橫向穩(wěn)定桿性能計(jì)算及其影響因素分析_丁能根.pdf

2 0 0 7 年 第 2 期橫 向 穩(wěn) 定 桿 性 能 計(jì) 算 及 其 影 響 因 素 分 析丁 能 根 張 宏 兵 冉 曉 鳳 薄 穎( 北 京 航 空 航 天 大 學(xué) )【 摘 要 】 基 于 對 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 受 力 分 析 , 推 導(dǎo) 出 其 等 效 在 車 輪 處 的 側(cè) 傾 角 剛 度 , 給 出 了 穩(wěn) 定 桿 截 面 相 當(dāng) 應(yīng) 力 的 計(jì)算 公 式 和 最 大 應(yīng) 力 橫 截 面 的 位 置 。 求 出 了 懸 架 在 最 惡 劣 工 況 下 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 強(qiáng) 度 條 件 , 進(jìn) 一 步 分 析 了 穩(wěn) 定 桿 安 裝 位置 和 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 對 其 側(cè) 傾 角 剛 度 和 最 惡 劣 工 況 下 應(yīng) 力 的 影 響 , 并 提 出 了 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 若 干 設(shè) 計(jì) 要 點(diǎn) 。主 題 詞 : 懸 架 橫 向 穩(wěn) 定 桿 側(cè) 傾 角 剛 度 應(yīng) 力中 圖 分 類 號 : U 4 6 3 . 3 2 6 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼 : A 文 章 編 號 : 1 0 0 0 - 3 7 0 3 ( 2 0 0 7 ) 0 2 - 0 0 1 9 - 0 4P e r f o r m a n c e C a l c u l a t i o n a n d I n f l u e n c eF a c t o r s A n a l y s i s o f S t a b i l i z e r B a rD i n g N e n g g e n , Z h a n g H o n g b i n g , R a n X i a o f e n g , B o Y i n g( B e i j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s )【 A b s t r a c t 】 B a s e d o n t h e s t r e s s a n a l y s i s o f s t a b i l i z e r b a r , d e d u c e d i t s e q u i v a l e n t r o l l a n g u l a r r i g i d i t y i n w h e e l s , a n dp r e s e n t e d i t s c a l c u l a t i o n f o r m u l a o f c o r r e s p o n d e n t s t r e s s a n d t h e c r o s s s e c t i o n l o c a t i o n o f m a x i m u m s t r e s s . T h i s p a p e r a l s og o t t h e s t r e n g t h c o n d i t i o n o f s t a b i l i z e r b a r i n t h e w o r s t w o r k i n g c o n d i t i o n , a n a l y z e d t h e e f f e c t s o f s t a b i l i z e r b a r l o c a t i o n a n ds t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o n r o l l a n g u l a r r i g i d i t y a n d