橫向穩定桿支架失效分析與改進

楊宇飛，袁 麗，吳雪峰，陳綺丹

橫向穩定桿支架失效分析與改進

楊宇飛，袁 麗，吳雪峰，陳綺丹

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重型商用車通過增加橫向穩定桿提升車輛抗側傾能力，而橫向穩定桿與車身的可靠連接能夠保證車輛在復雜工況下仍能穩定行駛。文章基于某型自卸車在重載急轉彎下坡的礦區工況下，穩定桿支架螺栓頻繁出現斷裂問題。通過對橫向穩定桿支架螺栓斷口進行失效分析，確定螺栓失效原因為穩定桿支架與穩定桿吊桿總成結合面處發生疲勞斷裂。其次，結合轉彎工況對車輛進行動力學分析，車輛發生側傾時，橫向穩定桿主要通過扭轉或彎曲產生抗側傾力，進一步分析出螺栓疲勞斷裂是由于剪切力和扭轉力綜合作用導致。最后，對穩定桿支架結構進行優化，道路驗證結果表明優化后的新結構疲勞壽命增加，可適用礦區等惡劣復雜工況。研究對重型商用車應對復雜工況，提升車輛穩定性具有一定的指導意義。

橫向穩定桿；穩定桿支架；斷口；動力學模型

重型商用車擁有較強的運輸能力，廣泛分布在各礦區以及公路運輸等復雜工況區域，為交通運輸行業起著重要的作用。但每年車輛側翻等交通事故造成的人員傷亡的慘劇歷歷在目[1]。因此，運輸行業對重型汽車的性能要求較高，需兼顧車輛安全性和舒適性。

為了改善車輛的側傾運動，重型商用車通過安裝橫向穩定桿裝置來減小側傾角，其原理為將橫向穩定桿作為一種由高強度彈簧鋼制成的扭桿彈簧，安裝于汽車前端或后端，通過向車身施加反側傾力矩實現抑制車身側傾的目的[2-3]。重型商用車在急轉彎、制動急轉彎以及無路基惡劣路面行駛工況下，穩定桿通過扭轉和彎曲產生反側傾力矩。與此同時，由于穩定桿裝置安裝方式的不同，穩定桿會對車橋或車身施加交變的附加扭轉力，導致穩定桿支架連接處容易發生斷裂等故障，嚴重影響行車安全。因此，車輛對穩定桿端與車橋或車身連接處的結構可靠性要求較高。本文以某型重型自卸車橫向穩定桿為研究對象，對穩定桿支架總成進行優化改進。

1 問題描述

2020年至2021年國內市場某自卸車前橫向穩定桿支架故障頻繁，經大數據統計分析，穩定桿支架主要失效模式為穩定桿支架螺栓斷裂和滑扣，占比達62.1%。圖1(a)為穩定支架螺栓斷裂照片，圖1(b)為螺栓滑扣松動后導致穩定支架螺紋孔變形照片。故障區域主要集中在貴州、四川等地區。

貴州區域地貌可概括分為高原、山地、丘陵和盆地四種基本類型，其中92.5%的面積為山地和丘陵[4]。經對貴州區域車輛運行工況進行實地調研，車輛運輸貨物以渣土和各類礦石為主，車輛行駛工況惡劣。如圖2所示礦區典型工況，礦區內車輛行駛工況為凹凸不平，無路基的多彎山路，實際坡度大于10度，重載長下坡，制動急轉彎。車輛在急轉彎制動和凹凸路面情況下，車輛側傾頻繁，橫向穩定桿裝置長期處于彎曲和扭轉狀態，縮短了穩定桿支架的壽命，同時加大了車輛側翻的風險。

圖2 礦區行駛工況

2 理化檢驗分析

2.1 宏觀形貌

通過對穩定桿支架螺栓斷裂外觀以及斷口進行失效分析。圖3(a)為螺栓斷裂外觀，螺栓斷裂位置處于螺紋段，距光桿處約20螺紋齒處，對比穩定桿支架的安裝尺寸發現，此正好位于穩定桿支架與穩定桿吊桿總成結合面附近。同時，斷裂螺栓未見有明顯的彎曲變形，斷裂處無頸縮現象，光桿與螺紋段結合部位有明顯的磨痕，磨痕處光滑，鍍鋅層被磨掉，但未出現明顯的凹槽形貌，說明螺栓在車輛行駛過程中有松動的現象，但在螺栓軸向承受較小的拉伸力。圖3(b)為螺栓斷口宏觀形貌，可以看出斷口包括裂紋源區、裂紋擴展區、瞬斷區。裂紋源區位于在a、c區域螺栓外側表面，兩側疲勞源大致對稱分布，且c區域外側裂紋源區表面凹凸不平，呈現扭轉、擠壓和剪切的塑性撕裂特征。裂紋擴展區占a、c區域80%，呈現細密平行的貝殼狀條紋，具有疲勞輝紋的特征。b區域為瞬斷區，該區域為齊平且粗糙，箭頭所指條帶狀深色區域即為最后斷裂區域。縱觀斷口基本平齊，呈現典型的雙向疲勞斷口特征，裂紋擴展區疲勞輝紋細密，瞬斷區占比較小，說明在行駛過程中，螺栓承受大致與軸向垂直的交變應力，導致螺栓疲勞斷裂。

