乘用車用千斤頂最高高度影響因素及計(jì)算方法

路國營，王琪，曹志韜，丁立杰

引言

當(dāng)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(diǎn)，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(dòng)化程度高，承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。主要應(yīng)用于自重較重的車輛。螺旋千斤頂[3]（圖1d）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，攜帶方便，但傳動(dòng)效率較低，返程慢，主要應(yīng)用于一些大型SUV或皮卡車型。

千斤頂選型時(shí)，對千斤頂性能的要求主要有三個(gè)：額定載荷、最低高度、最高高度。額定載荷可依據(jù)車輛的整車整備質(zhì)量和輪荷進(jìn)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(tài)下的高度，最低高度應(yīng)小于整車上各千斤頂支撐點(diǎn)到地面的距離，且應(yīng)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(tài)下千斤頂?shù)母叨?，該值決定了車輛能否被支撐離地，是千斤頂選型中的關(guān)鍵因素。

本文第一部分主要分析了減振器、橫向穩(wěn)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(yàn)進(jìn)驗(yàn)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(jì)算方法。

1、千斤頂最高高度影響因素

千斤頂支撐車輛時(shí)，車輪遠(yuǎn)離車身，該運(yùn)動(dòng)過程與車輪下跳類似。減振器、橫向穩(wěn)定桿以及不同的車身高度均對該運(yùn)動(dòng)過程有影響。

1.1 減振器對千斤頂最高高度的影響

現(xiàn)代汽車懸架有各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但一般都由彈簧，減振器，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（控制臂），緩沖塊和橫向穩(wěn)定桿組成[4]。減振器（如圖3所示）是汽車懸架系統(tǒng)的主要阻尼元件，用來抑制彈簧吸震后反彈時(shí)的震蕩以及來自路面的沖擊[5]。在經(jīng)過不平路面時(shí)，雖然吸震彈簧可以過濾路面的震動(dòng)，但彈簧自身還會(huì)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(huì)上下跳躍，減振器太硬就會(huì)帶來太大的阻力，妨礙彈簧正常工作。在汽車設(shè)計(jì)時(shí)，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(dāng)車輪上跳時(shí)，車輪相對車身接近，活塞從工作位置向下止點(diǎn)移動(dòng)，當(dāng)車輪達(dá)到上跳極限時(shí)，減振器活塞達(dá)到下止點(diǎn)位置，阻止車輪繼續(xù)上跳，車輪與車身距離不能繼續(xù)減小。當(dāng)車輪下跳時(shí)，車輪相對車身移開，活塞從工作位置向上止點(diǎn)移動(dòng)，當(dāng)車輪達(dá)到下跳極限時(shí)，減振器活塞達(dá)到上止點(diǎn)位置，阻止車輪繼續(xù)下移，車輪與車身相對關(guān)系保持不變。千斤頂支撐車身上升時(shí)，減振器活塞隨車身上升，車輪遠(yuǎn)離車身，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)，減振器將車輪拉離地面。

千斤頂支撐車輛時(shí)，若車輪被減振器拉離地面，可依據(jù)減振器的運(yùn)動(dòng)行程計(jì)算千斤頂?shù)淖罡吒叨取?/p>

1.2 橫向穩(wěn)定桿對千斤頂最高高度的影響

橫向穩(wěn)定桿，是汽車懸架中的一種輔助彈性元件，增加了懸架的側(cè)傾角剛度，主要的作用是防止車身在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生過大的橫向側(cè)傾，改善車輛的行駛平順性[6]。當(dāng)車身只作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩側(cè)懸架變形相同，橫向穩(wěn)定桿不起作用。當(dāng)車身側(cè)傾時(shí)，兩側(cè)懸架跳動(dòng)不一致，橫向穩(wěn)定桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)，桿身的彈力成為繼續(xù)側(cè)傾的阻力，起到橫向穩(wěn)定的作用。如果橫向穩(wěn)定桿剛度太小，在側(cè)向力作用下會(huì)使汽車側(cè)傾，嚴(yán)重影響舒適性，剛度太大又會(huì)在一側(cè)車輪受到激勵(lì)時(shí)對車廂的沖擊太大，影響平順性。橫向穩(wěn)定桿在懸架系統(tǒng)中所起到的作用越來越明顯，現(xiàn)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(wěn)定桿的剛度。