s t r e s s i n t h e w o r s t w o r k i n g c o n d i t i o n , a n d p r e s e n t e d s o m e k e y d e s i g np o i n t s o f s t a b i l i z e r b a r d e s i g n .K e y w o r d s : S u s p e n s i o n , S t a b i l i z e r b a r , R o l l a n g u l a r r i g i d i t y , S t r e s 言懸 架 的 側(cè) 傾 角 剛 度 是 影 響 汽 車 靜 態(tài) 側(cè) 傾 穩(wěn) 定性 的 主 要 因 素 之 一 1 , 且 直 接 影 響 到 汽 車 操 縱 穩(wěn) 定性 的 其 他 一 些 性 能 指 標(biāo) , 如 不 足 轉(zhuǎn) 向 度 、 中 性 轉(zhuǎn) 向點(diǎn) 側(cè) 向 加 速 度 等 2 。 為 加 大 懸 架 的 側(cè) 傾 角 剛 度 , 現(xiàn) 代汽 車 大 多 裝 有 橫 向 穩(wěn) 定 桿 。對 于 橫 向 穩(wěn) 定 桿 , 首 先 , 與 操 縱 穩(wěn) 定 性 直 接 相關(guān) 的 設(shè) 計(jì) 指 標(biāo) 是 它 在 車 輪 處 的 等 效 側(cè) 傾 角 剛 度 , 而不 是 其 本 身 的 側(cè) 傾 角 剛 度 ; 其 次 , 穩(wěn) 定 桿 的 設(shè) 計(jì) 必須 滿 足 強(qiáng) 度 要 求 ; 第 三 , 應(yīng) 盡 量 減 輕 穩(wěn) 定 桿 的 質(zhì) 量 。文 獻(xiàn) 2 推 導(dǎo) 了 橫 向 穩(wěn) 定 桿 本 身 側(cè) 傾 角 剛 度 的 計(jì) 算公 式 , 但 是 沒 有 涉 及 到 穩(wěn) 定 桿 在 車 輪 處 的 等 效 側(cè) 傾角 剛 度 的 計(jì) 算 ; 文 獻(xiàn) 3 舉 例 計(jì) 算 了 非 獨(dú) 立 懸 架 橫向 穩(wěn) 定 桿 的 強(qiáng) 度 校 核 及 其 在 車 輪 處 的 等 效 側(cè) 傾 角剛 度 , 沒 有 涉 及 獨(dú) 立 懸 架 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 側(cè) 傾 角 剛度 ; 文 獻(xiàn) 4 在 考 慮 穩(wěn) 定 桿 彎 曲 圓 角 的 前 提 下 , 用 卡氏 定 理 舉 例 推 導(dǎo) 了 規(guī) 則 和 非 規(guī) 則 結(jié) 構(gòu) 穩(wěn) 定 桿 在 車輪 處 的 等 效 側(cè) 傾 角 剛 度 的 計(jì) 算 公 式 , 但 是 沒 有 分 析穩(wěn) 定 桿 應(yīng) 力 。為 綜 合 考 慮 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 各 主 要 設(shè) 計(jì) 指 標(biāo) , 本文 推 導(dǎo) 了 橫 向 穩(wěn) 定 桿 在 車 輪 處 的 等 效 側(cè) 傾 角 剛 度 ,分 析 了 橫 向 穩(wěn) 定 桿 在 最 惡 劣 工 況 下 的 最 大 應(yīng) 力 。 在此 基 礎(chǔ) 上 , 進(jìn) 一 步 分 析 了 影 響 側(cè) 傾 角 剛 度 的 主 要 因素 , 如 穩(wěn) 定 桿 在 懸 架 中 的 安 裝 位 置 、 穩(wěn) 定 桿 結(jié) 構(gòu) 尺 寸等 。2 橫 向 穩(wěn) 定 桿 在 車 輪 處 等 效 側(cè) 傾 角 剛 度 的計(jì) 算圖 1 為 橫 向 穩(wěn) 定 桿 安 裝 示 意 。圖 1 橫 向 穩(wěn) 定 桿 安 裝 示 意在 圖 1 中 , 車 滿 載 時 地 面 給 車 輪 的 垂 直反 力 。 