林少輝　姜子敬　楊文葉　楊磊　李振興　郭秋彥

摘 要：穩(wěn)定桿是懸架系統(tǒng)中的重要零件，直接影響汽車的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性能?；谡嚫飨到y(tǒng)輕量化的需求，本文以某車型實(shí)心穩(wěn)定桿為研究基準(zhǔn)，應(yīng)用空心管材代替實(shí)心材料設(shè)計(jì)了一種空心結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定桿，介紹了空心結(jié)構(gòu)穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)開發(fā)思路，分析空心結(jié)構(gòu)的外觀尺寸、剛度、強(qiáng)度和疲勞性能。研究結(jié)果表明，通過合理的內(nèi)外徑和壁厚設(shè)計(jì)，空心結(jié)構(gòu)穩(wěn)定桿可滿足實(shí)心結(jié)構(gòu)同等的使用性能需求，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)23%的輕量化。

關(guān)鍵詞：空心穩(wěn)定桿 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 性能分析 輕量化

Structural Design and Performance Research of Vehicle Hollow Stabilizer Bar

Lin Shaohui Jiang Zijing Yang Wenye Yang Lei Li Zhenxing Guo Qiuyan

Abstract：The stabilizer bar is an important part in the suspension system， which directly affects the ride comfort， handling stability and safety performance of the car. Based on the lightweight requirements of various systems of the whole vehicle， this paper takes the solid stabilizer bar of a certain vehicle model as the research benchmark， and uses hollow tubes instead of solid materials to design a hollow structure stabilizer bar， introduces the design and development ideas of the hollow structure stabilizer bar， analyzes the hollow structure Dimensions， stiffness， strength and fatigue properties of structures. The research results show that through reasonable design of inner and outer diameters and wall thicknesses， the hollow structure stabilizer bar can meet the same performance requirements as the solid structure， while achieving 23% lighter weight.

Key words：Hollow stabilizer bar， design thought， Performance analysis， Lightweight

1 前言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，消費(fèi)者對汽車的各項(xiàng)性能的要求越來越高，其中汽車的操縱穩(wěn)定性、駕駛平順性和乘坐舒適性均已成為衡量汽車性能的主要標(biāo)準(zhǔn)，也是客戶重點(diǎn)關(guān)注的性能指標(biāo)。為改善汽車行駛平順性，懸架的垂向剛度設(shè)計(jì)通常比較低；當(dāng)載荷變化時(shí)，則要求懸架的剛度變化小，從而降低汽車整車的偏頻率。但如果汽車懸架的垂向剛度值設(shè)計(jì)較低，會(huì)使得汽車的側(cè)傾角剛度值也較低，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的車身側(cè)傾角，影響行駛穩(wěn)定性。[1]因此，為了提升汽車的操縱穩(wěn)定性、駕駛平順性，改善汽車的乘坐舒適性和安全性，各大主機(jī)廠通常在車輛的懸架系統(tǒng)中設(shè)計(jì)連接左、右懸架的穩(wěn)定桿。[2]穩(wěn)定桿被廣泛應(yīng)用于獨(dú)立懸架，其功能是防止汽車在轉(zhuǎn)彎或汽車左、右輪受到不同載荷時(shí)發(fā)生過大橫向側(cè)傾，是保持汽車平衡的懸架系統(tǒng)關(guān)鍵零件。[3]

目前，在乘用車上大量應(yīng)用的還是實(shí)心穩(wěn)定桿，直徑多處于20mm～30mm范圍內(nèi)，質(zhì)量約為4kg～8kg。穩(wěn)定桿的發(fā)揮作用的過程中主要為扭轉(zhuǎn)變形，橫桿中心部位的貢獻(xiàn)作用極小。近年來，隨著整車輕量化設(shè)計(jì)的要求越來越高，應(yīng)用管材代替實(shí)心材料設(shè)計(jì)制造穩(wěn)定桿成為整車廠和供應(yīng)商加大研發(fā)投入的方向?？招姆€(wěn)定桿在保證與實(shí)心桿剛度和疲勞性能基本變化的情況下一般可實(shí)現(xiàn)20%～45%的輕量化效果，這對車輛底盤的輕量化設(shè)計(jì)和簧下質(zhì)量降低具有重大意義。[4]