如圖4所示的橫向穩(wěn)定桿簡圖[7-8]，忽略橫向穩(wěn)定桿彎曲處過渡圓角和橡膠襯套彈性變形的影響，假設(shè)橫向穩(wěn)定桿均在彈性變化范圍內(nèi)。橫向穩(wěn)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(diǎn)到支撐點(diǎn)的間距為h，作用在A，D兩點(diǎn)沿Z向的分力為F，B，C兩端截面的轉(zhuǎn)角φ為：

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

采用變形疊加法，計(jì)算得到A，D兩點(diǎn)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(wěn)定桿慣性矩I=πd3/32；

在千斤頂支撐車輛時(shí)，車輪相對于車身遠(yuǎn)離，從式(2)可得橫向穩(wěn)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(wěn)定桿轉(zhuǎn)角φ逐漸增大。當(dāng)車輪被支離地面時(shí)，力F達(dá)到最大值，此處等效為車輪的自重。這時(shí)橫向穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)角φ達(dá)到最大值，橫向穩(wěn)定桿不再變形，車輪與車身的間隙不再變化。千斤頂繼續(xù)支撐車身，橫向穩(wěn)定桿將車輪拉離地面。

通過式(1)和式(2)可以看出，當(dāng)橫向穩(wěn)定桿有大的彎扭剛度時(shí)，就可以在較小的橫向穩(wěn)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(huì)內(nèi)容涵蓋智能物流、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器智能、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、區(qū)塊鏈等一系列前沿科技領(lǐng)域。云南電網(wǎng)“云電智云”平臺(tái)作為推進(jìn)電網(wǎng)企業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究的前沿科技，在大會(huì)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(shí)，一般支撐在車身縱梁或門檻梁上（如圖5所示）。在新車型設(shè)計(jì)時(shí)，螺旋彈簧車型通常會(huì)有空載、設(shè)計(jì)載荷、滿載三種車身高度，空氣彈簧車型通常會(huì)有最低、標(biāo)準(zhǔn)、最高三種車身高度。應(yīng)該選擇哪種車身高度作為千斤頂設(shè)計(jì)的依據(jù)？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(tài)如圖 6所示。實(shí)線代表車身初始狀態(tài)，虛線代表被千斤頂支撐后的車身狀態(tài)。車輛被頂起后，車身傾斜，假設(shè)均為減振器起作用將車輪拉離地面，這時(shí)輪心處對應(yīng)的車身重合?？梢钥闯龅蛙嚿淼膬A斜程度要比高車身傾斜程度大，低車身千斤頂支撐點(diǎn)位置要比高車身支撐點(diǎn)位置低，即低車身對應(yīng)的千斤頂最高高度低于高車身對應(yīng)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(yàn)

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(wěn)定桿、車身高度的影響，當(dāng)橫向穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)剛度不足時(shí)，橫向穩(wěn)定桿會(huì)產(chǎn)生較大的變形，減振器活塞達(dá)到上止點(diǎn)將車輪拉離地面。當(dāng)橫向穩(wěn)定桿有較強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，減振器活塞未達(dá)到上止點(diǎn)，橫向穩(wěn)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(dāng)千斤頂支撐車輛時(shí)，不同的車身高度對應(yīng)的車身變形不同，對應(yīng)的千斤頂最高高度不同。

為了驗(yàn)證上述分析的正確性，可通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。對于螺旋彈簧車型，通過調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)開關(guān)調(diào)節(jié)車身高度。在此為了試驗(yàn)方便，選定某含有空氣懸架的車型進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證減振器，橫向穩(wěn)定桿，不同車身高度對千斤頂最高高度的影響。

試驗(yàn)流程：該車型具有空氣彈簧，車身高度分為最低，標(biāo)準(zhǔn)，最高三種狀態(tài)。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(tài)右后側(cè)千斤頂支撐點(diǎn)到地面的距離。當(dāng)千斤頂將車輛支撐到車輪恰好離地時(shí)，在同一位置，測量支起狀態(tài)千斤頂支撐點(diǎn)到地面的距離（如圖7所示）以及減振器長度。測量結(jié)果如表1所示：

