汽車橫向穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)計(jì)算的最新進(jìn)展

王海寶

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車橫向穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)計(jì)算的最新進(jìn)展

王海寶

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章主要闡述了如何通過汽車橫向穩(wěn)定桿的熱處理控制要點(diǎn)，保證橫向穩(wěn)定桿的使用性能與可靠性，獲得良好的金相組織，從而提升橫向穩(wěn)定桿的疲勞壽命。

橫向穩(wěn)定桿；疲勞強(qiáng)度；剛度

前言

橫向穩(wěn)定桿，是汽車懸掛中的一種輔助彈性元件，它的作用是防止車身在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生過大的橫向側(cè)傾，目的是防止汽車橫向傾翻和改善平順性。 橫向穩(wěn)定桿是用彈簧鋼制成的扭桿彈簧，形狀呈“U”形，橫置在汽車的前端和后端。桿身的中部，用套筒與車架鉸接，桿的兩端分別固定在左右懸掛上，如圖1。

圖1 車輛的懸架系統(tǒng)

橫向穩(wěn)定桿通常固定在左右懸掛的下臂，車子在過彎時(shí)離心力會(huì)作用在車的滾動(dòng)中心造成車身的側(cè)傾，導(dǎo)致彎內(nèi)輪和彎外輪的懸掛拉伸和壓縮，造成防傾桿的桿伸扭轉(zhuǎn)，利用桿身被扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反彈力來抑制車身側(cè)傾。這里所說的『側(cè)傾』和所說車身的『滾動(dòng)』（Roll）是一樣的；所謂『滾動(dòng)』從車頭方向看去就如同把車子架在一根縱向從車頭穿過車尾的軸，然后做旋轉(zhuǎn)，當(dāng)然這種旋轉(zhuǎn)是小幅度的。

穩(wěn)定桿只有在起作用時(shí)才會(huì)使行路性變硬，不像硬的彈簧會(huì)全面的使行路性變硬。如果要完全靠彈簧來減少車身的側(cè)傾那可能需要非常硬的彈簧，更要用阻尼系數(shù)很高的避震器來抑制彈簧的彈跳，這樣一來我們就必須去承受硬的彈簧和避震器所造成諸如行路性、行經(jīng)不平路面時(shí)循跡性不良的后遺癥。

但是如果配合適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定桿不但可以減少側(cè)傾，更不必犧牲應(yīng)有的舒適性和循跡性。因此，穩(wěn)定桿和彈簧的搭配是達(dá)成行路性和操控性妥協(xié)的最可行方法。

1 橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在分析橫向穩(wěn)定桿對(duì)汽車操縱動(dòng)力學(xué)性能的影響時(shí)，都涉及到橫向穩(wěn)定桿“側(cè)傾角剛度”這一概念，大體說，當(dāng)車身側(cè)傾時(shí)，橫向穩(wěn)定桿就產(chǎn)生一彈性恢復(fù)力偶矩作用于車身，所以有人將穩(wěn)定桿的彈性恢復(fù)力偶矩與車身側(cè)傾角的關(guān)系曲線在側(cè)傾角為 0°處的斜率定義為橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度（下文中把穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度用Kφ表示）。

設(shè)計(jì)橫向穩(wěn)定桿的總的指導(dǎo)原則是：在保證穩(wěn)定桿疲勞強(qiáng)度的前提下，用最少的材料設(shè)計(jì)出Kφ最大的穩(wěn)定桿。因Kφ與穩(wěn)定桿截面主慣矩及材料的彈性模量成正比。由于穩(wěn)定桿截面極慣矩與其直徑的四次方成正比，所以增大桿的直徑可明顯提高其側(cè)傾角剛度，但桿的重量也增加較多?？紤]到各種鋼的彈性模量E相差很小，故E對(duì)Kφ的實(shí)際影響可忽略。實(shí)際上橫向穩(wěn)定桿的剛度主要是由其結(jié)構(gòu)和尺寸決定的，而穩(wěn)定桿的材料及制造工藝則對(duì)其疲勞性能有較大的影響。我們這里主要對(duì)穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)即它的形狀與尺寸的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

2 橫向穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)的一般方法

一般橫向穩(wěn)定桿材料為實(shí)心圓形截面，圖2 為其結(jié)構(gòu)示意圖。計(jì)算時(shí)，忽略橫向穩(wěn)定桿彎曲處過渡圓角和橡膠套筒彈性變形的影響，并認(rèn)為支承點(diǎn)位于圖2的B點(diǎn)和C點(diǎn)。

圖2 橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖設(shè)計(jì)時(shí)

通常都是在避開與車身（底盤）零件發(fā)生干涉的條件下改變材料的直徑d、兩端縱向部分的長(zhǎng)度a、穩(wěn)定桿中部長(zhǎng)度l以及中部與兩端縱向部分之間的夾角θ來改變穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度Kφ，當(dāng)然結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化肯定會(huì)改變穩(wěn)定桿的工作應(yīng)力的大小與分布，從而影響到疲勞強(qiáng)度。

有關(guān)研究[1]表明將穩(wěn)定桿縱向部分的長(zhǎng)度a與總長(zhǎng)度L( L=l+ 2a)的比值λ定義為新的結(jié)構(gòu)參數(shù)—長(zhǎng)度比。則穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度與λ的關(guān)系如圖3所示，得到橫向穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)的第一個(gè)要點(diǎn)，即增加橫向穩(wěn)定桿中部的長(zhǎng)度或減小兩側(cè)縱向部分的長(zhǎng)度可提高橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度。

