状态：

板簧由于离心力引起的载荷转移量

外侧板簧的压缩量

整车侧倾角：

重心水平移动量：

离心力引起的外侧车轮增量：

重心偏移引起的外侧车轮负荷增量

外侧车轮负荷总增量

4.3 小结

因此，此时内侧车轮仍有负荷，即车轮与地面之间仍有接触，车辆不会发生侧翻。

（2）试验结果。车辆改进后重新进驻襄樊试验场进行试验，车速达到60km/h时顺利通过试验，证明改进措施合理有效，理论分析结果与试验验证结果一致。

5 结论

本文针对某公司出口俄罗斯重型搅拌车产品认证试验结果进行分析，根据分析结果制定优化措施。分别计算出优化后后悬钢板弹簧侧倾角刚度及横向稳定杆侧倾角刚度，得出后悬总的侧倾角刚度，对比优化前有了较大改进。为确定车辆是否能够满足要求，根据车辆转弯时的受力情况，建立力学模型，分析判定车辆侧倾的指标为车轮负荷转移量是否大于车轮静态负荷。根据力学模型及各种参数计算试验工况下车轮负荷转移量，并将其与车轮静态负荷进行对比，结论是车轮负荷转移量小于车轮静态负荷，即车辆在试验工况下不会发生侧倾。此外，优化设计后车辆重新进行试验，并通过了试验，证明了优化措施的有效性。

参考文献

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［5］陈家瑞.汽车构造［M］.北京：机械工业出版社，2000.

Design and Calculation of the Heavy Commercial Vehicle Anti Roll Ability

SU Yinyin，ZHU Xiaorong，XU Lei
（overseas automobile research institute， Hefei 230601）

Abstract:Due to the structural characteristics of heavy commercial vehicle， the vehicle mass center position is higher，and it is required to have enough lateral stiffness to meet the safety requirements of vehicle in turn. In this paper according to the problems found in the Russian export product certification process， analyze the causes and formulating the optimization measures， according to the improved vehicle rear suspension structure parameters were calculated stiffness of steel plate spring and a transverse stable rod side angle， analysis of the vehicle roll ability whether meet the laws and regulations of the stirring vehicle performance requirements.

Key words:heavy duty commercial vehicle， lateral stability bar， lateral stiffness， safety