某轻型车悬置元宝梁与前桥空间校核方法的研究

杨宗宝

摘 要：随着整车排放标准升级，发动机结构及其附件布置亦越发复杂。而在轻型载货车的设计中，受限于发舱空间限制，发动机悬置元宝梁的布置合理与否尤为重要。合理的布置悬置元宝梁走向，确保悬置元宝梁与前桥不会因为间隙不当而产生动态干涉是满足元宝梁布置的基本需求。文章主要对某轻型车悬置元宝梁与前桥空间校核方法进行研究，以便合理布置发动机悬置元宝梁走向，从而避免其与前桥产生运动干涉。

关键词：轻型车;空间校核;运动干涉;悬置元宝梁

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）19-161-03

Research on The Space Checking Method of a Light Truck's Suspended Ingot

Beam and Front Axle

Yang Zongbao

（Anhui Jianghuai Automobile Group Co.， Ltd.， Anhui Hefei 230601）

Abstract： With the upgrading of vehicle emission standard， the engine structure and its accessories layout are more and more complex. In the design of light truck， the layout of engine mount beam is very important because of the limitation of engine cabin space. The basic requirement of Suspended ingot beam layout is to arrange the direction of the Suspended ingot beam reasonably and ensure that the dynamic interference between the Suspended ingot beam and the front axle will not occur due to improper clearance. This paper mainly studies the space checking method of the front axle and the suspended ingot beam of a light vehicle， in order to arrange the direction of the engine suspended ingot beam reasonably， so as to avoid its movement interference with the front axle.

Keywords： Light vehicle; Space check; Motion interference; Suspended ingot beam

CLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）19-161-03

引言

受2019年輕卡行业“轻卡不轻”事件影响，各大主机厂商将更多的精力用于整车轻量化，通过新材料、新结构等一系列措施进而达成轻量化。而对于承载系统来说，采用高强钢、少片簧似乎成为了大势所趋，当然少片簧虽然有着诸多优势（轻量化、舒适化），但由于排放升级后发动机功率、扭矩均大幅提升，动力总成的布置也愈加复杂化，结合元宝梁与前桥始终处于相对运动的状态，故如何保证悬置元宝梁与前桥动态间隙显得尤为关键。

目前采用的仍为传统的“铁碰铁”校核方式，但随着整车布置的紧凑化，传统的“铁碰铁”已不能满足轻型车悬置元宝梁与前桥动态间隙的校核，本文主要对某轻型车悬置元宝梁与前桥空间动态间隙的校核方法进行研究，以便合理布置发动机悬置元宝梁的走向，从而避免发动机悬置元宝梁与前桥产生运动干涉。

1 传统铁碰铁校核方式简介

所谓“铁碰铁”校核方式，就是将前悬架缓冲块的金属支架与车架下翼面接触时，悬置元宝梁与前桥之间的间隙校核。如图1所示，为某轻型卡车油底壳与横拉杆空间位置的校核，其间隙为10mm，满足“铁碰铁”的设计要求。

通过上述校核方法得出的数据为悬置元宝梁与前桥Z向间隙为10.5mm，X向最小间隙为24mm。按传统校核理论，该元宝梁与前桥间隙满足间隙要求，但基于此方法校核而生产的车辆经过强化道路试验验证，该轻型车悬置元宝梁却与前桥产生了动态干涉的现象（如图2所示），由此可见“铁碰铁”极限工况下校核间隙不低于10mm的方式已不能满足该轻型车的实际要求。

“铁碰铁”校核方式非常简便，它既简化了发动机因悬置胶垫变形而产生的运动，还简化了钢板弹簧的扭转变形运动。根据悬架设计经验，缓冲块在其压缩1/2时就会产生破坏，所以常规理解“铁碰铁”校核时有缓冲块1/2的富余量，这富余量可以认为正好弥补悬置胶垫变形而引起发动机的运动，但钢板弹簧的扭转变形以及前桥因转向导致运动却没有考虑到（由于前桥转向带来的变动相对较小，故本文重点讲述由于板簧运动变形导致的相关校核，未考虑前桥转向运动），因此才会产生上述现象。由此可以得出结论“铁碰铁”的校核方式只适用于前钢板弹簧不会扭转的车型，而实际上钢板弹簧会存在一定的扭转变形，尤其在紧急制动时这种现象更为显著。