由于空心穩(wěn)定桿的材料、直徑尺寸均與實(shí)心穩(wěn)定桿不同，各尺寸參數(shù)的選擇需要考慮對穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度的影響，同時(shí)根據(jù)整車布置空間進(jìn)行調(diào)整。本文介紹了空心穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)開發(fā)的思路流程，設(shè)計(jì)開發(fā)了滿足車輛使用要求的產(chǎn)品，并且針對空心穩(wěn)定桿的材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析進(jìn)行深入研究。

2 空心穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)思路

圖1為空心穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)思路流程，首先基于實(shí)心穩(wěn)定桿提取外形尺寸和各項(xiàng)性能要求，分析采用空心桿方案的布置空間能否滿足。如果空心桿的布置空間能夠滿足，下一步根據(jù)減重率計(jì)算穩(wěn)定桿的尺寸參數(shù)，建立空心穩(wěn)定桿的有限元模型，分析性能是否滿足需求，如不滿足進(jìn)行下一輪的尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果空心桿的外形尺寸不能滿足空間布置，則首先需要確定滿足空間布置的外形尺寸，然后進(jìn)行穩(wěn)定桿的壁厚設(shè)計(jì)，建立有限元分析模型，分析性能是否滿足要求，如不滿足則需要綜合評估布置空間優(yōu)化穩(wěn)定桿外形之村進(jìn)行下一輪仿真分析。

3 空心穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 邊界和載荷定義

本研究以實(shí)心穩(wěn)定桿的尺寸和性能設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)，保證穩(wěn)定桿中心軸線和主要性能不變，確定空心穩(wěn)定桿剛度、強(qiáng)度和疲勞工況的邊界和載荷定義。圖2為穩(wěn)定桿剛度工況：a）約束穩(wěn)定桿支架與副車架連接點(diǎn)的全部自由度；b）約束一側(cè)穩(wěn)定桿與連桿連接點(diǎn)的三向平動(dòng)自由度；c）在另一側(cè)穩(wěn)定桿與連桿連接點(diǎn)施加Z向的2000N。圖3為穩(wěn)定桿強(qiáng)度工況：a）約束穩(wěn)定桿支架與副車架連接點(diǎn)的全部自由度；b）在兩側(cè)穩(wěn)定桿與連桿連接點(diǎn)施加等值反向的強(qiáng)制位移（可以取1/8的穩(wěn)定桿力臂長度或按車身傾斜5°時(shí)由多體軟件提取的穩(wěn)定桿端部位移量）。圖4為穩(wěn)定桿疲勞工況：a）約束穩(wěn)定桿支架與副車架連接點(diǎn)的全部自由度； b）在兩側(cè)穩(wěn)定桿與連桿連接點(diǎn)施加等值反向的強(qiáng)制位移。

3.2 穩(wěn)定桿管徑尺寸確定

針對穩(wěn)定桿，無論空心還是實(shí)心，其剛度要求需一致，以便保證懸架剛度滿足設(shè)計(jì)要求?；诖?，實(shí)心桿的直徑記為d0，而空心桿的內(nèi)徑、外徑和壁厚分別記為d1、d2、t0；同時(shí)重量減輕率記為s0，d1、d2和壁厚率t0/d0關(guān)系如下：

（１）

（２）

（３）

空心穩(wěn)定桿相比于實(shí)心桿的重量減輕率、壁厚和應(yīng)力、外徑增加率的關(guān)系如圖5所示。

由上述的式（2）和式（3）可得，當(dāng)重量減輕30%，空心穩(wěn)定桿的外徑為大于實(shí)心穩(wěn)定桿的3.16%，壁厚率為0.207；當(dāng)重量減輕50%時(shí)，空心穩(wěn)定桿的外徑為大于實(shí)心穩(wěn)定桿的11.8%，壁厚率為0.113；本次分析以某車型的實(shí)心穩(wěn)定桿為研究對象，穩(wěn)定桿直徑為27mm，由于此穩(wěn)定桿折彎角度趨近于90°，且強(qiáng)度分析結(jié)果顯示，實(shí)心結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)力水平已達(dá)到586MPa。考慮到后期的成型、強(qiáng)度及疲勞性能，在不改變穩(wěn)定桿軸線設(shè)計(jì)的情況下，初步設(shè)定穩(wěn)定桿由實(shí)心改為空心結(jié)構(gòu)的重量減輕率定義為25%，由此根據(jù)計(jì)算，得到空心穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，考慮到空間布置要求、等剛度換算等因素，初步選定空心穩(wěn)定桿外徑為27.5。計(jì)算的穩(wěn)定桿內(nèi)徑為14mm，重量減輕率為23%，接近目標(biāo)，可以接受。