夾角θ對(duì)側(cè)傾角剛度Kφ的影響則是存在一個(gè)最不利的穩(wěn)定桿夾角θm，當(dāng)穩(wěn)定桿夾角大于或小于θm時(shí)，Kφ都將增加,并且在大于θm時(shí)Kφ增加更快。（見圖3）由此可得到第二個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，即為了提高橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度，應(yīng)避免將穩(wěn)定桿夾角θ設(shè)計(jì)在最不利夾角θm附近，并且與減小穩(wěn)定桿夾角θ(θ<θm) 相比，增大穩(wěn)定桿夾角θ(θ>θm) 能更有效地提高穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度。

圖3 側(cè)傾角剛度與長(zhǎng)度比λ的關(guān)系

圖4 夾角θ對(duì)側(cè)傾角剛度 Kφ的影響

橫向穩(wěn)定桿彎曲處的曲率半徑R對(duì)穩(wěn)定桿的應(yīng)力和側(cè)傾角剛度都有一定的影響。增加R可以提高剛度Kφ，而通常穩(wěn)定桿的彎曲部分是工作應(yīng)力最大的部位，當(dāng)R較小時(shí)，最大工作應(yīng)力σmax隨R增加而減小,達(dá)到一定值后，R 增加時(shí)σmax也略有增加。因此，適當(dāng)選擇R既有利于提高穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度，又能降低其應(yīng)力。應(yīng)指出的是，增加穩(wěn)定桿彎曲處的曲率半徑使得穩(wěn)定桿的總長(zhǎng)度有所減少，這也有利于減輕其重量并節(jié)省材料。

3 橫向穩(wěn)定桿的最優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 一般設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

如前所述，汽車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)通常從避開與車身零件相干涉的觀點(diǎn)出發(fā)來確定形狀和尺寸，以車身搖擺的剛性為目的來決定穩(wěn)定桿材料的直徑，有時(shí)當(dāng)車身其它零件的設(shè)計(jì)已經(jīng)確定時(shí)，就會(huì)在一定程度上失去穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)的自由度，設(shè)計(jì)時(shí)難以進(jìn)行工作應(yīng)力的調(diào)整，往往容易發(fā)生可靠性的問題。

圖5 彎曲部形狀的三個(gè)參數(shù)

針對(duì)這類問題，可以從采用高強(qiáng)度材料或進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理的制造工藝措施來解決。另一方面，國(guó)外多在利用有限元計(jì)算的方法對(duì)發(fā)生最大應(yīng)力的部位即穩(wěn)定桿的彎曲部分特別是肩部的形狀和尺寸從降低應(yīng)力的理念出發(fā)來進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。如下面所述是近年來日本彈簧學(xué)會(huì)發(fā)表的論文[2]的兩種例子。

（1）經(jīng)有限元分析穩(wěn)定桿的彎曲部分應(yīng)力可以找到最合適的形狀，即改變圖5所示的彎曲部分的三個(gè)參數(shù)，可以改善穩(wěn)定桿的應(yīng)力分布，見圖6。

圖6 改變參數(shù)l1后的應(yīng)力分布

（2）彎曲部的多圓弧設(shè)計(jì)

如圖7所示，采用三個(gè)不同半徑的圓弧組成彎曲部的形狀，也可以達(dá)到降低穩(wěn)定桿的應(yīng)力峰值的效果，見圖8。

圖7 多圓弧彎曲形狀示意圖

圖8 多圓弧彎曲的應(yīng)力分布

3.2 穩(wěn)定桿的重量和應(yīng)力的最優(yōu)化設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)3對(duì)于圓截面材料的實(shí)心穩(wěn)定桿采用改變線徑的方法進(jìn)行了①重量最優(yōu)化（重量最小）、②最大正應(yīng)力的最優(yōu)化（峰值應(yīng)力最?。┖廷?最大剪應(yīng)力最優(yōu)化（峰值應(yīng)力最小)的研究。優(yōu)化后的效果見圖9。

圖9 橫向穩(wěn)定桿最優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果

4 小結(jié)

以上是汽車穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)方面的的一些問題與最近進(jìn)展的情況的介紹，因筆者的水平所限，恐有不妥之處，敬請(qǐng)批評(píng)指正。

[1] 廉保緒,丁能根.橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì).[J]洛陽工學(xué)院學(xué)報(bào)第21卷 第3期, 2000年9月.

[2] 酒井忠司,西沢真一.穩(wěn)定桿肩部形狀的優(yōu)化來提高耐久性.[C]日本彈簧學(xué)會(huì)論文集2011年.

[3] 西沢真一,池田麻衣子,酒井忠司.實(shí)心穩(wěn)定桿的線徑最優(yōu)化日本彈簧學(xué)會(huì)論文集[C]2012年.

The latest developments in the design of horizontal stabilizer bar

Wang Haibao
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract: This paper mainly discusses how to control points through the heat treatment of stabilizer bar, ensure performance and reliability of the stabilizer bar, obtain good metallurgical structure, so as to enhance the fatigue life of the stabilizer bar.

transverse stability; rod fatigue; strength stiffness

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-194-03

U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-194-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.065

王海寶，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。