純電動(dòng)客車橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核分析

竇 聰，郝 恒，聶適存，楊 慶

純電動(dòng)客車橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核分析

竇 聰，郝 恒，聶適存，楊 慶

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

純電動(dòng)客車的動(dòng)力電池多布置在整車頂端，其會(huì)導(dǎo)致整車重心升高、抗側(cè)傾能力降低，因此，橫向穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就尤為重要。文章總結(jié)了國內(nèi)橫向穩(wěn)定桿的常用結(jié)構(gòu)及布置型式，通過理論計(jì)算分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可行性，從而為橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)與校核提供理論支撐。

純電動(dòng)客車；橫向穩(wěn)定桿；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；校核分析

橫向穩(wěn)定桿又稱防傾桿，是汽車懸架中的一種輔助彈性元件[1]。在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)可防止車身過度傾斜，以提高車輛在不平路面上的行駛穩(wěn)定性。

隨著商用車的不斷發(fā)展，客戶對整車操縱穩(wěn)定性提出了更高的要求，尤其是商用車需具備較好的抗側(cè)傾能力，同時(shí)，為了提高乘客的乘坐便捷性，越來越多的純電動(dòng)客車將動(dòng)力電池布置在整車頂端，導(dǎo)致整車側(cè)傾角會(huì)顯著增大。故此款純電動(dòng)車不僅會(huì)增加橫向穩(wěn)定桿受力程度，而且會(huì)增加橫向穩(wěn)定桿的故障率甚至影響整車的行車安全。

因此，更多的商用車在懸架設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)面臨橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核的問題，針對以上問題，文章主要介紹了橫向穩(wěn)定桿的常用結(jié)構(gòu)及理論計(jì)算方法，為橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

1 橫向穩(wěn)定桿簡介

1.1 結(jié)構(gòu)與作用

橫向穩(wěn)定桿常選用彈簧鋼彎制而成，形狀多呈“U”形，橫置在車橋的前端或后端。桿身的中部多通過聚氨酯襯套與車架連接，桿的兩端分別固定在懸架上。

當(dāng)車輛通過不平整路面時(shí)，左右車輪的跳動(dòng)不一致，致使兩側(cè)懸架跳動(dòng)出現(xiàn)差異，車身發(fā)生傾斜，此時(shí)的橫向穩(wěn)定桿會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，桿身的彈力會(huì)成為車身側(cè)傾的阻力，起到橫向穩(wěn)定的作用。

商用車橫向穩(wěn)定桿在懸架中的布置方式為聚氨酯襯套連接和橡膠復(fù)合襯套連接，考慮到成本及市場資源等問題，更多的懸架布置會(huì)選用聚氨酯襯套連接結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示。

圖1 聚氨酯襯套連接

圖2 橡膠復(fù)合襯套連接

1.2 材料選擇及外形

橫向穩(wěn)定桿材料常選用50CrV彈簧鋼[2]。商用車常用的橫向穩(wěn)定桿外形有V形結(jié)構(gòu)和U形結(jié)構(gòu)2種類型，其中U形結(jié)構(gòu)應(yīng)用更為廣泛，如圖3和圖4所示。

圖3 V形結(jié)構(gòu)

圖4 U形結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核分析

某12 m純電動(dòng)公交客車匹配空氣懸架，整車側(cè)傾角要求不大于6°，現(xiàn)需各零部件的空間關(guān)系設(shè)計(jì)并校核橫向穩(wěn)定桿。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)整車通道寬度、車架結(jié)構(gòu)及整車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)[3]等因素，確定橫向穩(wěn)定桿的基本外形，同時(shí)在設(shè)計(jì)校核時(shí)，應(yīng)充分校核以下因素：車橋上下跳動(dòng)時(shí)，橫向穩(wěn)定桿與車架及推力桿總成的運(yùn)動(dòng)間隙不小于15 mm；車橋轉(zhuǎn)向時(shí)，橫向穩(wěn)定桿與轉(zhuǎn)向直拉桿的運(yùn)動(dòng)間隙不小于15 mm，通過設(shè)計(jì)校核，此款公交車的前懸架總成匹配結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 前空氣懸架設(shè)計(jì)方案