此 時 , 設(shè) 在 左 、 右 車 輪 接 地 點(diǎn) 處 分 別 作 用 大 小相 等 、 方 向 相 反 的 垂 向 力 在 該 二 力 作 用 下 , 左 、支 桿穩(wěn) 定 桿 臂穩(wěn) 定 桿懸 架 擺 臂 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 研 究 1 9 汽 車 技 術(shù)右 車 輪 的 垂 向 跳 動 位 移 量 為 w( 因 為 要 考 察 的 是 穩(wěn)定 桿 在 車 輪 處 的 等 效 側(cè) 傾 角 剛 度 , 此 時 不 考 慮 懸 架彈 簧 的 作 用 力 ) , 穩(wěn) 定 桿 端 部 受 到 的 垂 向 力 和 位 移 分別 為 b。 設(shè) 穩(wěn) 定 桿 斷 面 為 直 徑 等 于 d 的 實(shí) 心 圓形 , 未 變 形 時 的 其 他 參 數(shù) 見 圖 2 所 示 的 橫 向 穩(wěn) 定 桿的 結(jié) 構(gòu) 示 意 。圖 2 橫 向 穩(wěn) 定 桿 簡 化 結(jié) 構(gòu) 示 意圖 2 中 , l 為 橫 向 穩(wěn) 定 桿 中 部 長 度 ; a 為 兩 端 縱向 部 分 的 長 度 ; 為 中 部 與 縱 向 部 分 的 夾 角 ; L 為 橫向 穩(wěn) 定 桿 兩 端 點(diǎn) 間 的 距 離 ; E 、 E 為 分 別 為 橫 向 穩(wěn) 定桿 與 車 身 的 支 撐 點(diǎn) 。分 析 側(cè) 傾 角 剛 度 時 , 忽 略 橫 向 穩(wěn) 定 桿 彎 曲 處 過渡 圓 角 和 橡 膠 套 筒 彈 性 變 形 的 影 響 , 并 假 設(shè) 穩(wěn) 定 桿臂 為 剛 體 。 穩(wěn) 定 桿 臂 固 結(jié) 在 穩(wěn) 定 桿 中 部 B C 的 兩 端 。另 外 , 考 慮 到 車 身 側(cè) 傾 角 一 般 較 小 , 故 假 定 A 、 D 兩點(diǎn) 相 對 于 B C 的 位 移 處 于 線 性 范 圍 內(nèi) 。對 于 非 獨(dú) 立 懸 架 , 橫 向 穩(wěn) 定 桿 側(cè) 傾 角 剛 度 處 的 等 效 側(cè) 傾 角 剛 度 。對 于 獨(dú) 立 懸 架 , 之 間 的 換 算 關(guān) 系 6 為 :b u! 2B /! , B 為 輪 距 。令 = b w( b 為 穩(wěn) 定 桿 端 部 位 移 ; w 為 輪 胎 處的 垂 向 位 移 ) , 則 上 式 簡 寫 為 :! 1 )式 ( 1 ) 也 適 用 于 非 獨(dú) 立 懸 架 。穩(wěn) 定 桿 中 間 段 B C 的 扭 轉(zhuǎn) 角 剛 度 2 G l ( 2 )式 中 , 截 面 的 極 慣 性 矩 , 3 2 ; G 為 橫 向穩(wěn) 定 桿 材 料 的 切 變 模 量 。穩(wěn) 定 桿 的 側(cè) 傾 角 剛 度 2 b ( 3 )因 為 假 設(shè) 穩(wěn) 定 桿 臂 為 剛 體 , 由 下 式 得到 :a s i n )2/ b ( 4 )聯(lián) 立 式 ( 2 ) 、 ( 3 ) 、 ( 4 ) 得 : G ( a s i n )2l( 5 )將 式 ( 5 ) 帶 入 式 ( 1 ) , 則 得 到 穩(wěn) 定 桿 在 車 輪 處 的等 效 側(cè) 傾 角 剛 度 G ( a s i n )2l( 6 )應(yīng) 當(dāng) 指 出 , 式 ( 6 ) 只 適 用 于 小 側(cè) 傾 角 , 且 在 分 析中 沒 有 考 慮 導(dǎo) 向 桿 系 中 鉸 接 點(diǎn) 處 彈 性 襯 套 的 影 響 。3 橫 向 穩(wěn) 定 桿 應(yīng) 力 的 估 算參 照 圖 2 畫 出 穩(wěn) 定 桿 彎 矩 圖 、 扭 矩 圖 , 可 知 危 險截 面 在 E 、 E 處 和 B 、 C 處 , 因 此 先 計(jì) 算 這 幾 處 的 應(yīng)力 。3 . 1 支 撐 點(diǎn) 截 面 危 險 點(diǎn) 的 相 當(dāng) 應(yīng) 力 計(jì) 算按 圖 2 所 示 受 力 情 況 對 穩(wěn) 定 桿 進(jìn) 行 應(yīng) 力 分 析 。