2 钢板弹簧的变形运动

根据郭孔辉院士的《汽车操纵动力学》中附录E《板簧变形运动学分析及其应用》对钢板弹簧的运动分析，钢板弹簧的运动由垂直跳动和纵扭两部分组成，而在车辆的运动的过程中，这两部分运动几乎是同时进行。

2.1 钢板弹簧垂直跳动变形

对于对称半椭圆板簧中点（即车桥与板簧接触点）的运动轨迹，可以用一根当量杆来描述：

2.1.1 运动圆心

先确定板簧基线（前、后卷耳中心连线），此部分需要注意区分板簧卷耳结构。对于上卷式卷耳，圆心位于基线上方r/2处的平行线上，对于下卷式卷耳，位于基线下方r/2处的平行线上，对于平卷式即位于基线上（即主片中性层），如图3所示。

备注：r是卷耳中心到主片中性层的距离，不是卷耳半径，更不是衬套内径，同时这里不考虑板簧吊耳或板簧工作时引起的基线斜度轻微摆动。

2.1.2 轨迹半径

当量杆的半径是板簧有效半长的，即。其中为板簧的有效半长，即板簧长度减去板簧与桥固连部分长度。此外R为半径，同时也是板簧中点p（任何轨迹点）到圆心的距离。因此要从该中点去确定圆心位置O，而非从板簧的固定端中心沿基线的平行线按去确定圆心，详见图4。

即板簧中心点位置的运动轨迹为繞着上图O点为圆心、半径R的圆弧运动（上述均基于对称半椭圆钢板弹簧）。

2.1.3 平移运动

只有对称式板簧才是平移运动，可以按平行四边形的方法找到所求运动点的当量杆圆心及半径。

2.2 钢板弹簧纵扭变形

结合郭孔辉院士《板簧变形运动学分析及其应用》相关理论，为分析简单化，只考虑板簧中部承受纯弯矩，两端承受大小相等、方向相反的垂直力;此外，此次只针对平卷式板簧，且不计吊耳或滑板对基线斜角变化的影响。

对于板簧的纵扭变形，简化采用等应力梁即板簧整圆弧的假设，此时板簧主片中性层的纵扭变形由前、后两段反向圆弧所组成，如图5所示。结合固定端在汽车前进方向的前方，承受力矩M为逆时针方向。

说明：结合该轻型车发舱底部空间的结构特点，且本文侧重于校核元宝梁与横拉杆间隙，故板簧悬架相关理论不再详细赘述。

3 理论分析与试验验证

3.1 理论分析

结合上述板簧运动轨迹及元宝梁与横拉杆间隙特点，此次不考虑板簧纵扭变形的影像，仅考虑板簧垂直跳到变形的影响，然后在三维数模下创建板簧运动轨迹，并基于板簧跳到轨迹进行DMU空间校核。如图6所示：

基于上述校核方法，针对该轻型车路试反馈的问题进行元宝梁方案调整，即将悬置元宝梁走向进行调整（调整方案见图7），确保基于板簧垂直跳动轨迹方法校核下悬置元宝梁与前桥间隙大于10mm。

3.2 道路验证

经该方案设计的元宝梁，经过10万公里道路试验验证，未收到该故障反馈，即调整后的元宝梁结构满足整车要求，这也充分证明该校核方式的准确性与实用性。

4 结论

通过上述对某轻型车发动机悬置元宝梁与前桥的空间位置校核方法研究，再结合整车道路试验结果，初步得出结论，通过分析板簧垂向运动轨迹来对发动机悬置元宝梁与前桥的空间位置进行校核是满足设计要求的。该方法从理论上是完全可行的，该校核方法亦符合板簧中心点实际运动轨迹，此亦可以作为理论设计依据。

通过对该方法的研究，总布置可以更好的布置发动机的位置，进而布置好发动机悬置元宝梁的走向，从而避免运动干涉的发生。

参考文献

[1] 郭孔辉.板簧变形运动学分析及其应用[J].汽车工程，1990（2）.

[2] 陈耀明.汽车悬架论文集[M].苏州大学出版社， 2012.

[3] 余志生.汽车理论.第5版[M].机械工业出版社， 2009.