車輛橫向穩定桿總成性能分析與設計

劉艷菊

摘 要：車輛的橫向穩定桿對車身的側傾控制起很大的作用，一個好的穩定桿設計，能最大程度的發揮它的效能、減輕它的重量及成本。本論文基于ADAMS軟件，采用廣義非線形梁模型，通過分析穩定桿總成對懸架垂直剛度的貢獻，來研究影響橫向穩定桿性能的各種因素極其影響程度，從而達到指導穩定桿最優化設計的目的。

關鍵詞：橫向穩定桿 非線形梁模型 懸架 優化設計 垂直剛度

Performance Analysis and Design of Vehicle Transverse Stabilizer Bar Assembly

Liu Yanju

Abstract：The vehicle's lateral stabilizer bar plays a very important role in the roll control of the body. A good stabilizer bar design can maximize its effectiveness and reduce its weight and cost. This thesis is based on ADAMS software and uses a generalized nonlinear beam model. By analyzing the contribution of the stabilizer bar assembly to the vertical stiffness of the suspension， various factors that affect the performance of the stabilizer bar and the degree of influence are studied， so as to guide the optimal design of the stabilizer bar the goal of.

Key words： transverse stabilizer bar， non-linear beam model， suspension， optimal design， vertical stiffness

1 緒論

穩定桿的主要作用，一是用來增加懸架側傾角剛度，減小整車側傾角度，改善車輛的側向穩定性，增加乘員安全感;二是匹配前后懸架側傾剛度的比值，調整車輛的轉向特性;此外，在有些懸架系統中，橫向穩定桿還兼起部分導向桿系的作用。懸架垂直剛度與懸架側傾角剛度之間的關系：車身垂直運動時，受到的彈性恢復力即為懸架垂直剛度K（輪心處剛度）產生的彈性力。假設車身發生小的側傾角dФ，車輪輪距為T，則懸架彈性變形為±TdФ，因此車身受到的彈性恢復力矩為

可見，已知懸架垂直剛度和輪距的情況下，很容易得出懸架的側傾角剛度。在穩定桿布置設計之前，輪距往往已經給定，兩邊車輪反跳時懸架垂直剛度的大小可以直接用來衡量懸架側傾角剛度。因此，本輪文采用懸架垂直剛度的分析來代替懸架側傾角剛度的分析。

2 穩定桿總成性能影響因素

我們知道，當兩邊車輪沒有出現相對位移時，穩定桿不發生作用。所以我們采用懸架系統平跳工況和反跳工況，通過更改穩定桿總成設計的各種因素，對懸架系統垂直剛度進行比較，找出影響穩定桿性能的各種因素。

2.1 穩定桿襯套布置位置

穩定桿襯套位置，指穩定桿與副車架或車身連接點的位置，它們之間一般通過兩個橡膠襯套相連，便于隔音降噪。如下分析通過改變穩定桿襯套在Y方向上的位置，分析懸架垂直剛度的變化趨勢。綜合對比如表（1）。

工況介紹：

平跳工況P：車輪平行跳動，穩定桿不起作用

反跳工況1：左橡膠襯套中心位置為（2494.407，-511.945，7.78）

反跳工況2：左橡膠襯套中心位置為（2494.407，-411.945，7.78）

反跳工況2中的穩定桿襯套間距比反跳工況1小200mm，其他條件一致。

分析結果顯示，穩定桿橡膠襯套在Y方向上的布置位置變化導致懸架垂直剛度的變化，隨著穩定桿襯套跨距的增加，穩定桿對懸架垂直剛度的貢獻值增加。

2.2 穩定桿襯套剛度特性的影響

一個穩定桿襯套包括三個線剛度和三個扭轉剛度，這些穩定桿的襯套特性是否會影響穩定桿總成的性能。如下通過分別改變橡膠襯套徑向剛度和扭轉剛度的大小，分析懸架垂直剛度的變化。

襯套徑向剛度更改工況介紹：

平跳工況P：X向剛度為4000N/mm，Y向剛度為4000N/mm，扭轉剛度40N.m/°;

反跳工況1：X向剛度為4000N/mm，Y向剛度為4000N/mm，扭轉剛度40N.m/°;

反跳工況2：X向剛度為2000N/mm，Y向剛度為2000N/mm扭轉剛度40N.m/°;

平跳工況P和反跳工況1條件相同;反跳工況2 X Y向的線剛度是反跳工況1的一半，扭轉剛度相同。分析結果如表2：

結果分析顯示，隨著橡膠襯套徑向剛度的降低，懸架垂直剛度也稍微降低，穩定桿貢獻值降低。

襯套扭轉剛度工況介紹：

平跳工況P：X向線剛度為4000N/mm，Y向剛度為4000N/mm，扭轉剛度40N.m/°;

反跳工況1：X向線剛度為4000N/mm，Y向剛度為4000N/mm，扭轉剛度40N.m/°;

反跳工況2：X向線剛度為4000N/mm，Y向剛度為4000N/mm，扭轉剛度20N.m/°;

