駕駛室懸置穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：駕駛室懸置；穩(wěn)定桿；耐久性

0引言

隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，人們對汽車的安全性、舒適性要求變得越來越嚴(yán)格。為了提升重卡車輛的駕乘舒適性，目前駕駛室普遍采用了四點(diǎn)懸浮的懸置結(jié)構(gòu)。其中，駕駛室前懸的穩(wěn)定桿總成作為這一結(jié)構(gòu)的核心部件，不僅需要承受來自底盤的動態(tài)載荷，還需在駕駛室翻轉(zhuǎn)過程中承受相應(yīng)的載荷，以確保翻轉(zhuǎn)的姿態(tài)和安全性。由于重型牽引車的工作條件十分惡劣，且行駛工況復(fù)雜多樣，因此在產(chǎn)品開發(fā)過程中，我們采用了多種驗(yàn)證方法，包括搭載整車進(jìn)行道路可靠性試驗(yàn)、基于路譜的駕駛室總成六自由度臺架試驗(yàn)，以及穩(wěn)定桿總成的耐久性試驗(yàn)。

1問題描述

在某車型用戶試用期間．駕駛員反饋車輛出現(xiàn)了明顯的左右高低差異現(xiàn)象。經(jīng)過實(shí)地測量，發(fā)現(xiàn)駕駛室左右對稱部位的離地高度差達(dá)到了約40mm，這一數(shù)值超出了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。特別值得注意的是，駕駛室前懸置的限位高度存在顯著差異，其中右側(cè)比左側(cè)高出20mm。基于這些觀察，我們初步判斷穩(wěn)定桿總成可能出現(xiàn)了變形。在現(xiàn)場更換了前懸穩(wěn)定桿總成后，問題得到了解決。將拆下的舊件放置在水平地面上進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定桿總成有明顯變形，左右兩端的高度差達(dá)到了21mm，這表明穩(wěn)定桿總成已經(jīng)發(fā)生了永久性變形，失去了其應(yīng)有的功能（故障照片如圖1所示）。

穩(wěn)定桿總成的變形會導(dǎo)致駕駛室左右高度差異進(jìn)一步加劇。在嚴(yán)重的情況下，還可能會導(dǎo)致駕駛室的外觀部件與底盤部件發(fā)生干涉，甚至可能影響車輛的安全駕駛。另外，考慮到穩(wěn)定桿總成的價(jià)格較高且更換過程復(fù)雜，我們需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的分析，并提出有效的改進(jìn)和優(yōu)化方案。

2原因分析

2.1懸置及穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)

駕駛室前懸穩(wěn)定桿，根據(jù)其懸置的結(jié)構(gòu)類型，主要可以分為2種形式：固定式穩(wěn)定桿和浮動式穩(wěn)定桿。采用浮動式穩(wěn)定桿的懸置系統(tǒng)，在提升車輛的平順性方面表現(xiàn)更優(yōu)，因此目前已經(jīng)成為了主流應(yīng)用。一個(gè)典型的懸置結(jié)構(gòu)通常包含以下部件：穩(wěn)定桿、擺臂、襯套、減振器、擺臂支座、減振器支座以及緩沖塊等。其簡化后的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

2.2穩(wěn)定桿受力分析

在采用四點(diǎn)懸浮機(jī)構(gòu)的駕駛室懸置系統(tǒng)中，穩(wěn)定桿所承受的載荷主要來源于兩個(gè)方面：一是車輛行駛過程中路面產(chǎn)生的動態(tài)沖擊載荷；二是在駕駛室翻轉(zhuǎn)過程中，由駕駛室質(zhì)心位置變化所產(chǎn)生的扭矩變化。穩(wěn)定桿的作用是在駕駛室受到?jīng)_擊時(shí)發(fā)生變形，從而保護(hù)駕駛室。因此，在分析穩(wěn)定桿的受力情況時(shí)，我們主要考慮以下工況（表1）：

2.3力學(xué)模型仿真分析

為了深入分析穩(wěn)定桿的受力情況，我們建立了駕駛室懸置系統(tǒng)的ADMAS力學(xué)模型，并對懸置系統(tǒng)中的減振器、襯套等關(guān)鍵部件進(jìn)行柔性化建模。通過這一模型，我們提取了駕駛室懸置在各工況下穩(wěn)定桿端部的載荷數(shù)據(jù)。隨后，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Hyper＼Works軟件中，進(jìn)行了靜力仿真分析。有限元模型見圖3。

經(jīng)過詳細(xì)的靜力仿真分析，我們發(fā)現(xiàn)除了扭轉(zhuǎn)工況外，在其他各載荷工況下，穩(wěn)定桿的最小安全因子均大于2，顯示出相對較高的安全性。特別是在扭轉(zhuǎn)工況下，穩(wěn)定桿的安全系數(shù)為1.83。因此，從結(jié)構(gòu)及材料本身的力學(xué)性能來看，是滿足使用要求的。

