车辆横向稳定杆总成性能分析与设计

2020-03-02刘艳菊

时代汽车 2020年18期

刘艳菊

摘要：车辆的横向稳定杆对车身的侧倾控制起很大的作用，一个好的稳定杆设计，能最大程度的发挥它的效能、减轻它的重量及成本。本论文基于ADAMS软件，采用广义非线形梁模型，通过分析稳定杆总成对悬架垂直刚度的贡献，来研究影响横向稳定杆性能的各种因素极其影响程度，从而达到指导稳定杆最优化设计的目的。

关键词：横向稳定杆非线形梁模型悬架优化设计垂直刚度

Performance Analysis and Design of Vehicle Transverse Stabilizer Bar Assembly

Liu Yanju

Abstract：The vehicle's lateral stabilizer bar plays a very important role in the roll control of the body. A good stabilizer bar design can maximize its effectiveness and reduce its weight and cost. This thesis is based on ADAMS software and uses a generalized nonlinear beam model. By analyzing the contribution of the stabilizer bar assembly to the vertical stiffness of the suspension， various factors that affect the performance of the stabilizer bar and the degree of influence are studied， so as to guide the optimal design of the stabilizer bar the goal of.

Key words： transverse stabilizer bar， non-linear beam model， suspension， optimal design， vertical stiffness

1 緒论

稳定杆的主要作用，一是用来增加悬架侧倾角刚度，减小整车侧倾角度，改善车辆的侧向稳定性，增加乘员安全感;二是匹配前后悬架侧倾刚度的比值，调整车辆的转向特性;此外，在有些悬架系统中，横向稳定杆还兼起部分导向杆系的作用。悬架垂直刚度与悬架侧倾角刚度之间的关系：车身垂直运动时，受到的弹性恢复力即为悬架垂直刚度K（轮心处刚度）产生的弹性力。假设车身发生小的侧倾角dФ，车轮轮距为T，则悬架弹性变形为±TdФ，因此车身受到的弹性恢复力矩为

可见，已知悬架垂直刚度和轮距的情况下，很容易得出悬架的侧倾角刚度。在稳定杆布置设计之前，轮距往往已经给定，两边车轮反跳时悬架垂直刚度的大小可以直接用来衡量悬架侧倾角刚度。因此，本轮文采用悬架垂直刚度的分析来代替悬架侧倾角刚度的分析。

2 稳定杆总成性能影响因素

我们知道，当两边车轮没有出现相对位移时，稳定杆不发生作用。所以我们采用悬架系统平跳工况和反跳工况，通过更改稳定杆总成设计的各种因素，对悬架系统垂直刚度进行比较，找出影响稳定杆性能的各种因素。

2.1 稳定杆衬套布置位置

稳定杆衬套位置，指稳定杆与副车架或车身连接点的位置，它们之间一般通过两个橡胶衬套相连，便于隔音降噪。如下分析通过改变稳定杆衬套在Y方向上的位置，分析悬架垂直刚度的变化趋势。综合对比如表（1）。

工况介绍：

平跳工况P：车轮平行跳动，稳定杆不起作用

反跳工况1：左橡胶衬套中心位置为（2494.407，-511.945，7.78）

反跳工况2：左橡胶衬套中心位置为（2494.407，-411.945，7.78）

反跳工况2中的稳定杆衬套间距比反跳工况1小200mm，其他条件一致。

分析结果显示，稳定杆橡胶衬套在Y方向上的布置位置变化导致悬架垂直刚度的变化，随着稳定杆衬套跨距的增加，稳定杆对悬架垂直刚度的贡献值增加。

2.2 稳定杆衬套刚度特性的影响

一个稳定杆衬套包括三个线刚度和三个扭转刚度，这些稳定杆的衬套特性是否会影响稳定杆总成的性能。如下通过分别改变橡胶衬套径向刚度和扭转刚度的大小，分析悬架垂直刚度的变化。

衬套径向刚度更改工况介绍：

平跳工况P：X向刚度为4000N/mm，Y向刚度为4000N/mm，扭转刚度40N.m/°;

反跳工况1：X向刚度为4000N/mm，Y向刚度为4000N/mm，扭转刚度40N.m/°;

反跳工况2：X向刚度为2000N/mm，Y向刚度为2000N/mm扭转刚度40N.m/°;