此前懸架總成采用的橫向穩(wěn)定桿為U形結(jié)構(gòu)、與車架通過聚氨酯襯套連接[4]，其從制造工藝性及成本方面都相對較優(yōu)，符合整車經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)要求。

2.2 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算

在計(jì)算扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時(shí)，需知此結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度，不同結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定桿，其側(cè)傾角剛度的計(jì)算方式略有差異[2]，如圖6、圖7所示。

圖6 橫向穩(wěn)定桿計(jì)算用簡圖

V型結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度的計(jì)算公式為

圖7 橫向穩(wěn)定桿計(jì)算用簡圖

U型結(jié)構(gòu)所橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度計(jì)算公式為[5]

側(cè)傾角剛度計(jì)算其余參數(shù)如表1所示。

表1 側(cè)傾角剛度計(jì)算參數(shù)表

物理量取值 材料彈性模量E/MPa2.06×105 截面慣性矩/mm4πd4/64

一般情況下，橫向穩(wěn)定桿的最大應(yīng)力發(fā)生在截面的內(nèi)側(cè)，其大小與處的圓角有關(guān)，因?yàn)闆Q定了此處的曲度系數(shù)，橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)及受力如圖8所示。

圖8 橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)及受力圖

其最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力≤700 MPa，具體計(jì)算公式為

2.4 彎曲應(yīng)力計(jì)算

截面在彎矩(1)的作用下產(chǎn)生彎曲應(yīng)力≤1 250 MPa，即

通過以上計(jì)算，可知橫向穩(wěn)定桿是否滿足要求。

2.5 設(shè)計(jì)案例計(jì)算分析

依據(jù)2.1小節(jié)的設(shè)計(jì)方案和2.2小節(jié)的式（2）可計(jì)算出此橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度，具體的計(jì)算參數(shù)如圖9所示。

圖9 設(shè)計(jì)橫向穩(wěn)定桿尺寸簡圖

依據(jù)圖9參數(shù)可知，此款橫向穩(wěn)定桿的側(cè)向角剛度為243.2×106Nmm/rad，同時(shí)取整車側(cè)傾角為6°，可計(jì)算出扭轉(zhuǎn)應(yīng)為604.5 MPa，彎曲應(yīng)力為545 MPa。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)的此款橫向穩(wěn)定桿符合要求。

3 結(jié)論

橫向穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核分析是商用車在懸架匹配中的關(guān)鍵部分，本文介紹了商用車用橫向穩(wěn)定桿的常用連接型式、結(jié)構(gòu)、選材及理論計(jì)算方法，并以12 m純電動(dòng)車前懸的橫向穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)為案例，應(yīng)用并驗(yàn)證了本文的設(shè)計(jì)和計(jì)算方案，為商用車懸架的方案設(shè)計(jì)及匹配計(jì)算提供了理論支撐，更為結(jié)構(gòu)變型車輛提供了更便捷的類比計(jì)算依據(jù)。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 劉唯信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[3] 吳長風(fēng).輕型載貨車用全鋁車架的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證[J].汽車實(shí)用技術(shù)[J].2021,46(18):47-50.

[4] 田萌.多材料結(jié)構(gòu)汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)[J].2021,46(17):134-136.

[5] 萊姆佩爾.懸架元件及底盤力學(xué)[M].長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社,2000.

Structural Design and Check Analysis of Stabilizer Bar for Pure Electric Bus

DOU Cong, HAO Heng, NIE Shicun, YANG Qing

( Shaanxi Handeaxle Company Limited, Xi'an 710201, China )

The power battery of pure electric bus is arranged at the top of the vehicle,which will cause the center of gravity of the vehicle to rise,anti-roll ability to reduce,therefore,the structural design of the transverse stabilizer bar is particularly important.This paper summarizes the common structures and layout types of transverse stabilizer bar in China, and analyzes the feasibility of designing the structure through theoretical calculation, which provides theoretical support for the design of transverse stabilizer bar without check.

Pure electric bus;Stabilizer bar;Structural design;Check analysis

U463.85+9

A

1671-7988(2023)11-116-03

竇聰（1987－），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠囆旭傁到y(tǒng)車橋開發(fā)，E-mail:doucong@tech.handeaxle.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.021