2.4穩(wěn)定桿極限位移分析

根據(jù)穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并結(jié)合靜力仿真分析的結(jié)果，可以得知在扭轉(zhuǎn)工況下，穩(wěn)定桿兩端會產(chǎn)生較大的位移，這是其受力最為惡劣的工況。為了準(zhǔn)確獲取車輛實(shí)際運(yùn)行過程中穩(wěn)定桿兩端的位移變化，在實(shí)車駕駛室的穩(wěn)定桿兩端安裝了位移傳感器。這些傳感器能夠記錄在各種路況條件下穩(wěn)定桿兩端的位移差值（參見表2）。

試驗(yàn)工況是在試驗(yàn)場進(jìn)行的綜合采集，涵蓋了高速路、國道、非鋪裝路面等多種路況。采樣頻率設(shè)置為1000Hz，總計(jì)收集了149萬個(gè)數(shù)據(jù)樣本，試驗(yàn)里程6.9km。經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選發(fā)現(xiàn)，在正常行駛過程中，由于路面狀況良好，穩(wěn)定桿的相對位移在大多數(shù)情況下都保持在10mm以下，這一比例高達(dá)93.43%。而穩(wěn)定桿相對位移超過10mm的情況僅占6.57%，且最大相對位移記錄為37.5mm。因此，在進(jìn)行仿真分析時(shí)，我們需要特別關(guān)注穩(wěn)定桿的極限位移情況。

對穩(wěn)定桿總成進(jìn)行極限位移分析時(shí)，我們約束了穩(wěn)定桿擺臂的后端，并在穩(wěn)定桿前端減振器安裝點(diǎn)施加了載荷。載荷以位移的方式進(jìn)行驅(qū)動，且左右方向的位移是相反的。在施加了±30mm的位移后，我們根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在極限過載工況下，穩(wěn)定桿的安全系數(shù)為0.98。這一結(jié)果表明，在極端條件下穩(wěn)定桿可能存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5駕駛室舉升過程影響

對于浮動式前懸，駕駛室翻轉(zhuǎn)時(shí)，穩(wěn)定桿并非固定不動，而是隨著減振器的伸縮而移動。出于整車布置和成本的考慮，許多車輛都采用單舉升缸設(shè)計(jì)，通常將翻轉(zhuǎn)油缸布置在駕駛室右側(cè)。這種設(shè)計(jì)在實(shí)際翻轉(zhuǎn)過程中會導(dǎo)致駕駛室懸置兩側(cè)的減振器受力不均。由于駕駛室的質(zhì)心與翻轉(zhuǎn)中心距離較遠(yuǎn)，這會對穩(wěn)定桿產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)力矩，具體受力情況如圖4所示。

為了模擬翻轉(zhuǎn)過程中穩(wěn)定桿的極限位移變化，我們假設(shè)駕駛室懸置的一個(gè)減振器失效，并在ADAMS中進(jìn)行建模仿真。這樣，我們可以得到在正常翻轉(zhuǎn)和一個(gè)減振器失效的情況下，駕駛室穩(wěn)定桿兩端的變形量（圖5）。

經(jīng)過對比分析，當(dāng)單側(cè)減振器失效時(shí)翻轉(zhuǎn)駕駛室，與正常情況下的翻轉(zhuǎn)相比，穩(wěn)定桿的位移量增加了62%，最大位移差達(dá)到了58.2mm，這與極限過載分析工況相近（圖6）。在這種情況下，材料可能達(dá)到屈服點(diǎn)，從而產(chǎn)生永久變形。仿真結(jié)果表明，當(dāng)駕駛室某一側(cè)減振器失效后，穩(wěn)定桿的一端會失去有效支撐，導(dǎo)致其受力狀況發(fā)生變化。此時(shí)，穩(wěn)定桿需要承受更大的扭轉(zhuǎn)力矩，該力矩的大小會隨著翻轉(zhuǎn)角度和駕駛室質(zhì)心位置的變化而變化。

2.6主要失效原因確定

經(jīng)過核查，我們在產(chǎn)品開發(fā)過程中對穩(wěn)定桿總成進(jìn)行了靜力、翻轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)仿真分析，并未發(fā)現(xiàn)問題。在試驗(yàn)過程中，我們也進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)疲勞和六自由度臺架試驗(yàn)，且試驗(yàn)結(jié)果均合格。但我們并未對穩(wěn)定桿的極限變形進(jìn)行測量，這可能是導(dǎo)致在極限隋況下穩(wěn)定桿出現(xiàn)變形而常規(guī)試驗(yàn)驗(yàn)證未能發(fā)現(xiàn)問題的原因。目前使用的穩(wěn)定桿材料為Q345，其材料性能相對較低，屈服強(qiáng)度335～345MPa。為了提高穩(wěn)定桿的極限抗變形能力，我們需要提升其屈服強(qiáng)度。

3設(shè)計(jì)改進(jìn)