B C 段 各 截 面 的 最 大 正 應(yīng) 力 m a 在 E 點(diǎn) 和 E 點(diǎn) 截 面 處 , 其 值 為 :m a x= c o s 3 2( 7 )各 截 面 的 最 大 剪 切 應(yīng) 力 m a m a x=s i n 1 6( 8 )根 據(jù) ( 7 ) 、 ( 8 ) 式 , 按 第 四 強(qiáng) 度 理 論 得 到 危 險 點(diǎn) 的相 當(dāng) 應(yīng) 力 為 :=h - a c o s )2+ 0 . 7 5 ( a s i n )2# 3 2( 9 )3 . 2 穩(wěn) 定 桿 臂 端 部 截 面 危 險 點(diǎn) 的 相 當(dāng) 應(yīng) 力 計(jì) 算很 顯 然 , 在 穩(wěn) 定 桿 端 部 B 、 C 處 垂 直 于 穩(wěn) 定 桿 臂( A B 、 D C ) 軸 線 的 截 面 也 為 危 險 截 面 。 考 慮 到 穩(wěn) 定 桿結(jié) 構(gòu) 和 受 力 的 對 稱 性 , 只 計(jì) 算 B 點(diǎn) 應(yīng) 力 , 按 第 四 強(qiáng)度 理 論 得 到 B 點(diǎn) 截 面 危 險 點(diǎn) 的 相 當(dāng) 應(yīng) 力 為 :=3 2( 1 0 )3 . 3 強(qiáng) 度 校 核 計(jì) 算取 和 中 的 較 大 者 作 為 最 終 校 核 的 相 當(dāng)應(yīng) 力 r 4, 則 由 ( 9 ) 、 ( 1 0 ) 式 得 :r 4=,1 - 0 . 7 5 s i c o s ! , 其%&(他( 1 1 )當(dāng) 大 載 荷 時 , 若 r 4不 大 于 穩(wěn) 定 桿 的 許用 應(yīng) 力 , 則 穩(wěn) 定 桿 符 合 強(qiáng) 度 要 求 。 而 在 實(shí) 際 中 ,一 邊 車 輪 上 跳 到 極 限 位 置 , 另 一 邊 車 輪 自 由 懸 空 , 此情 形 可 被 認(rèn) 為 是 懸 架 的 最 惡 劣 工 況 ( 不 應(yīng) 當(dāng) 是 一 邊車 輪 上 跳 到 極 限 , 另 一 邊 車 輪 下 跳 到 極 限 ) 。 現(xiàn) 以 左邊 輪 上 跳 到 極 限 、 右 邊 輪 懸 空 為 例 加 以 分 析 。 此 工 況相 當(dāng) 于 : 從 接 地 點(diǎn) 施 加 垂 直 向 上 的 力 , 使 兩 邊 車設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 研 究 2 0 2 0 0 7 年 第 2 期輪 都 上 跳 到 極 限 位 置 , 然 后 在 右 車 輪 接 地 點(diǎn) 處 作 用一 垂 直 向 下 、 大 小 為 的 力 , 同 時 給 左 側(cè) 輪 附 加一 垂 直 向 上 的 力 , 使 其 維 持 在 上 極 限 位 置 。圖 3 為 最 惡 劣 工 況 下 右 懸 架 受 力 情 況 。圖 3 最 惡 劣 工 況 下 右 懸 架 受 力 情 況參 照 圖 3 , 以 右 懸 架 為 研 究 對 象 分 析 此 過 程 的受 力 。 地 面 給 車 輪 垂 直 向 上 的 力 , 使 兩 邊 車 輪 都上 跳 到 極 限 位 置 , 此 時 穩(wěn) 定 桿 未 變 形 , 所 以 不 給 懸架 作 用 力 , 顯 然 有 := m g + a x( 1 2 )式 中 , m g 為 分 配 在 懸 架 上 的 簧 載 質(zhì) 量 和 非 簧 載 質(zhì) 量的 重 力 和 , 簧 等 效 在 車 輪 處 的 線 剛 度 ; m a 從 滿 載 位 置 上 跳 到 極 限 位 置 的 垂 直 位 移 量 。然 后 , 在 右 車 輪 接 地 點(diǎn) 處 作 用 一 垂 直 向 下 、 大小 為 的 力 。 在 作 用 下 , 右 側(cè) 車 輪 從 極 限 位置 垂 直 向 下 跳 動 w 的 位 移 量 ; 穩(wěn) 定 桿 右 端 相 對 左端 垂 直 向 下 跳 動 b 的 位 移 量 。 