乘用車用千斤頂最高高度影響因素及計算方法

路國營，王琪，曹志韜，丁立杰

引言

當前乘用車用千斤頂主要分為三種：剪式千斤頂、液壓式千斤頂和螺旋式千斤頂，其中剪式千斤頂[1]可以分為菱形（圖1a）和人字形（圖1b），并具有重量輕，攜帶方便，加工工藝簡單，成本低等特點，是在乘用車上使用最為廣泛的千斤頂。液壓千斤頂[2]（圖1c）具有能夠自行潤滑，磨損小，使用壽命長，操作簡單，自動化程度高，承載能力強等特點。主要應用于自重較重的車輛。螺旋千斤頂[3]（圖1d）結構緊湊，體積小，攜帶方便，但傳動效率較低，返程慢，主要應用于一些大型SUV或皮卡車型。

千斤頂選型時，對千斤頂性能的要求主要有三個：額定載荷、最低高度、最高高度。額定載荷可依據車輛的整車整備質量和輪荷進行確定。千斤頂最低高度（如圖2中H0所示）是指千斤頂在完全收起狀態下的高度，最低高度應小于整車上各千斤頂支撐點到地面的距離，且應該滿足布置空間要求。千斤頂最高高度（如圖2中H1所示）即千斤頂在完全支起狀態下千斤頂的高度，該值決定了車輛能否被支撐離地，是千斤頂選型中的關鍵因素。

本文第一部分主要分析了減振器、橫向穩定桿和車身高度對千斤頂最高高度的影響，第二部分通過試驗進驗證了第一部分分析的正確性，第三部分介紹了一種千斤頂最高高度的計算方法。

1、千斤頂最高高度影響因素

千斤頂支撐車輛時，車輪遠離車身，該運動過程與車輪下跳類似。減振器、橫向穩定桿以及不同的車身高度均對該運動過程有影響。

1.1 減振器對千斤頂最高高度的影響

現代汽車懸架有各種不同的結構形式，但一般都由彈簧，減振器，導向機構（控制臂），緩沖塊和橫向穩定桿組成[4]。減振器（如圖3所示）是汽車懸架系統的主要阻尼元件，用來抑制彈簧吸震后反彈時的震蕩以及來自路面的沖擊[5]。在經過不平路面時，雖然吸震彈簧可以過濾路面的震動，但彈簧自身還會有往復運動，而減振器就是用來抑制這種彈簧跳躍。減振器太軟，車身就會上下跳躍，減振器太硬就會帶來太大的阻力，妨礙彈簧正常工作。在汽車設計時，為保證彈簧不被拉壞，減振器的行程通常要小于彈簧的變化行程。

當車輪上跳時，車輪相對車身接近，活塞從工作位置向下止點移動，當車輪達到上跳極限時，減振器活塞達到下止點位置，阻止車輪繼續上跳，車輪與車身距離不能繼續減小。當車輪下跳時，車輪相對車身移開，活塞從工作位置向上止點移動，當車輪達到下跳極限時，減振器活塞達到上止點位置，阻止車輪繼續下移，車輪與車身相對關系保持不變。千斤頂支撐車身上升時，減振器活塞隨車身上升，車輪遠離車身，當活塞運動到上止點時，減振器將車輪拉離地面。

千斤頂支撐車輛時，若車輪被減振器拉離地面，可依據減振器的運動行程計算千斤頂的最高高度。

1.2 橫向穩定桿對千斤頂最高高度的影響

橫向穩定桿，是汽車懸架中的一種輔助彈性元件，增加了懸架的側傾角剛度，主要的作用是防止車身在轉彎時發生過大的橫向側傾，改善車輛的行駛平順性[6]。當車身只作垂直運動時，兩側懸架變形相同，橫向穩定桿不起作用。當車身側傾時，兩側懸架跳動不一致，橫向穩定桿發生扭轉，桿身的彈力成為繼續側傾的阻力，起到橫向穩定的作用。如果橫向穩定桿剛度太小，在側向力作用下會使汽車側傾，嚴重影響舒適性，剛度太大又會在一側車輪受到激勵時對車廂的沖擊太大，影響平順性。橫向穩定桿在懸架系統中所起到的作用越來越明顯，現代車輛，尤其是某些高端轎車，往往為了獲得更好的舒適性，提高橫向穩定桿的剛度。

如圖4所示的橫向穩定桿簡圖[7-8]，忽略橫向穩定桿彎曲處過渡圓角和橡膠襯套彈性變形的影響，假設橫向穩定桿均在彈性變化范圍內。橫向穩定桿中間長度為 l，兩端縱向部分長度為 a，中間部分與縱向部分的夾角為θ，橫桿端點到支撐點的間距為h，作用在A，D兩點沿Z向的分力為F，B，C兩端截面的轉角φ為：