圖3 螺栓失效外觀

2.2 硬度檢查

在斷裂螺栓斷裂處截面上進行硬度檢查，硬度平均為325HV10。穩定桿支架為材料為40Cr，調質處理后基體硬度平均為30.2HRC，螺紋和穩定桿支架均滿足技術要求。

2.3 金相組織以及化學成分分析

光學金相顯微鏡下放大500倍對斷裂螺栓進行金相組織分析，圖4為斷裂螺栓基體組織為中等粗細的回火索氏體+微量滲碳體，斷裂螺栓表面未見脫碳等缺陷。

圖4 斷裂螺栓基體組織

通過光譜儀對螺栓以及穩定桿支架化學成分進行分析，表1為斷裂螺栓的化學成分，結果滿足10.9級各元素含量要求。表2為穩定桿支架的化學成分，實測值均滿足40Cr材料各元素含量要求。

表1 螺栓的化學成分（質量分數）

表2 穩定桿支架的化學成分（質量分數）

綜上分析，穩定桿支架以及螺栓材料和性能均合格，由此可以得出穩定桿支架螺栓斷裂與材料本身無關，而是由外部因素導致的疲勞斷裂。

3 車輛側傾動力學分析

為了便于車輛側傾動力學分析，需對懸架系統進行簡化。由于簧下質量較小，忽略簧下質量，假設車輛質量為簧載質量，將簧載質量繞車輛縱向軸線位置側傾，圖5為柔性懸架簡化動力學模型后視圖。

模型在剛性懸架模型基礎上考慮實際懸架系統中彈性元件的影響，將懸架和輪胎視作柔性約束。假設車輛處于左轉彎，車輛受地面激勵產生側向力，側傾時承受的力矩包括：作用于車輛質心處離心力產生的側傾力矩1、橫向載荷轉移導致內外側車輪垂向載荷變化的懸掛力矩2以及重心偏離中心線產生的橫向位移力矩3。各力矩滿足以下條件[5]：

（1）側傾力矩1：車輛左轉彎時，簧載質量受離心力的作用，引起車輛內外側發生側傾趨勢。當車輛輪胎離地時可認為車輛達到側翻極限，此時車輛失穩的力矩滿足式（1）：

式中，cen為車輛離心力；s為車輛質心高度。其中，cen=ma；s為車身質量，a側向加速度。

（2）懸掛力矩2：車輛側傾時，橫向載荷會發生轉移，導致車輛內外側垂向載荷改變，懸掛力矩滿足式（2）：

2Δz（2）

式中，Δz為兩側車輪的垂直載荷差；為左右側車輪輪距。

（3）橫向位移力矩3：考慮車輛為柔性約束，側傾時，簧載質量質心會發生橫向位移，橫向位移力矩滿足式（3）：

3s≈ss（3）

在側翻極限范圍內，側傾力矩、懸掛力矩以及橫向位移力矩共同作用下處于穩態平衡狀態，車輛保持正常行駛，車輛滿足式（4）：

sΔzss（4）

圖5 車輛簡化模型

在實際急轉彎工況下，車輛未發生側翻，車輛正常行駛，側向加速度在一定極限值范圍內時，上述三種力矩滿足式（4）。此時，懸架內側被拉伸，外側被壓縮從而產生相應的抗側傾力矩。隨著側向加速度繼續增大，當側傾力矩超過車輛能提供的凈抗側傾力矩時，車輛就開始側傾失穩。側傾角剛度較大的懸架能夠增大抗側傾力矩，提高了車輛的穩定性。可以通過增加橫向穩定桿來提高側傾角剛度來達到抗側傾能力。圖6(a)和圖6 (b)為前橫向穩定桿固定方式，該車型前穩定桿安裝方式采用末端固定式，即前穩定桿中間連接車橋、末端通過吊桿和穩定桿支架與連接車架縱梁，吊桿與垂直方向呈3°左右的夾角。

圖6 前穩定桿固定方式

結合車輛行駛礦區工況調研情況，行駛路面凹凸不平，多彎，重載下坡，車輛處于大轉向和因路面激勵不同出現單邊橋行駛等復雜工況。側向加速度頻繁急速變化，兩側車輪垂直載荷不一致，懸掛力矩持續變化，表征為車身載荷轉移頻繁，懸架反復被拉伸或壓縮。此時，橫向穩定桿主要通過扭轉或彎曲產生抗側傾力，穩定桿裝置與車架視作剛性連接，且吊桿與垂向存在較小的角度，在穩定桿支架與穩定桿吊桿結合面附近，螺栓承受剪切力和扭轉力。根據Miner疲勞損傷累計理論[6]指出材料在各個應力下的疲勞損傷是獨立進行的，且總損傷是線性疊加，當損傷疊加至某一邊界值時將會產生破壞。因此，螺栓疲勞萌生階段受循環交變的剪切力，螺栓表面產生裂紋。進一步裂紋擴展階段在橫向的扭轉力的作用下加速了螺栓的疲勞裂紋擴展直至瞬斷。

