某车型横向稳定杆强度与刚度研究

钟彬，何云峰

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西 柳州 545000）

前言

横向稳定杆是汽车悬架中一种辅助的弹性元件，可以防止汽车在转弯时车身发生过大侧倾，在制动时防止纵倾的作用，从而保证汽车具备好的操作稳定性和平顺性[1]。同时可以恰当调整前后悬架侧倾刚度比值来改善汽车的不足转向性能。横向稳定杆通常设计成U型结构，在实际设计中，为了避免与周围部件产生运动干涉，稳定杆要设计成非常复杂的结构，对于复杂几何体的稳定杆，传统稳定杆理论设计方法由于受到工艺、结构、模型简化的影响，与实际存在一定的误差，如何快速准确设计出满足使用要求的稳定杆是摆在工程师面前的难题，稳定杆在设计的过程中要同时考虑其刚度与强度要求，为了克服理论设计的缺陷，近来随着科学技术的发展，有限元技术在产品设计上的开发应用，为稳定杆的刚度与强度设计提供理论指导，稳定杆有限元模型建立的关键是如何处理橡胶衬套，宋健[2]等人考虑稳定杆橡胶衬套特性对稳定杆应力和变形的影响，利用单轴试验获得橡胶的应力-应变曲线，然后采用mooney模型作为橡胶本构模型，运用MSC.Marc软件分析了稳定杆的应力和变形；潘金坤[3]考虑将橡胶衬套当作约束支撑，运用abqus软件分析了稳定杆的应力；周宏钟[4]将稳定杆橡胶衬套看作具有六个有刚度的单元，将其应用在某车型的横向稳定杆系统分析中。综上所述，稳定杆有限元模型主要演变成三种类型，Ⅰ类在分析过程中不考虑橡胶衬套的刚度，将橡胶衬套考虑成约束支撑，在稳定杆两端添加载荷，Ⅱ类考虑橡胶衬套特性的影响，在稳定杆模型中添加橡胶本构模型，依照橡胶衬套与稳定杆的配合类型分为滑动式衬套和抱紧式衬套，滑动式衬套与稳定杆是非绑定状态，稳定杆工作时会产生相对的滑动接触，抱紧式衬套与稳定杆是绑定状态，衬套随稳定杆一起工作，Ⅲ类将橡胶衬套看作具有六个有刚度的单元，衬套与稳定杆是绑定状态，本文稳定杆安装衬套采用的是抱紧式衬套，为了方便稳定杆有限元模型的计算，将衬套看作具有六个方向变刚度的单元，通过测试获得衬套六个方向的刚度。文中针对某汽车的前横向稳定杆的的强度与刚度进行分析。

1 有限元分析

1.1 有限元模型的建立

在UG中创建稳定杆的几何模型，并将模型导入有限元软件hypermesh进行几何清理、网格划分和赋材料属性，考虑有限元的计算精度，稳定杆采用六面体网格的单元类型进行网格划分，有限元模型如图 1，稳定杆材料使用的是弹簧钢，弹性模量为2.06X105，泊松比为0.3。

1.2 稳定杆约束条件与载荷的确定

约束条件和加载是取决于有限元计算结果准确性的关键因素，稳定杆通过橡胶衬套与车身（副车架）连接，其两端通过连杆与悬架连接，当悬架做侧倾运动时，稳定杆发生扭转，一端向上运动，另一端向下运动，当悬架运动到极限状态时，稳定杆达到最大工作极限，根据上述稳定杆的安装方式和运动形式的描述，将稳定杆与橡胶衬套的配合关系假设为过盈配合，并通过衬套单元（bushing）连接稳定杆与车身（副车架），约束衬套单元接地端的六个方向的自由度，悬架在反向轮跳时，在稳定杆的两端要产生Z向的位移载荷，将该载荷作为校核稳定杆强度的工况。

1.3 稳定杆的强度分析

定义好求解稳定杆强度的约束和载荷后，即可以进行强度分析，如图2稳定杆的最大主应力位于稳定杆衬套安装的位置，大小为366.5MPa，远小于稳定杆所采用材料55Cr3的屈服强度1080MPa，说明该稳定杆的强度满足设计要求。

图2 稳定杆的应力云图

1.4 稳定杆的刚度分析

稳定杆不仅要具备足够的强度同时要有适量的刚度，才能保证汽车具有良好的行驶平顺性和操作稳定性，稳定杆的刚度过低，汽车转弯时会产生很大的侧倾角，乘员缺乏舒适感和安全感，稳定杆的刚度过高，会减弱驾驶员的路感。

分析稳定杆刚度同样采用有限元计算，忽略橡胶衬套变形的影响，将稳定杆安装位置定义为球铰连接，稳定杆一端加六个方向的固定约束，另一端加位移载荷，稳定杆刚度是通过获得位移载荷方向的支反力和位移载荷的拟合关系得到的. 如表1为某稳定杆刚度的计算结果，如果计算出来的线刚度无法满足设计的要求，就要修改稳定杆的线径或是调整稳定杆的结构来满足强度与刚度上的设计。

表1 稳定杆刚度

2 结论

本文通过有限元的方法对稳定杆的强度和刚度计算方法进行了研究，可以有效提高产品工程师的工作效率，同时也可以缩短稳定杆开发周期，降低产品的开发成本，为企业同类产品的开发提供理论指导作用。

[1] 金银花等. 客车横向稳定杆的设计与匹配[J].客车技术,2013：13-16.

[2] 宋键.带橡胶套的稳定杆有限元分析[J]汽车工程,2005：592-595.

[3] 潘金坤.大客车横向稳定杆的虚拟疲劳分析[J]制造业自动化,2011：145-147.

[4]] 周宏钟.基于有限元的某车型稳定杆支架轻量化分析[J]上海汽车,2015：22-25.