式(1)中G為材料剪切彈性模量，Ip為橫向穩定桿極慣性矩Ip=πd4/32，其中d為橫向穩定桿直徑。

采用變形疊加法，計算得到A，D兩點沿Z向的絕對位移量zΔ為：

式(2)中E為材料剪切彈性模量，I為橫向穩定桿慣性矩I=πd3/32；

在千斤頂支撐車輛時，車輪相對于車身遠離，從式(2)可得橫向穩定桿Z向位移量ZΔ逐漸增大，力F逐漸增大，從式(1)可得，橫向穩定桿轉角φ逐漸增大。當車輪被支離地面時，力F達到最大值，此處等效為車輪的自重。這時橫向穩定桿轉角φ達到最大值，橫向穩定桿不再變形，車輪與車身的間隙不再變化。千斤頂繼續支撐車身，橫向穩定桿將車輪拉離地面。

通過式(1)和式(2)可以看出，當橫向穩定桿有大的彎扭剛度時，就可以在較小的橫向穩定桿變形的情況下平衡車輪的重力，將車輪拉離地面。

此次大會內容涵蓋智能物流、云計算、大數據、機器智能、物聯網(IoT)、區塊鏈等一系列前沿科技領域。云南電網“云電智云”平臺作為推進電網企業大數據應用研究的前沿科技，在大會亮相。

1.3 車身高度對千斤頂最高高度的影響

對于乘用車，千斤頂支撐車輛更換車輪時，一般支撐在車身縱梁或門檻梁上（如圖5所示）。在新車型設計時，螺旋彈簧車型通常會有空載、設計載荷、滿載三種車身高度，空氣彈簧車型通常會有最低、標準、最高三種車身高度。應該選擇哪種車身高度作為千斤頂設計的依據？不同的車身高度對千斤頂最高高度又有怎樣的影響？

對于兩種不同的車身高度，千斤頂支起后的狀態如圖 6所示。實線代表車身初始狀態，虛線代表被千斤頂支撐后的車身狀態。車輛被頂起后，車身傾斜，假設均為減振器起作用將車輪拉離地面，這時輪心處對應的車身重合。可以看出低車身的傾斜程度要比高車身傾斜程度大，低車身千斤頂支撐點位置要比高車身支撐點位置低，即低車身對應的千斤頂最高高度低于高車身對應的千斤頂最高高度。由此可知：對于同一車輛，采用不同的車身高度確定的千斤頂最高高度不同，車身高度與千斤頂最高高度成正比。

2、千斤頂頂起試驗

通過第一部分的分析可以看出，千斤頂最高高度受減振器、橫向穩定桿、車身高度的影響，當橫向穩定桿扭轉剛度不足時，橫向穩定桿會產生較大的變形，減振器活塞達到上止點將車輪拉離地面。當橫向穩定桿有較強的扭轉剛度時，減振器活塞未達到上止點，橫向穩定桿通過較小的變形平衡車輪重力，將車輪拉離地面。并且通過1.3部分的分析可知，當千斤頂支撐車輛時，不同的車身高度對應的車身變形不同，對應的千斤頂最高高度不同。

為了驗證上述分析的正確性，可通過試驗進行驗證。對于螺旋彈簧車型，通過調節整車加載量，獲得不同的車身高度。對于空氣彈簧車型，通過空氣懸架調節開關調節車身高度。在此為了試驗方便，選定某含有空氣懸架的車型進行試驗，驗證減振器，橫向穩定桿，不同車身高度對千斤頂最高高度的影響。

試驗流程：該車型具有空氣彈簧，車身高度分為最低，標準，最高三種狀態。保持車輛停放在水平地面上，分別測量三種車身高度下，初始狀態右后側千斤頂支撐點到地面的距離。當千斤頂將車輛支撐到車輪恰好離地時，在同一位置，測量支起狀態千斤頂支撐點到地面的距離（如圖7所示）以及減振器長度。測量結果如表1所示：

在千斤頂支起狀態下，表1中三種車身高度對應的減振器長度各不相同，至少可以證明車身高度最低和標準兩種狀態下，減振器未達到下跳極限，車輪不是被減振器拉離地面。為了驗證在車身高度最低和標準兩種狀態下，車輪是否被橫向穩定桿拉離地面？在車身高度最高狀態下，車輪是否被減振器拉離地面？拆除橫梁穩定桿后重復上述試驗，記錄千斤頂將車輛支撐到車輪恰好離地時，千斤頂支撐點到地面的距離和減振器長度，試驗結果如表2所示：

