汽车悬架横向稳定杆的参数化设计*

王靖岳 欧阳纯 梁洪明

（1.沈阳理工大学汽车与交通学院；2.郑州宇通客车股份有限公司；3.中国质量认证中心沈阳分中心）

横向稳定杆是汽车悬架中的一种辅助弹性元件，其作用是防止车身在转弯时发生过大的横向侧倾，尽量使车身保持平衡，通过减小车身的横向倾斜和横向角振动，从而改善舒适平顺性。如何快速、便捷与正确地设计满足不同车型的横向稳定杆，是摆在工程师面前一个棘手的问题。在对汽车悬架横向稳定杆进行研究论证的基础上，文章基于Visual Basic可视化编程和CATIA软件，以某型货车前悬横向稳定杆设计为例，进行横向稳定杆的参数化设计，为稳定杆的参数化设计探索有效途径。

1 横向稳定杆等效模型

最常用的横向稳定杆的结构，如图1所示。可把横向稳定杆和橡胶衬套等效为串联的线性弹簧。图1中，lc为横向稳定杆总跨度；l0为横向稳定杆橡胶衬套的安装总跨度；lT为横向稳定杆中间直线BB'的长度；l为横向稳定杆纵向总宽度；l1为横向稳定杆端部直径长度；l2为横向稳定杆中间直线段的端点到橡胶衬套的长度；l3为横向稳定杆外端点到中间直线段端点的距离；θ为横向稳定杆端部圆弧角度；R为横向稳定杆端部圆弧半径。在整个横向稳定杆两端施加彼此相反且垂直于稳定杆平面的力F，由于横向稳定杆变形产生的端点位移为fw，橡胶衬套变形而产生的横向稳定杆端点位移为fx，则在横向稳定杆端点产生的总位移为：f=fw+fx。

橡胶衬套结构，如图2所示。图2中，D为橡胶衬套外直径；d为横向稳定杆直径；lx为橡胶衬套长度。橡胶衬套厚度为12 mm；橡胶材料的泊松比为0.5，弹性模量为7.8 MPa。

2 稳定杆几何尺寸关系式

由于横向稳定杆要根据车架及驱动桥的具体结构安装，所以横向稳定杆的尺寸 R，θ，l，lc，l0要根据车型结构确定，根据这5个参数则能推导出其他参数：

3 横向稳定杆受力变形产生的端点位移

根据文献[1]可知：

Dd——截面圆直径，m；

μ——泊松比，μ=1/3；

IP——截面极惯性矩，实心圆轴Ip

4 橡胶衬套变形产生的稳定杆端点位移

根据文献[1]可知：

式中：kre——橡胶衬套在稳定杆端点处的等效线刚度，N/m；

kr——橡胶衬套径向刚度，N/m。

5 刚度校核及应力校核

5.1 匹配线刚度校核

汽车横向稳定杆实际使用线刚度（kwle/（N/m））为：

式中：kr'——橡胶衬套径向刚度近似值，可根据kr值在文献[1]的表7-2中选取，N/m。

如果最佳线刚度[kwle]与kwle的相对误差η≤2%，kwle能满足使用性能要求[2]，即：

5.2 应力校核

橡胶衬套作用处的横截面产生最大剪应力，横向稳定杆的最大剪应力（τ/MPa）不应超过其[τ]，[τ]=800 MPa，即：

Fmax——稳定杆端点所受最大力，Fmax=kwlefd，N；

fd——悬架动挠度，m。

横向稳定杆的最大弯曲应力（σ/MPa）不应超过其[σ]，[σ]=2 400 MPa，即：

橡胶衬套作用处横截面的合成应力（σn/MPa）不应超过其[σn]，[σn]=2 884 MPa，即：

6 建立可视化窗口

通过建立Visual Basic可视化窗口，建立只含有由于车型车架和驱动桥结构所限而已定的横向稳定杆参数 l，lc，l0，R，θ，d 的简化窗口，在窗口中显示所求的 d以及kr，并根据计算得到的kr，再从文献[1]的表7-2中选取刚度相近的标准化的橡胶衬套。在相应文本框中输入选取的kr'，点击计算按钮，即可得到在以上参数下的f和kwle，刚度校核结果以及应力校核结果。根据校核结果是否满足要求再对横向稳定杆进行优化，选取更加合理的d值。此窗口大大简化了表格中繁多的数据，降低了人的操作和观看疲劳，如图3所示。通过Visual Basic与Excel相关联的运算，得出优化后的符合使用要求的横向稳定杆的相关参数值，横向稳定杆参数Excel计算表格，如图4所示。使用CATIA软件建立稳定杆的三维模型。根据EQ1050整车参数，如表1所示，进行参数化的三维模型设计，如图5所示。

表1 EQ1050整车参数表

7 有限元分析

由于横向稳定杆是对称结构，所以只需取稳定杆的一半进行分析即可。将设计的横向稳定杆的三维实体模型的一半导入CATIA分析与模拟模块中，进行横向稳定杆的有限元分析。稳定杆材料[2]为60Si2Mn，弹性模量为210GPa，泊松比为1/3，体积质量为7 800 kg/m3，单元网格尺寸为8 mm，绝对垂度为25 mm。由于横向稳定杆具有弹性，所以在中性面上只需施加x，y，z方向的位移约束。在稳定杆的端部施加1 000 N的径向力，橡胶衬套安装处施加1 750 N的反向力，如图6所示。

7.1 位移分析

横向稳定杆在最大力Fmax=6 070 N的作用下，稳定杆的位移，如图7所示。从图7中可知：最大位移（fw'）为83.7 mm，与理论计算结果fw=81.336 mm相比较，相对偏差为：

7.2 应力分析

横向稳定杆在Fmax=6 070 N作用下的Von Mises应力分布，如图8所示。从图8中可知，最大Von Mises应力 σn=1 070 MPa≤[σn]=2 884 MPa，发生在套管附近，此现象与事实相符。在汽车行驶过程中，该处所在截面为危险截面，易产生疲劳断裂。分析结果与文献[3]一致。

8 结论

文章在以往研究的基础上，研究的汽车悬架横向稳定杆参数化设计系统将CATIA的强大参数化建模功能和VB编程语言等先进技术融合在一起，实现了汽车悬架横向稳定杆三维模型的自动生成，提高了汽车悬架横向稳定杆的开发效率，降低了开发成本，减轻了设计研发人员的工作强度。此参数化设计方法，可应用于各类车型。可在此基础上进行汽车悬架横向稳定杆的优化设计和疲劳寿命分析。