3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了提升穩(wěn)定桿的抗變形能力，我們結(jié)合了現(xiàn)有產(chǎn)品的布置空間，從增大截面和提升材料性能兩方面開展。在材料選擇上，我們選用Q345、Q420、40Cr等材料進(jìn)行驗(yàn)證。目前穩(wěn)定桿總成的結(jié)構(gòu)形式采用的是鉚接工藝，這就要求材料不僅要有良好的延展性，還需要具備高的屈服強(qiáng)度室。為了提高穩(wěn)定桿的抗變形能力，提升材料的屈服強(qiáng)度是關(guān)鍵，進(jìn)而能夠提升其過載性能。根據(jù)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)空間和材料的可用性，我們制定了以下備選方案（參見表3）。

3.2工藝分析

為了評估上述方案的可實(shí)施性，我們基于現(xiàn)有的穩(wěn)定桿壓裝設(shè)備進(jìn)行試樣分析。Q345、Q420材料以及經(jīng)過熱處理的Q420材料，由于其本身具有良好的延伸率，因此可以實(shí)現(xiàn)鉚接。不過，40Cr材料的延伸率僅為9%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到840 MPa，這使得它無法實(shí)現(xiàn)鉚接。因此，建議采用焊接方案進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3極限過載條件下的仿真分析

我們對4種方案進(jìn)行對比分析，通過在±35mm的加載位移下考察穩(wěn)定桿在極限條件下的安全因子。結(jié)果顯示，采用40Cr材料的方案性能最優(yōu)，其安全因子達(dá)到1.6。

3.4試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證穩(wěn)定桿總成的過載疲勞性能，我們結(jié)合道路試驗(yàn)采集的位移數(shù)據(jù)和駕駛室翻轉(zhuǎn)過程中的極限位移差，設(shè)計(jì)了疊加工況進(jìn)行耐久性測試。試驗(yàn)臺架如圖7，加載工況如下：

（1）位移±20mm，頻率2Hz，循環(huán)10萬次。

（2）過載測試：從20mm開始，以5mm/s的速度逐步加載，直到穩(wěn)定桿產(chǎn)生永久變形。

我們對不同方案的穩(wěn)定桿進(jìn)行了臺架加載試驗(yàn)，并與現(xiàn)有狀態(tài)進(jìn)行了對比，以便為最終優(yōu)化方案的選擇提供指導(dǎo)。試驗(yàn)結(jié)果參見表4。

通過試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)更換材料規(guī)格無法滿足試驗(yàn)要求。方案2與方案3在過載抗變形能力方面表現(xiàn)相對更優(yōu)。對于方案2中使用的40Cr材料雖然提高了管體本身的抗屈服能力，但由于其焊接性能降低，焊接難度增大，導(dǎo)致焊縫位置成為受力薄弱點(diǎn)。由于焊接強(qiáng)度不足和工藝控制難度較高，方案2無法滿足批量應(yīng)用的需求。相比之下，方案3采用的Q420材料具有良好的延展性，并采用鉚接結(jié)構(gòu)，具有更優(yōu)的耐久性。通過對管體進(jìn)行整體熱處理，可以改善內(nèi)部應(yīng)力分布，提高表面硬度。經(jīng)過多次工藝參數(shù)調(diào)整，其屈服強(qiáng)度可以穩(wěn)定在500MPa以上，抗拉強(qiáng)度670～800MPa，延伸率達(dá)到16%以上，性能表現(xiàn)較為穩(wěn)定。

3.5改進(jìn)實(shí)施

為了滿足車輛實(shí)際使用需求并減少因變形而導(dǎo)致的駕駛室傾斜問題，我們采用方案3進(jìn)行市場驗(yàn)證。我們選擇使用工況較為惡劣的區(qū)域，在用戶試用車上進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證。共更換了5輛車的穩(wěn)定桿，并持續(xù)對用戶進(jìn)行跟蹤調(diào)查。截至目前，更換后的車輛已經(jīng)運(yùn)行超過5萬km，未發(fā)生任何變形現(xiàn)象，改進(jìn)效果明顯。

4結(jié)束語

本文通過對浮動式駕駛室懸置穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定桿變形的主要原因是材料的屈服強(qiáng)度不足。在極限工況下，由于載荷超過了材料的屈服極限，導(dǎo)致變形累積。為了解決穩(wěn)定桿的變形問題，我們進(jìn)行了材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)分析改進(jìn)。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)場采集的位移信息，并考慮減振器失效后的單側(cè)舉升工況，我們制定了相應(yīng)的仿真分析方案和試驗(yàn)方案。改進(jìn)后的穩(wěn)定桿在承載能力和過載位移方面均得到了顯著提升。這一研究成果不僅解決了實(shí)際問題，還為后續(xù)駕駛室懸置產(chǎn)品的開發(fā)提供了有價(jià)值的借鑒方案和分析方法，具有一定的指導(dǎo)意義。