空心穩定桿結構設計與性能研究

林少輝　姜子敬　楊文葉　楊磊　李振興　郭秋彥

摘 要：穩定桿是懸架系統中的重要零件，直接影響汽車的行駛平順性、操縱穩定性和安全性能。基于整車各系統輕量化的需求，本文以某車型實心穩定桿為研究基準，應用空心管材代替實心材料設計了一種空心結構的穩定桿，介紹了空心結構穩定桿的設計開發思路，分析空心結構的外觀尺寸、剛度、強度和疲勞性能。研究結果表明，通過合理的內外徑和壁厚設計，空心結構穩定桿可滿足實心結構同等的使用性能需求，同時可實現23%的輕量化。

關鍵詞：空心穩定桿 結構設計 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

隨著汽車工業的飛速發展，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，也是客戶重點關注的性能指標。為改善汽車行駛平順性，懸架的垂向剛度設計通常比較低；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計較低，會使得汽車的側傾角剛度值也較低，當汽車轉彎時會產生很大的車身側傾角，影響行駛穩定性。[1]因此，為了提升汽車的操縱穩定性、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中設計連接左、右懸架的穩定桿。[2]穩定桿被廣泛應用于獨立懸架，其功能是防止汽車在轉彎或汽車左、右輪受到不同載荷時發生過大橫向側傾，是保持汽車平衡的懸架系統關鍵零件。[3]

目前，在乘用車上大量應用的還是實心穩定桿，直徑多處于20mm～30mm范圍內，質量約為4kg～8kg。穩定桿的發揮作用的過程中主要為扭轉變形，橫桿中心部位的貢獻作用極小。近年來，隨著整車輕量化設計的要求越來越高，應用管材代替實心材料設計制造穩定桿成為整車廠和供應商加大研發投入的方向。空心穩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20%～45%的輕量化效果，這對車輛底盤的輕量化設計和簧下質量降低具有重大意義。[4]

由于空心穩定桿的材料、直徑尺寸均與實心穩定桿不同，各尺寸參數的選擇需要考慮對穩定桿側傾剛度的影響，同時根據整車布置空間進行調整。本文介紹了空心穩定桿設計開發的思路流程，設計開發了滿足車輛使用要求的產品，并且針對空心穩定桿的材料選型、結構設計和性能分析進行深入研究。

2 空心穩定桿設計思路

圖1為空心穩定桿的設計思路流程，首先基于實心穩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，下一步根據減重率計算穩定桿的尺寸參數，建立空心穩定桿的有限元模型，分析性能是否滿足需求，如不滿足進行下一輪的尺寸參數優化設計。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，然后進行穩定桿的壁厚設計，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化穩定桿外形之村進行下一輪仿真分析。

3 空心穩定桿結構設計

3.1 邊界和載荷定義

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

3.2 穩定桿管徑尺寸確定

針對穩定桿，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計要求。基于此，實心桿的直徑記為d0，而空心桿的內徑、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關系如下：

（１）

（２）

（３）

空心穩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%，空心穩定桿的外徑為大于實心穩定桿的3.16%，壁厚率為0.207；當重量減輕50%時，空心穩定桿的外徑為大于實心穩定桿的11.8%，壁厚率為0.113；本次分析以某車型的實心穩定桿為研究對象，穩定桿直徑為27mm，由于此穩定桿折彎角度趨近于90°，且強度分析結果顯示，實心結構時應力水平已達到586MPa。考慮到后期的成型、強度及疲勞性能，在不改變穩定桿軸線設計的情況下，初步設定穩定桿由實心改為空心結構的重量減輕率定義為25%，由此根據計算，得到空心穩定桿的設計參數如表1所示。根據計算結果，考慮到空間布置要求、等剛度換算等因素，初步選定空心穩定桿外徑為27.5。計算的穩定桿內徑為14mm，重量減輕率為23%，接近目標，可以接受。

4 空心穩定桿性能研究

4.1 剛度分析

由圖6（a）分析結果可以計算得實心穩定桿的線剛度為53.42N/mm，圖6（b）空心穩定桿的線剛度為53.16N/mm。空心結構線剛度比實心結構小0.5%，近似相等。因此，空心結構穩定桿合適的外徑和內徑尺寸設計可以保障其剛度與實心穩定桿性能一致，滿足穩定桿的實際使用剛度工況。

4.2 強度分析

圖7（a）實心穩定桿在強度工況下應力分析結果顯示其最大應力值為586MPa，圖7（b）顯示空心結構穩定桿在此工況下的最大應力值為656MPa，比實心結構上升了70MPa，兩中最大應力值出現的位置一致。研究表明，空心穩定桿實際應用的強度工況下應力最大值相比于實心結構會上升，但出現最大應力值的位置一致，因此在設計實心穩定桿轉換為空心結構時要確保其結構的應用最大值不超過材料強度，針對空心穩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）空心結構穩定桿在耐久工況下的壽命為0.271萬次。空心結構穩定桿的疲勞壽命相比于實心穩定桿的疲勞耐久性能急劇下降，因此，在進行穩定桿由實心結構更改為空心結構時其耐久疲勞性能需重點關注，在設計時需進行局部的結構調整，以提升整體的耐久性能。

5 結論

本文以某車型的實心穩定桿為研究對象，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、尺寸設計和強度分析結果如表2。

研究表明通過合理的內外徑和壁厚設計，可實現穩定桿空心結構與實心結構的線剛度保持不變。穩定桿更改為空心結構以后，應力隨減輕率和外徑的增大而增大，穩定桿的疲勞耐久性能急劇下降，建議對空心穩定桿增加噴丸等熱處理工藝，以增加抗疲勞性能。此外，在進行空心穩定桿的結構設計時需考慮穩定桿與副車架、轉向系統和制動軟管等的間隙問題。

參考文獻：

[1]王曉蓮，張學博. 尺寸參數對橫向穩定桿側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. 空心穩定桿的優化設計[J].汽車實用技術，2018，3：106-109.

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