4 空心穩(wěn)定桿性能研究

4.1 剛度分析

由圖6（a）分析結(jié)果可以計(jì)算得實(shí)心穩(wěn)定桿的線剛度為53.42N/mm，圖6（b）空心穩(wěn)定桿的線剛度為53.16N/mm?？招慕Y(jié)構(gòu)線剛度比實(shí)心結(jié)構(gòu)小0.5%，近似相等。因此，空心結(jié)構(gòu)穩(wěn)定桿合適的外徑和內(nèi)徑尺寸設(shè)計(jì)可以保障其剛度與實(shí)心穩(wěn)定桿性能一致，滿足穩(wěn)定桿的實(shí)際使用剛度工況。

4.2 強(qiáng)度分析

圖7（a）實(shí)心穩(wěn)定桿在強(qiáng)度工況下應(yīng)力分析結(jié)果顯示其最大應(yīng)力值為586MPa，圖7（b）顯示空心結(jié)構(gòu)穩(wěn)定桿在此工況下的最大應(yīng)力值為656MPa，比實(shí)心結(jié)構(gòu)上升了70MPa，兩中最大應(yīng)力值出現(xiàn)的位置一致。研究表明，空心穩(wěn)定桿實(shí)際應(yīng)用的強(qiáng)度工況下應(yīng)力最大值相比于實(shí)心結(jié)構(gòu)會(huì)上升，但出現(xiàn)最大應(yīng)力值的位置一致，因此在設(shè)計(jì)實(shí)心穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)換為空心結(jié)構(gòu)時(shí)要確保其結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最大值不超過材料強(qiáng)度，針對空心穩(wěn)定桿的選材要考察性能指標(biāo)。

4.3 耐久疲勞分析

圖8（a）實(shí)心穩(wěn)定桿耐久疲勞分析在耐久工況下的壽命為3.539萬次，圖8（b）空心結(jié)構(gòu)穩(wěn)定桿在耐久工況下的壽命為0.271萬次?？招慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定桿的疲勞壽命相比于實(shí)心穩(wěn)定桿的疲勞耐久性能急劇下降，因此，在進(jìn)行穩(wěn)定桿由實(shí)心結(jié)構(gòu)更改為空心結(jié)構(gòu)時(shí)其耐久疲勞性能需重點(diǎn)關(guān)注，在設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行局部的結(jié)構(gòu)調(diào)整，以提升整體的耐久性能。

5 結(jié)論

本文以某車型的實(shí)心穩(wěn)定桿為研究對象，在邊界條件一致，并且滿足實(shí)際應(yīng)用各項(xiàng)性能需求的前提下進(jìn)行材料選型、尺寸設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析結(jié)果如表2。

研究表明通過合理的內(nèi)外徑和壁厚設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定桿空心結(jié)構(gòu)與實(shí)心結(jié)構(gòu)的線剛度保持不變。穩(wěn)定桿更改為空心結(jié)構(gòu)以后，應(yīng)力隨減輕率和外徑的增大而增大，穩(wěn)定桿的疲勞耐久性能急劇下降，建議對空心穩(wěn)定桿增加噴丸等熱處理工藝，以增加抗疲勞性能。此外，在進(jìn)行空心穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮穩(wěn)定桿與副車架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)軟管等的間隙問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉蓮，張學(xué)博. 尺寸參數(shù)對橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度的影響分析及驗(yàn)證[J].汽車零部件，2017，5：28-33.

[2]李奕寶，丁都都，許陽釗. 車輛空心穩(wěn)定桿斷裂失效分析[J]. 汽車零部件，2020，7：84-86.

[3]王偉，王海艷，熊朝恩. 空心穩(wěn)定桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018，3：106-109.

[4]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.汽車技術(shù)，2006，1：23～26.