表2 拆解橫向穩定桿后試驗結果

通過表2中的數據可知，在最低、標準兩種車身高度下，拆除橫向穩定桿后，減振器長度分別由 560mm，575mm變成了590mm。此結果證明：在未拆除橫向穩定桿時，在最低和標準車身高度下，橫向穩定桿起作用將車輪拉離地面，在最高車身高度下，減振器將車輪拉離地面；拆除橫向穩定桿后，三種車身高度情況下，車輪均由減振器拉離地面。另外，通過表2中結果可以看出：對應不同的車身高度，千斤頂最高高度分別為460mm，470mm，480mm。該結果證明：對于同一車輛，不同的車身高度對應的千斤頂最高高度不同，車身高度越高，所需的千斤頂最高高度越高。

上述試驗結果與第一部分的分析完全吻合，證明了第一部分中減振器、橫向穩定桿、車身高度對千斤頂最高高度影響。

3、千斤頂最高高度計算方法

千斤頂選型時，千斤頂最高高度與千斤頂的重量和成本成正比，所以設定合理的千斤頂高度可以控制千斤頂的重量和成本，避免設計過剩。

在千斤頂最高高度設定時，往往依照經驗公式：千斤頂最高高度≥支撐點到地面距離+減振器下跳量+輪胎變形量+離地高度。該公式僅考慮到減振器對千斤頂最高高度的影響，但通過第一部分和第二部分的分析，可以看出千斤頂最高高度還有可能受到橫向穩定桿和車身高度的影響，可能在減振器起作用之前，橫向穩定桿已經將車輪拉地面，所以通過上述公式設定千斤頂最高高度有可能過于保守。采用ADMAS虛擬樣機分析軟件模擬千斤頂支撐車輛過程，可以綜合考慮各因素對千斤頂最高高度的影響，合理確定千斤頂最高高度。具體計算分析流程如下：

以標準車身高度為例：

（1）在ADAMS/Car模塊中建立整車仿真模型（如圖8所示），并設定相應的硬點及參數；

（2）切換至ADAMS/View模塊中設定千斤頂支撐點硬點，建立新部件模擬千斤頂。因千斤頂頂端與車身地板發生角度變化，千斤頂與車身間建立球鉸約束。千斤頂上下運動，建立千斤頂與地面的圓柱副約束；

（3）通過施加千斤頂驅動，模擬千斤頂支撐車輛過程。輸出車輪與地面接地力、減振器內部接力、千斤頂運動位移。

以千斤頂支撐右后側車輪為例，試驗結果如圖9所示：右后側車輪與地面的接地力為圖9中RR_tire_forces所示，當RR_tire_forces為0時，表明車輪離地。rebound_force_rear為減振器內部接觸力，當rebound_force_rear為0時，表示減振器未達到下跳極限，當rebound_force_rear不為0時表示減振器達到下跳極限，這時減振器起作用將車輪拉離地面。在時間為 5.5s時，RR_tire_forces為 0，表示車輪離地，這時rebound_force_rear為0，證明減振器未達到下跳極限，由橫向穩定桿將車輪拉離地面。通過模擬分析，這時千斤頂最高高度為 451mm，支撐點到地面的距離為 296mm，千斤頂變化行程為155mm，與試驗結果基本一致。

依照上述方法可以模擬其它車身高度下，千斤頂支撐車輛過程，計算不同車身高度下的千斤頂最高高度，從而設定合理的千斤頂最高高度。

4、結論

通過第一部分及第二部分的分析，可以看出千斤頂最高高度受減振器、橫向穩定桿、車身高度的影響。通過傳統經驗公式計算的千斤頂最高高度往往過于保守，可能會造成千斤頂設計過剩。第三部分采用虛擬樣機模擬計算千斤頂最高高度的方法，綜合考慮了三種因素對千斤頂最高高度的影響，可以有效確定千斤頂最高高度。

本文分析了千斤頂最高高度的影響因素，并給出了一種千斤頂最高高度的計算方法，可以為后續千斤頂選型及設計提供依據。

[1] 陳燕, 歐陽加強.千斤頂技術的研究現狀與[J].現代機械,2002,(4):58-59.

[2] 呂晶霞, 畢保平, 張德山. 液壓千斤頂缸筒壁厚的計算及設計研究[J]. 液壓氣動與密封, 2013,(6): 20-22.

[3] 陸海濤.基于優化設計的螺旋千斤頂三維零件庫的建立[J],起重運輸機械,2007, (6):32-34.

[4] 陳家瑞等.汽車構造[M].北京:機械工業出版社,2005: 199-205.

[5] 黃恒, 程廣偉, 鄧楚南.車用減振器的外特性建模與仿真[J]. 汽車技術, 2005(11): 4-7.

[6] 廖芳, 王承.橫向穩定桿建模方法研究[J].汽車技術, 2006 , (7):5-8.

[7] 劉一夫, 朱茂桃等.橫向穩定桿對整車側傾及縱傾特性的影響[J].機械設計, 2013, (2): 92-96.

[8] 丁能根 張宏兵等.橫向穩定桿性能計算及其影響因素分析[J].汽車技術, 2007 ,(2): 19-22.