某輕型卡車駕駛室穩定性設計優化

程光寶

（安徽江淮汽集團股份有限公司國際公司，安徽 合肥 230041）

前言

卡車的駕駛室根據結構型式可分為單排、排半和雙排，排半和雙排即在駕駛室后方進行加長，具有儲物和休息的空間，而單排則沒有。卡車的駕駛室相比整車重量，占比較大，尤其是輕型卡車，會更大，如果是雙排駕駛室比重則進一步增加。卡車的駕駛室基本都是非承載式的，獨立的結構，然后同底盤進行非剛性的連接，駕駛室重心相對于整車位置較高，正是因為卡車駕駛室這種獨立結構，其穩定性難以保證，在遇到較大風力、路面狀況差、轉彎等情況時，駕駛室往往左右搖擺不定，也就是我們常說的“發飄”現象，駕駛員會產生不安全感和緊張心理。

1 問題闡述

本文論述的車輛是一輛總質量為 3.5T的 N1類輕型卡車，軸距為 2490mm，駕駛室為雙排駕駛室，前后軸兩側分別安裝一個車輪，稱之為后單胎輕卡，駕駛室同車架的連接是通過四個橡膠軟墊安裝，駕駛室下方則是支撐底盤前部和駕駛室重量的前懸架系統。在對樣車檢查時發現，駕駛室左右高度不一致，相差有20mm左右，有的左邊高，而有的則右邊高，在樣車的路試過程中，駕駛室則均向駕駛員一側傾斜，在路面不平，車速較快或轉彎時，駕駛室搖擺不定，幅度較大，出現了前面所述的“發飄”現象，樣車無法滿足質量標準要求。

2 問題分析

上述問題歸納起來，可分為三個方面：

①駕駛室左右不確定的歪斜；

②行駛時駕駛室向駕駛室側歪斜；

③在路面較差，風力較大或轉彎時，駕駛室出現搖擺不定的“發飄”現象。

所述車輛駕駛室的穩定性，在卡車當中是屬于較難保證的一種，該卡車駕駛室為雙排，重量達到495Kg，駕駛室的重心高度為1490mm（離地高度），車輛在路面不平或裝配等原因時，駕駛室重心很容易偏離中心位置，兩邊彈簧的平衡被打破，駕駛室向一邊傾斜，左右兩邊機率相等的，傾斜程度取決于板簧撓度的大小。該卡車駕駛室重量很重，支撐駕駛室的懸架為鋼板彈簧結構，設計剛度為 C=110N/m，對其中一輛樣車進行實測，駕駛室傾斜角度為1.5°，駕駛室重心轉移，駕駛室左右質量分配為350Kg和145Kg，駕駛室左右高度差為22mm，超出了設計的要求。同樣，當車輛行駛時，由于駕駛員自身重量增加，重心則偏向駕駛員一方，整個駕駛室達到一個新的平衡，駕駛室左右高度差會進一步加大。車輛在不平路面，有風或轉彎時，由于駕駛室較重，重心高，駕駛室的迎風面積大，彈簧新的平衡不斷被打破，發生左右不定的搖擺現象，而駕駛室的側傾剛度由板簧的剛度所決定的，樣車板簧剛度不足，因而搖動幅度超出了人體的承受范圍，從而產生不安全和緊張感。

圖1 整車結構示意圖

圖2 駕駛室重心偏移，駕駛室歪斜

圖3 駕駛室向駕駛員側歪斜

3 設計方案

以上所述的問題本身是存在和無法徹底消除的 ，只是因為懸架參數與載重的匹配不當，造成駕駛室變形過大所引起。針對上述問題，進行了分步解決，首先，為了解決車輛正常行駛時駕駛室傾斜的問題，對懸架結構進行了更改，使用“反變形”法來消除由于駕駛員自身重量而造成駕駛室的高度差，具體方法是將懸架系統左右板簧弧高給定一個高度差，使駕駛員側的板簧弧高大于另一側，利用駕駛員自身的重量，使駕駛室建立新的平衡，糾正駕駛室的傾斜問題。

另外，卡車在路面較差等情況下，駕駛室由于側傾剛度不足發生的左右擺動，而駕駛室的側傾剛度由其自身特性和懸架剛度決定的，根據鋼板彈簧的變形量與其剛度、載重關系：

其中：fc為板簧撓度，m為簧載質量，c為板簧剛度

駕駛室的自身特性（質量、重心等）的更改相對困難，優化方案中考慮對懸架的剛度進行調整。樣車彈簧是設計剛度為定值的鋼板彈簧，剛度為 C=110N/m，剛度偏低，因此對懸架的板簧剛度進行了增加，使駕駛室的側傾剛度相應增加，減小了駕駛室的傾斜幅度。但是，板簧剛度的增加往往以降低駕駛的舒適度為代價的，本車輛在適度增加懸架的剛度的同時，對板簧特性進行了重新選型，將定剛度板簧改成變剛度彈簧，該彈簧在低負荷，低撓度下的剛度為130N/m，而在負荷或動撓度達到一定值時，剛度能達到 150N/m。如右下圖為變剛度彈簧的特性曲線，0→1點為低負荷或相對平整路面的板簧剛度，1→2為中負荷或一般路況時的剛度曲線，2→為當滿載或路況較差時，板簧的剛度達到最大值。由于變剛度彈簧特有的特性，當駕駛室晃動幅度增大時，板簧剛度進一步增加，駕駛室側傾剛度相應增加，從而限制了駕駛室的晃動，有效的消除了駕駛時的“發飄”現象。

圖4 定剛度彈簧的線性特性

圖5 變剛度彈簧的非線性特性

以上方案基本保證了車輛正常行駛時的穩定性，但在車輛以較快速度轉彎情況下，駕駛室的橫向穩定性仍較差，為了進一步提升駕駛室在轉彎時的橫向穩定性，在前懸架系統中增加橫向穩定桿，橫向穩定桿可以提高車輛轉彎時的側傾剛度。當懸架中增架橫向穩定桿時，駕駛室在轉彎時的側傾剛度為板簧剛度與穩定桿剛度之和：

其中：cb為駕駛室側傾剛度，k1，k2為系數，cs為板簧剛度，cp為穩定桿剛度。

方案中在前懸架增加了直徑為18mm的橫向穩定桿，車輛轉彎時的駕駛室的側傾角度得到了減小，橫向穩定性得到了進一步的提升。

在按照上述設計方案對樣車進行整改后，重新檢查與測試發現，效果良好，該輕卡的駕駛室歪斜問題和行駛的穩定性得到了明顯的改善和提高，達到了預期的目的。

4 總結

本文通過對樣車的問題分析，找出導致問題的原因，從而給出解決問題的具體方法和措施，成本較低，但可靠性較高。隨著卡車的發展，流線型和輕量化駕駛室也在不斷研究開發和應用，但對于比較注重成本的輕型卡車來說，本文所述優化方案不失為一種行之有效的方法，在卡車設計中具有一定的學習和借鑒意義。

[1] 王望予.汽車設計[M].機械工業出版社.2002年.

[2] 林程.汽車車身結構與設計[M].機械工業出版社.2016年.

[3] 王宵鋒.汽車懸架和轉向系統設計[M].清華大學出版社.2015年.