空心穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能研究

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，本文以某車型實心穩(wěn)定桿為研究基準，應用空心管材代替實心材料設(shè)計了一種空心結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定桿，介紹了空心結(jié)構(gòu)穩(wěn)定桿的設(shè)計開發(fā)思路，分析空心結(jié)構(gòu)的外觀尺寸、剛度、強度和疲勞性能。研究結(jié)果表明，通過合理的內(nèi)外徑和壁厚設(shè)計，空心結(jié)構(gòu)穩(wěn)定桿可滿足實心結(jié)構(gòu)同等的使用性能需求，同時可實現(xiàn)23%的輕量化。

關(guān)鍵詞：空心穩(wěn)定桿 結(jié)構(gòu)設(shè)計 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，消費者對汽車的各項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準，也是客戶重點關(guān)注的性能指標。為改善汽車行駛平順性，懸架的垂向剛度設(shè)計通常比較低；當載荷變化時，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)計較低，會使得汽車的側(cè)傾角剛度值也較低，當汽車轉(zhuǎn)彎時會產(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，各大主機廠通常在車輛的懸架系統(tǒng)中設(shè)計連接左、右懸架的穩(wěn)定桿。[2]穩(wěn)定桿被廣泛應用于獨立懸架，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，在乘用車上大量應用的還是實心穩(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作用極小。近年來，隨著整車輕量化設(shè)計的要求越來越高，應用管材代替實心材料設(shè)計制造穩(wěn)定桿成為整車廠和供應商加大研發(fā)投入的方向。空心穩(wěn)定桿在保證與實心桿剛度和疲勞性能基本變化的情況下一般可實現(xiàn)20%～45%的輕量化效果，這對車輛底盤的輕量化設(shè)計和簧下質(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，同時根據(jù)整車布置空間進行調(diào)整。本文介紹了空心穩(wěn)定桿設(shè)計開發(fā)的思路流程，設(shè)計開發(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)計和性能分析進行深入研究。

2 空心穩(wěn)定桿設(shè)計思路

圖1為空心穩(wěn)定桿的設(shè)計思路流程，首先基于實心穩(wěn)定桿提取外形尺寸和各項性能要求，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，如不滿足進行下一輪的尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。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，然后進行穩(wěn)定桿的壁厚設(shè)計，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)定桿外形之村進行下一輪仿真分析。

3 空心穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 邊界和載荷定義

本研究以實心穩(wěn)定桿的尺寸和性能設(shè)計為基準，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的全部自由度；b）約束一側(cè)穩(wěn)定桿與連桿連接點的三向平動自由度；c）在另一側(cè)穩(wěn)定桿與連桿連接點施加Z向的2000N。圖3為穩(wěn)定桿強度工況：a）約束穩(wěn)定桿支架與副車架連接點的全部自由度；b）在兩側(cè)穩(wěn)定桿與連桿連接點施加等值反向的強制位移（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的全部自由度； b）在兩側(cè)穩(wěn)定桿與連桿連接點施加等值反向的強制位移。

3.2 穩(wěn)定桿管徑尺寸確定

針對穩(wěn)定桿，無論空心還是實心，其剛度要求需一致，以便保證懸架剛度滿足設(shè)計要求?；诖耍瑢嵭臈U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)定桿相比于實心桿的重量減輕率、壁厚和應力、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，當重量減輕30%，空心穩(wěn)定桿的外徑為大于實心穩(wěn)定桿的3.16%，壁厚率為0.207；當重量減輕50%時，空心穩(wěn)定桿的外徑為大于實心穩(wěn)定桿的11.8%，壁厚率為0.113；本次分析以某車型的實心穩(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°，且強度分析結(jié)果顯示，實心結(jié)構(gòu)時應力水平已達到586MPa。考慮到后期的成型、強度及疲勞性能，在不改變穩(wěn)定桿軸線設(shè)計的情況下，初步設(shè)定穩(wěn)定桿由實心改為空心結(jié)構(gòu)的重量減輕率定義為25%，由此根據(jù)計算，得到空心穩(wěn)定桿的設(shè)計參數(shù)如表1所示。根據(jù)計算結(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。計算的穩(wěn)定桿內(nèi)徑為14mm，重量減輕率為23%，接近目標，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)果可以計算得實心穩(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)計可以保障其剛度與實心穩(wěn)定桿性能一致，滿足穩(wěn)定桿的實際使用剛度工況。

4.2 強度分析

圖7（a）實心穩(wěn)定桿在強度工況下應力分析結(jié)果顯示其最大應力值為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力值為656MPa，比實心結(jié)構(gòu)上升了70MPa，兩中最大應力值出現(xiàn)的位置一致。研究表明，空心穩(wěn)定桿實際應用的強度工況下應力最大值相比于實心結(jié)構(gòu)會上升，但出現(xiàn)最大應力值的位置一致，因此在設(shè)計實心穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)換為空心結(jié)構(gòu)時要確保其結(jié)構(gòu)的應用最大值不超過材料強度，針對空心穩(wěn)定桿的選材要考察性能指標。

4.3 耐久疲勞分析

圖8（a）實心穩(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。空心結(jié)構(gòu)穩(wěn)定桿的疲勞壽命相比于實心穩(wěn)定桿的疲勞耐久性能急劇下降，因此，在進行穩(wěn)定桿由實心結(jié)構(gòu)更改為空心結(jié)構(gòu)時其耐久疲勞性能需重點關(guān)注，在設(shè)計時需進行局部的結(jié)構(gòu)調(diào)整，以提升整體的耐久性能。

5 結(jié)論

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

研究表明通過合理的內(nèi)外徑和壁厚設(shè)計，可實現(xiàn)穩(wěn)定桿空心結(jié)構(gòu)與實心結(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，在進行空心穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮穩(wěn)定桿與副車架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動軟管等的間隙問題。

參考文獻：

[1]王曉蓮，張學博. 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[J].汽車實用技術(shù)，2018，3：106-109.

[4]丁能根，張宏兵，等.橫向穩(wěn)定桿性能計算及其影響因素分析.汽車技術(shù)，2006，1：23～26.