因 此 , 穩(wěn) 定 桿 兩 端 受到 方 向 相 反 、 大 小 相 等 的 垂 直 力 , 將 穩(wěn) 定 桿 右 端給 右 懸 架 的 力 等 效 到 車 輪 處 為 Fb w , 因 為 右 側(cè) 車 輪下 跳 了 b , 彈 簧 要 給 懸 架 一 作 用 力 , 此 力 在 垂 直 方向 的 分 力 等 效 到 車 輪 處 為 : 以 上 分 析 和 靜 力 平 衡 得 := Fb w + = m g + a x( 1 3 )考 慮 到 6 b w=wb=1( 1 4 )由 式 ( 2 ) 、 ( 4 ) 和 3 2 整 理 得 :b =( a s i n )2 1 6( 1 5 )由 式 ( 1 2 ) 、 ( 1 3 ) 、 ( 1 4 ) 聯(lián) 立 求 得 :Fb=m g + a a s i n )2 1 6( 1 6 )將 上 式 代 入 式 ( 9 ) 、 ( 1 0 ) , 再 由 式 ( 1 1 ) 得 到 懸 架在 最 惡 劣 工 況 下 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 強(qiáng) 度 條 件 :若1 - 0 . 7 5 s i c o s #, 則 有r 4=( m g + a x) ( ( h + a c o s )2+ 0 ( a s i n )2! +a s i n )2 G d ( 1 7 )若 0 . 7 5 s i c o s # $時 減 小 h , 都 可 以 減 小 r 4。在 不 改 變 d 、 ( a s i n ) 、 L ( 圖 2 ) 和 的 情 況 下 , 如果 ( - r 4) 的 余 量 不 大 , 取 9 0 有 利 于 減 小 r 4;如 果 ( - r 4) 的 余 量 較 大 , 9 0 比 較 合 適 , 因 為在 L 不 變 的 情 況 下 , 越 大 , l 越 小 , 越 能 提 高 而且 節(jié) 省 材 料 。 但 是 也 不 能 太 大 , 以 免 應(yīng) 力 過 大 , 不利 于 穩(wěn) 定 桿 安 裝 。5 結(jié) 束 語a . 增 大 橫 向 穩(wěn) 定 桿 直 徑 d 可 以 非 常 有 效 地 提高 穩(wěn) 定 桿 等 效 在 輪 心 處 的 側(cè) 傾 角 剛 度 但 同 時也 增 加 了 制 造 穩(wěn) 定 桿 的 材 料 。b . 減 小 穩(wěn) 定 桿 臂 端 點(diǎn) 到 穩(wěn) 定 桿 B C 段 的 垂 直 距離 ( a s i n ) 可 以 有 效 地 提 高 因 此 , 在 設(shè) 計(jì) 穩(wěn) 定桿 時 應(yīng) 該 盡 量 減 小 ( a s i n ) 的 值 。c . 調(diào) 整 穩(wěn) 定 桿 支 桿 與 懸 架 擺 臂 連 接 點(diǎn) 的 位 置以 增 大 ( = b / w ) , 可 以 使 穩(wěn) 定 桿 的 作 用 充 分 發(fā)揮 到 懸 架 上 , 從 而 有 效 提 高 懸 架 側(cè) 傾 角 剛 度 為了 提 高 , 應(yīng) 將 穩(wěn) 定 桿 支 桿 與 懸 架 擺 臂 的 連 接 點(diǎn) 設(shè)計(jì) 在 靠 近 輪 心 處 。d . 為 了 減 小 強(qiáng) 度 校 核 中 的 相 當(dāng) 應(yīng) 力 r 4, 橫 向穩(wěn) 定 桿 夾 角 應(yīng) 在 9 0 附 近 取 值 ; 避 免 將 穩(wěn) 定 桿 臂長 a 、 和 直 徑 d 設(shè) 計(jì) 在 最 不 利 的 m和 ,應(yīng) 盡 量 將 a 設(shè) 計(jì) 在 小 于 圍 內(nèi) , 將 和 d 設(shè) 計(jì)在 大 于 m和 圍 內(nèi) 。e . 夾 角 取 9 0 有 利 于 減 小 r 4。 如 果 穩(wěn) 定 桿強(qiáng) 度 足 以 滿 足 要 求 , 將 穩(wěn) 定 桿 設(shè) 計(jì) 成 9 0 的 結(jié) 構(gòu)比 較 合 適 , 且 越 大 越 好 , 這 種 結(jié) 構(gòu) 不 但 有 利 于 提高 還 可 以 減 輕 穩(wěn) 定 桿 質(zhì) 量 。參 考 文 獻(xiàn)1 W i n k l e r C B , K a r a m i h a s S M , B o g a r d S E . R o l l S t a b i