平跳工况P和反跳工况1条件相同;反跳工况2 X Y向的线刚度是反跳工况1的一半，扭转刚度相同。分析结果如表2：

结果分析显示，随着橡胶衬套径向刚度的降低，悬架垂直刚度也稍微降低，稳定杆贡献值降低。

衬套扭转刚度工况介绍：

平跳工况P：X向线刚度为4000N/mm，Y向刚度为4000N/mm，扭转刚度40N.m/°;

反跳工况1：X向线刚度为4000N/mm，Y向刚度为4000N/mm，扭转刚度40N.m/°;

反跳工况2：X向线刚度为4000N/mm，Y向刚度为4000N/mm，扭转刚度20N.m/°;

平跳工况P和反跳工况1条件相同;反跳工况1扭转刚度是反跳工况2的两倍。

分析结果如表3表示：

分析结果显示，随着衬套扭转刚度的降低，悬架垂直刚度也稍微降低，稳定杆贡献的悬架垂直刚度降低。

2.3 稳定杆直径的影响

在稳定杆的布置以及结构走向已经定型的情况下，通过改变稳定杆的直径来改变悬架的侧倾角刚度是最常用的方法。稳定杆直径的影响有多大？分析如下：

工况介绍：

工况P：平行跳动，稳定杆半径R=8mm;

工况2：反向跳动，稳定杆半径R=8mm;

工况3：反向跳动，稳定杆半径R=9mm;

工况4：反向跳动，稳定杆半径R=10mm;

分析结果如表4：

分析结果显示，在结构已经定型的情况下，稳定杆直径的变化对悬架垂直刚度的变化影响很大，随着稳定杆直径的增加，悬架垂直刚度增加，而且增加幅度很大。

2.4 稳定杆扭臂长度的影响（连接杆连接点到横梁的垂直距离）

稳定杆对悬架垂直刚度的贡献分为两部分，一是稳定杆的弯曲刚度，二是稳定杆的扭转刚度，而稳定杆扭臂的长度影响稳定杆的扭转刚度，如下分析稳定杆扭臂长度的变化对悬架垂直刚度的影响。

工况对比：

工况P：平行跳动，稳定杆半径R=8mm;

工况1：反向跳动，稳定杆半径以及扭臂长度均与平跳工况相同;

工况2：反向跳动，稳定杆半径R=8mm，扭臂长度比工况2减短150mm。

分析结果如表5：

分析结果显示，在其他条件不变的前提下，稳定杆扭臂的长度对悬架垂直刚度变化影响很大，扭臂长度越短，悬架垂直刚度越大。

2.5 稳定杆连接杆位置布置的影响

一般情况下，稳定杆通过稳定杆连接杆（两端球头）或橡胶衬套与其他零部件相连，稳定杆连接杆/稳定杆端头位置的布置直接影响稳定杆的效能。不同的位置布置稳定杆产生不同的效果。为衡量连接杆布置位置的影响，我们采用稳定杆杠杆比λ来表示，即稳定杆端头位移与轮心位移的比值。关于杠杆比的影响，我们可以通过如下工况分析表明：

工况P：平行跳动，稳定杆不起作用;

工况2：反向跳动，让稳定杆起作用，其余条件与工况P相同;

工况3：将稳定杆前移200mm，降低稳定杆的杠杆比

分析结果如表6：

分析结果显示，随着稳定杆杠杆比的减小，稳定杆對悬架垂直刚度的变化也减小，杠杆比越小，悬架垂直刚度越小。

3 结论

综合如上分析结果，稳定杆的性能设计，及稳定杆对悬架垂直刚度的贡献因素主要来自三个方面：一是稳定杆本身的结构;二是稳定杆在系统中的布置，包括稳定杆连接杆位置的布置及稳定杆橡胶衬套位置的布置;三是稳定杆橡胶衬套特性。

从稳定杆本身结构上看：

A）减短稳定杆扭臂（安装点到稳定杆横梁的垂直距离）的长度，可以大大提高稳定杆本身的刚度，从而有效提高悬架系统侧倾角刚度。并且能够降低稳定杆本身质量，减少成本;

B）增加稳定杆半径，可以极大提高悬架系统垂直刚度。但是增大半径的同时极大增加稳定杆本身的质量，造成成本的增加;

从稳定杆布置上来看：

A）增加稳定杆的杠杆比，可以有效提供悬架垂直刚度。因此在布置稳定杆时，稳定杆连接杆尽量连在转向节上，并在轮心位置附近;