在千斤頂支起狀態(tài)下，表1中三種車身高度對應(yīng)的減振器長度各不相同，至少可以證明車身高度最低和標(biāo)準(zhǔn)兩種狀態(tài)下，減振器未達(dá)到下跳極限，車輪不是被減振器拉離地面。為了驗(yàn)證在車身高度最低和標(biāo)準(zhǔn)兩種狀態(tài)下，車輪是否被橫向穩(wěn)定桿拉離地面？在車身高度最高狀態(tài)下，車輪是否被減振器拉離地面？拆除橫梁穩(wěn)定桿后重復(fù)上述試驗(yàn)，記錄千斤頂將車輛支撐到車輪恰好離地時(shí)，千斤頂支撐點(diǎn)到地面的距離和減振器長度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

表2 拆解橫向穩(wěn)定桿后試驗(yàn)結(jié)果

通過表2中的數(shù)據(jù)可知，在最低、標(biāo)準(zhǔn)兩種車身高度下，拆除橫向穩(wěn)定桿后，減振器長度分別由 560mm，575mm變成了590mm。此結(jié)果證明：在未拆除橫向穩(wěn)定桿時(shí)，在最低和標(biāo)準(zhǔn)車身高度下，橫向穩(wěn)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(wěn)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(jié)果可以看出：對應(yīng)不同的車身高度，千斤頂最高高度分別為460mm，470mm，480mm。該結(jié)果證明：對于同一車輛，不同的車身高度對應(yīng)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(yàn)結(jié)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(wěn)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(jì)算方法

千斤頂選型時(shí)，千斤頂最高高度與千斤頂?shù)闹亓亢统杀境烧?，所以設(shè)定合理的千斤頂高度可以控制千斤頂?shù)闹亓亢统杀荆苊庠O(shè)計(jì)過剩。

在千斤頂最高高度設(shè)定時(shí)，往往依照經(jīng)驗(yàn)公式：千斤頂最高高度≥支撐點(diǎn)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(wěn)定桿和車身高度的影響，可能在減振器起作用之前，橫向穩(wěn)定桿已經(jīng)將車輪拉地面，所以通過上述公式設(shè)定千斤頂最高高度有可能過于保守。采用ADMAS虛擬樣機(jī)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(jì)算分析流程如下：

以標(biāo)準(zhǔn)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(shè)定相應(yīng)的硬點(diǎn)及參數(shù)；

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

（3）通過施加千斤頂驅(qū)動(dòng)，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(nèi)部接力、千斤頂運(yùn)動(dòng)位移。

以千斤頂支撐右后側(cè)車輪為例，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示：右后側(cè)車輪與地面的接地力為圖9中RR_tire_forces所示，當(dāng)RR_tire_forces為0時(shí)，表明車輪離地。rebound_force_rear為減振器內(nèi)部接觸力，當(dāng)rebound_force_rear為0時(shí)，表示減振器未達(dá)到下跳極限，當(dāng)rebound_force_rear不為0時(shí)表示減振器達(dá)到下跳極限，這時(shí)減振器起作用將車輪拉離地面。在時(shí)間為 5.5s時(shí)，RR_tire_forces為 0，表示車輪離地，這時(shí)rebound_force_rear為0，證明減振器未達(dá)到下跳極限，由橫向穩(wěn)定桿將車輪拉離地面。通過模擬分析，這時(shí)千斤頂最高高度為 451mm，支撐點(diǎn)到地面的距離為 296mm，千斤頂變化行程為155mm，與試驗(yàn)結(jié)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(jì)算不同車身高度下的千斤頂最高高度，從而設(shè)定合理的千斤頂最高高度。

4、結(jié)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(wěn)定桿、車身高度的影響。通過傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的千斤頂最高高度往往過于保守，可能會(huì)造成千斤頂設(shè)計(jì)過剩。第三部分采用虛擬樣機(jī)模擬計(jì)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(jì)算方法，可以為后續(xù)千斤頂選型及設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1] 陳燕, 歐陽加強(qiáng).千斤頂技術(shù)的研究現(xiàn)狀與[J].現(xiàn)代機(jī)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(jì)算及設(shè)計(jì)研究[J]. 液壓氣動(dòng)與密封, 2013,(6): 20-22.

[3] 陸海濤.基于優(yōu)化設(shè)計(jì)的螺旋千斤頂三維零件庫的建立[J],起重運(yùn)輸機(jī)械,2007, (6):32-34.

[4] 陳家瑞等.汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)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(shù), 2005(11): 4-7.

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

[7] 劉一夫, 朱茂桃等.橫向穩(wěn)定桿對整車側(cè)傾及縱傾特性的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì), 2013, (2): 92-96.

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