汽車懸架橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)化設(shè)計(jì)*

王靖岳 歐陽(yáng)純 梁洪明

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院；2.鄭州宇通客車股份有限公司；3.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心沈陽(yáng)分中心）

橫向穩(wěn)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(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生過(guò)大的橫向側(cè)傾，盡量使車身保持平衡，通過(guò)減小車身的橫向傾斜和橫向角振動(dòng)，從而改善舒適平順性。如何快速、便捷與正確地設(shè)計(jì)滿足不同車型的橫向穩(wěn)定桿，是擺在工程師面前一個(gè)棘手的問(wèn)題。在對(duì)汽車懸架橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行研究論證的基礎(chǔ)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(wěn)定桿設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)化設(shè)計(jì)，為穩(wěn)定桿的參數(shù)化設(shè)計(jì)探索有效途徑。

1 橫向穩(wěn)定桿等效模型

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

橡膠襯套結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2中，D為橡膠襯套外直徑；d為橫向穩(wěn)定桿直徑；lx為橡膠襯套長(zhǎng)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(wěn)定桿幾何尺寸關(guān)系式

由于橫向穩(wěn)定桿要根據(jù)車架及驅(qū)動(dòng)橋的具體結(jié)構(gòu)安裝，所以橫向穩(wěn)定桿的尺寸 R，θ，l，lc，l0要根據(jù)車型結(jié)構(gòu)確定，根據(jù)這5個(gè)參數(shù)則能推導(dǎo)出其他參數(shù)：

3 橫向穩(wěn)定桿受力變形產(chǎn)生的端點(diǎn)位移

根據(jù)文獻(xiàn)[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(shí)心圓軸Ip

4 橡膠襯套變形產(chǎn)生的穩(wěn)定桿端點(diǎn)位移

根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知：

式中：kre——橡膠襯套在穩(wěn)定桿端點(diǎn)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(yīng)力校核

5.1 匹配線剛度校核

汽車橫向穩(wěn)定桿實(shí)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(jù)kr值在文獻(xiàn)[1]的表7-2中選取，N/m。

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

5.2 應(yīng)力校核

橡膠襯套作用處的橫截面產(chǎn)生最大剪應(yīng)力，橫向穩(wěn)定桿的最大剪應(yīng)力（τ/MPa）不應(yīng)超過(guò)其[τ]，[τ]=800 MPa，即：

Fmax——穩(wěn)定桿端點(diǎn)所受最大力，F(xiàn)max=kwlefd，N；

fd——懸架動(dòng)撓度，m。

橫向穩(wěn)定桿的最大彎曲應(yīng)力（σ/MPa）不應(yīng)超過(guò)其[σ]，[σ]=2 400 MPa，即：

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

6 建立可視化窗口

通過(guò)建立Visual Basic可視化窗口，建立只含有由于車型車架和驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)所限而已定的橫向穩(wěn)定桿參數(shù) l，lc，l0，R，θ，d 的簡(jiǎn)化窗口，在窗口中顯示所求的 d以及kr，并根據(jù)計(jì)算得到的kr，再?gòu)奈墨I(xiàn)[1]的表7-2中選取剛度相近的標(biāo)準(zhǔn)化的橡膠襯套。在相應(yīng)文本框中輸入選取的kr'，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，即可得到在以上參數(shù)下的f和kwle，剛度校核結(jié)果以及應(yīng)力校核結(jié)果。根據(jù)校核結(jié)果是否滿足要求再對(duì)橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行優(yōu)化，選取更加合理的d值。此窗口大大簡(jiǎn)化了表格中繁多的數(shù)據(jù)，降低了人的操作和觀看疲勞，如圖3所示。通過(guò)Visual Basic與Excel相關(guān)聯(lián)的運(yùn)算，得出優(yōu)化后的符合使用要求的橫向穩(wěn)定桿的相關(guān)參數(shù)值，橫向穩(wěn)定桿參數(shù)Excel計(jì)算表格，如圖4所示。使用CATIA軟件建立穩(wěn)定桿的三維模型。根據(jù)EQ1050整車參數(shù)，如表1所示，進(jìn)行參數(shù)化的三維模型設(shè)計(jì)，如圖5所示。

表1 EQ1050整車參數(shù)表

7 有限元分析

由于橫向穩(wěn)定桿是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以只需取穩(wěn)定桿的一半進(jìn)行分析即可。將設(shè)計(jì)的橫向穩(wěn)定桿的三維實(shí)體模型的一半導(dǎo)入CATIA分析與模擬模塊中，進(jìn)行橫向穩(wěn)定桿的有限元分析。穩(wěn)定桿材料[2]為60Si2Mn，彈性模量為210GPa，泊松比為1/3，體積質(zhì)量為7 800 kg/m3，單元網(wǎng)格尺寸為8 mm，絕對(duì)垂度為25 mm。由于橫向穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定桿在最大力Fmax=6 070 N的作用下，穩(wěn)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(jì)算結(jié)果fw=81.336 mm相比較，相對(duì)偏差為：

7.2 應(yīng)力分析

橫向穩(wěn)定桿在Fmax=6 070 N作用下的Von Mises應(yīng)力分布，如圖8所示。從圖8中可知，最大Von Mises應(yīng)力 σn=1 070 MPa≤[σn]=2 884 MPa，發(fā)生在套管附近，此現(xiàn)象與事實(shí)相符。在汽車行駛過(guò)程中，該處所在截面為危險(xiǎn)截面，易產(chǎn)生疲勞斷裂。分析結(jié)果與文獻(xiàn)[3]一致。

8 結(jié)論

文章在以往研究的基礎(chǔ)上，研究的汽車懸架橫向穩(wěn)定桿參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)將CATIA的強(qiáng)大參數(shù)化建模功能和VB編程語(yǔ)言等先進(jìn)技術(shù)融合在一起，實(shí)現(xiàn)了汽車懸架橫向穩(wěn)定桿三維模型的自動(dòng)生成，提高了汽車懸架橫向穩(wěn)定桿的開發(fā)效率，降低了開發(fā)成本，減輕了設(shè)計(jì)研發(fā)人員的工作強(qiáng)度。此參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，可應(yīng)用于各類車型?？稍诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行汽車懸架橫向穩(wěn)定桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)和疲勞壽命分析。