平跳工況P和反跳工況1條件相同;反跳工況1扭轉剛度是反跳工況2的兩倍。

分析結果如表3表示：

分析結果顯示，隨著襯套扭轉剛度的降低，懸架垂直剛度也稍微降低，穩定桿貢獻的懸架垂直剛度降低。

2.3 穩定桿直徑的影響

在穩定桿的布置以及結構走向已經定型的情況下，通過改變穩定桿的直徑來改變懸架的側傾角剛度是最常用的方法。穩定桿直徑的影響有多大？分析如下：

工況介紹：

工況P：平行跳動，穩定桿半徑R=8mm;

工況2：反向跳動，穩定桿半徑R=8mm;

工況3：反向跳動，穩定桿半徑R=9mm;

工況4：反向跳動，穩定桿半徑R=10mm;

分析結果如表4：

分析結果顯示，在結構已經定型的情況下，穩定桿直徑的變化對懸架垂直剛度的變化影響很大，隨著穩定桿直徑的增加，懸架垂直剛度增加，而且增加幅度很大。

2.4 穩定桿扭臂長度的影響（連接桿連接點到橫梁的垂直距離）

穩定桿對懸架垂直剛度的貢獻分為兩部分，一是穩定桿的彎曲剛度，二是穩定桿的扭轉剛度，而穩定桿扭臂的長度影響穩定桿的扭轉剛度，如下分析穩定桿扭臂長度的變化對懸架垂直剛度的影響。

工況對比：

工況P：平行跳動，穩定桿半徑R=8mm;

工況1：反向跳動，穩定桿半徑以及扭臂長度均與平跳工況相同;

工況2：反向跳動，穩定桿半徑R=8mm，扭臂長度比工況2減短150mm。

分析結果如表5：

分析結果顯示，在其他條件不變的前提下，穩定桿扭臂的長度對懸架垂直剛度變化影響很大，扭臂長度越短，懸架垂直剛度越大。

2.5 穩定桿連接桿位置布置的影響

一般情況下，穩定桿通過穩定桿連接桿（兩端球頭）或橡膠襯套與其他零部件相連，穩定桿連接桿/穩定桿端頭位置的布置直接影響穩定桿的效能。不同的位置布置穩定桿產生不同的效果。為衡量連接桿布置位置的影響，我們采用穩定桿杠桿比λ來表示，即穩定桿端頭位移與輪心位移的比值。關于杠桿比的影響，我們可以通過如下工況分析表明：

工況P：平行跳動，穩定桿不起作用;

工況2：反向跳動，讓穩定桿起作用，其余條件與工況P相同;

工況3：將穩定桿前移200mm，降低穩定桿的杠桿比

分析結果如表6：

分析結果顯示，隨著穩定桿杠桿比的減小，穩定桿對懸架垂直剛度的變化也減小，杠桿比越小，懸架垂直剛度越小。

3 結論

綜合如上分析結果，穩定桿的性能設計，及穩定桿對懸架垂直剛度的貢獻因素主要來自三個方面：一是穩定桿本身的結構;二是穩定桿在系統中的布置，包括穩定桿連接桿位置的布置及穩定桿橡膠襯套位置的布置;三是穩定桿橡膠襯套特性。

從穩定桿本身結構上看：

A）減短穩定桿扭臂（安裝點到穩定桿橫梁的垂直距離）的長度，可以大大提高穩定桿本身的剛度，從而有效提高懸架系統側傾角剛度。并且能夠降低穩定桿本身質量，減少成本;

B）增加穩定桿半徑，可以極大提高懸架系統垂直剛度。但是增大半徑的同時極大增加穩定桿本身的質量，造成成本的增加;

從穩定桿布置上來看：

A）增加穩定桿的杠桿比，可以有效提供懸架垂直剛度。因此在布置穩定桿時，穩定桿連接桿盡量連在轉向節上，并在輪心位置附近;

B）增加穩定桿橡膠襯套的的跨距，可以提高懸架垂直剛度;

從穩定桿總成附件來說，改變穩定桿橡膠襯套特性，可以改變懸架垂直剛度。

因此，在設計穩定桿時，要想得到最優的穩定桿，應優先從布置上考慮：在空間允許的條件下，穩定桿連接桿最好連在轉向節上，位置盡量靠近輪心，使得穩定桿的杠桿比最大;盡量減短穩定桿的扭臂;穩定桿橡膠襯套的夸距盡量大，最后才考慮穩定桿直徑的大小。這樣的設計，才是穩定桿的最優化設計。

參考文獻：

[1]劉唯信主編.汽車設計.清華大學出版社.2001年.

[2]余志生主編.汽車理論.機械工業出版社.2002年.

[3]Tire，Suspension and Handling/John C.Dixon—2nd ed.

[4]Fundamentals of Vehicle Dynamics/Thomas D.Gillespie.

[5]劉鴻文主編.材料力學.高等教育出版社.