汽車懸架橫向穩定桿的參數化設計*

王靖岳 歐陽純 梁洪明

（1.沈陽理工大學汽車與交通學院；2.鄭州宇通客車股份有限公司；3.中國質量認證中心沈陽分中心）

橫向穩定桿是汽車懸架中的一種輔助彈性元件，其作用是防止車身在轉彎時發生過大的橫向側傾，盡量使車身保持平衡，通過減小車身的橫向傾斜和橫向角振動，從而改善舒適平順性。如何快速、便捷與正確地設計滿足不同車型的橫向穩定桿，是擺在工程師面前一個棘手的問題。在對汽車懸架橫向穩定桿進行研究論證的基礎上，文章基于Visual Basic可視化編程和CATIA軟件，以某型貨車前懸橫向穩定桿設計為例，進行橫向穩定桿的參數化設計，為穩定桿的參數化設計探索有效途徑。

1 橫向穩定桿等效模型

最常用的橫向穩定桿的結構，如圖1所示。可把橫向穩定桿和橡膠襯套等效為串聯的線性彈簧。圖1中，lc為橫向穩定桿總跨度；l0為橫向穩定桿橡膠襯套的安裝總跨度；lT為橫向穩定桿中間直線BB'的長度；l為橫向穩定桿縱向總寬度；l1為橫向穩定桿端部直徑長度；l2為橫向穩定桿中間直線段的端點到橡膠襯套的長度；l3為橫向穩定桿外端點到中間直線段端點的距離；θ為橫向穩定桿端部圓弧角度；R為橫向穩定桿端部圓弧半徑。在整個橫向穩定桿兩端施加彼此相反且垂直于穩定桿平面的力F，由于橫向穩定桿變形產生的端點位移為fw，橡膠襯套變形而產生的橫向穩定桿端點位移為fx，則在橫向穩定桿端點產生的總位移為：f=fw+fx。

橡膠襯套結構，如圖2所示。圖2中，D為橡膠襯套外直徑；d為橫向穩定桿直徑；lx為橡膠襯套長度。橡膠襯套厚度為12 mm；橡膠材料的泊松比為0.5，彈性模量為7.8 MPa。

2 穩定桿幾何尺寸關系式

由于橫向穩定桿要根據車架及驅動橋的具體結構安裝，所以橫向穩定桿的尺寸 R，θ，l，lc，l0要根據車型結構確定，根據這5個參數則能推導出其他參數：

3 橫向穩定桿受力變形產生的端點位移

根據文獻[1]可知：

Dd——截面圓直徑，m；

μ——泊松比，μ=1/3；

IP——截面極慣性矩，實心圓軸Ip

4 橡膠襯套變形產生的穩定桿端點位移

根據文獻[1]可知：

式中：kre——橡膠襯套在穩定桿端點處的等效線剛度，N/m；

kr——橡膠襯套徑向剛度，N/m。

5 剛度校核及應力校核

5.1 匹配線剛度校核

汽車橫向穩定桿實際使用線剛度（kwle/（N/m））為：

式中：kr'——橡膠襯套徑向剛度近似值，可根據kr值在文獻[1]的表7-2中選取，N/m。

如果最佳線剛度[kwle]與kwle的相對誤差η≤2%，kwle能滿足使用性能要求[2]，即：

5.2 應力校核

橡膠襯套作用處的橫截面產生最大剪應力，橫向穩定桿的最大剪應力（τ/MPa）不應超過其[τ]，[τ]=800 MPa，即：

Fmax——穩定桿端點所受最大力，Fmax=kwlefd，N；

fd——懸架動撓度，m。

橫向穩定桿的最大彎曲應力（σ/MPa）不應超過其[σ]，[σ]=2 400 MPa，即：

橡膠襯套作用處橫截面的合成應力（σn/MPa）不應超過其[σn]，[σn]=2 884 MPa，即：

6 建立可視化窗口

通過建立Visual Basic可視化窗口，建立只含有由于車型車架和驅動橋結構所限而已定的橫向穩定桿參數 l，lc，l0，R，θ，d 的簡化窗口，在窗口中顯示所求的 d以及kr，并根據計算得到的kr，再從文獻[1]的表7-2中選取剛度相近的標準化的橡膠襯套。在相應文本框中輸入選取的kr'，點擊計算按鈕，即可得到在以上參數下的f和kwle，剛度校核結果以及應力校核結果。根據校核結果是否滿足要求再對橫向穩定桿進行優化，選取更加合理的d值。此窗口大大簡化了表格中繁多的數據，降低了人的操作和觀看疲勞，如圖3所示。通過Visual Basic與Excel相關聯的運算，得出優化后的符合使用要求的橫向穩定桿的相關參數值，橫向穩定桿參數Excel計算表格，如圖4所示。使用CATIA軟件建立穩定桿的三維模型。根據EQ1050整車參數，如表1所示，進行參數化的三維模型設計，如圖5所示。

表1 EQ1050整車參數表

7 有限元分析

由于橫向穩定桿是對稱結構，所以只需取穩定桿的一半進行分析即可。將設計的橫向穩定桿的三維實體模型的一半導入CATIA分析與模擬模塊中，進行橫向穩定桿的有限元分析。穩定桿材料[2]為60Si2Mn，彈性模量為210GPa，泊松比為1/3，體積質量為7 800 kg/m3，單元網格尺寸為8 mm，絕對垂度為25 mm。由于橫向穩定桿具有彈性，所以在中性面上只需施加x，y，z方向的位移約束。在穩定桿的端部施加1 000 N的徑向力，橡膠襯套安裝處施加1 750 N的反向力，如圖6所示。

7.1 位移分析

橫向穩定桿在最大力Fmax=6 070 N的作用下，穩定桿的位移，如圖7所示。從圖7中可知：最大位移（fw'）為83.7 mm，與理論計算結果fw=81.336 mm相比較，相對偏差為：

7.2 應力分析

橫向穩定桿在Fmax=6 070 N作用下的Von Mises應力分布，如圖8所示。從圖8中可知，最大Von Mises應力 σn=1 070 MPa≤[σn]=2 884 MPa，發生在套管附近，此現象與事實相符。在汽車行駛過程中，該處所在截面為危險截面，易產生疲勞斷裂。分析結果與文獻[3]一致。

8 結論

文章在以往研究的基礎上，研究的汽車懸架橫向穩定桿參數化設計系統將CATIA的強大參數化建模功能和VB編程語言等先進技術融合在一起，實現了汽車懸架橫向穩定桿三維模型的自動生成，提高了汽車懸架橫向穩定桿的開發效率，降低了開發成本，減輕了設計研發人員的工作強度。此參數化設計方法，可應用于各類車型。可在此基礎上進行汽車懸架橫向穩定桿的優化設計和疲勞壽命分析。