4 改進方案

根據上述分析，在不改變現有橫向穩定桿結構以及特性的情況下，對穩定桿支架結構進行優化改進，螺栓直徑由16 mm改為24 mm，穩定桿支架材料選取42CrMo，力學性能符合GB/T 3077—2015要求，抗拉強度以及下屈服強度優于40Cr。圖7(a)圖7 (b)分別為穩定桿支架、吊桿優化前后結構及安裝示意圖，從圖中可以看出，相比較優化前，優化后的穩定桿支架c表面與吊桿總成圓周表面接觸，吊桿內部襯套可以緩沖部分沖擊力，對結構起一定保護作用，通過螺栓進行緊固。在重載下坡的急轉彎路況下，穩定桿通過扭轉和變形產生抗側傾力矩，剪切力和扭轉力施加于穩定桿支架c圓周表面，避免螺栓再次發生相同的疲勞斷裂現象。

圖7 結構及安裝示意圖

圖8 道路試驗行駛里程

圖8為20輛整車礦區試驗結果，在前文所述工況下，車速為20 km/h。20輛車均未出現故障，其中14#、18#和19#車輛由于行駛距離較短進行剔除。較優化前結構實車平均行駛7 000 km左右即出現斷裂失效故障，而優化后的結構平均行駛14 530 km后仍然未出現螺栓開裂以及穩定桿支架變形的情況。因此，優化后首次平均故障里程遠大于優化前，穩定桿支架總成壽命增加。

5 結論

貴州、四川等區域，重型商用車行駛工況多為無鋪裝路面，重載急轉彎下坡車輛側翻的風險增大。在車輛安裝穩定桿能夠增強車身的抗側傾能力，保證車輛在顛簸路面或制動急轉彎下車輛的穩定性，減少安全事故的發生。車輛前穩定桿支架中間與車前連接，末端通過穩定桿吊桿總成以及穩定桿支架固定在車架上。通過綜合分析，在特殊工況下，穩定桿吊桿總成與穩定桿支架安裝結合面處為螺栓斷裂風險點。因此，通過重新設計優化穩定桿支架結構，改變穩定桿固定方式。道路試驗結果表明，在相同行駛工況下，車輛穩定桿支架螺栓未見失效，首次故障平均里程遠大于優化前。可見本文改進方案能夠有效地減少穩定桿支架螺栓的故障，更好地適應市場急轉彎、顛簸等惡劣行駛工況，保證車輛的安全運行。

[1] 張瑞棟.基于主動橫向穩定桿的重型商用車防側傾控制研究[D].重慶:重慶交通大學,2018.

[2] KROIGFIRD T,SCHRODER H,QVORTRUP C,et a1.Design Analysis and Optimization of Anti-roll Bar [J].International Journal of Engineering Research and Applications,2014,4(9):137-140.

[3] 余志生.汽車理論[M].3版.北京:機械工業出版社, 2005.

[4] 貴州省人民政府.自然地理[EB/OL].(2021-09-14) [2022-03-22].https://www.guizhou.gov.cn/dcgz/gzgk/ dl/202109/t20210914_70397096.html.

[5] 陳志韜.汽車主動橫向穩定桿設計及控制策略研究[D].長春:吉林大學,2016.

[6] 趙少汴.常用累積損傷理論疲勞壽命估算精度的試驗研究[J].機械強度,2000,22(3):206-209.

Failure Analysis and Improvement of Anti-roll Bar Bracket

YANG Yufei, YUAN Li, WU Xuefeng, CHEN Qidan

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

Heavy commercial vehicles increase the vehicle's anti-roll ability by adding lateral anti-roll bar, and the reliable connection of the lateral anti-roll bar to the body can ensure that the vehicle can still drive stably under complex conditions.The article is based on the frequent fracture of the anti-roll bar bracket bolts of a certain type of dump truck under the driving conditions of the mine area with heavy load sharp turns and downhills.Through the failure analysis of the bolt fracture of the lateral anti-roll bar bracket, it was determined that the cause of the bolt failure was fatigue fracture at the junction surface between the anti-roll bar bracket and the anti-roll bar suspender assembly. Secondly, combined with the dynamic analysis of the vehicle in combination with the turning conditions, when the vehicle rolls, the lateral anti-roll mainly produces anti-roll force through torsion or bending, and further analysis shows that the fatigue fracture of the bolt is caused by the combined effect of shear force and torsional force. Finally, the anti-roll bar bracket structure is optimized, and the road verification results show that the fatigue life of the new structure is increased, which can be applied to harsh and complex driving conditions such as mining areas. The research has certain guiding significance for heavy commercial vehicles to cope with complex driving conditions and improve vehicle stability.

Anti-roll bar;Anti-roll bar bracket;Fracture;Dynamic model

U462.3；U463

A

1671-7988(2023)03-107-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.020

楊宇飛（1994—），男，碩士，助理工程師，研究方向為汽車質量技術，E-mail:10205670@sxqc.com。