前横向稳定杆轻量化与性能验证

梁飞飞

前横向稳定杆轻量化与性能验证

梁飞飞

（宝能汽车集团有限公司 动态性能部，广东 深圳 518000）

为保证稳定杆实现轻量化，通过降低稳定杆直径更改纵向长度来实现降重，通过Adams KC、CATIA DMU、HyperMesh、Adams操稳平顺仿真及VBOX操稳测试来验证，保证各项性能情况下实现稳定杆轻量化设计。结果表明，稳定杆轻量化后重量降低31%，研究方法可为整车轻量化平顺性提升提供依据。

稳定杆；轻量化；动力学；操稳测试

前言

汽车稳定杆在保证侧倾角刚度不变的情况下，疲劳性能满足的情况下，降低重量可降低簧下冲击提升平顺性。本文采用减小稳定杆直径更改结构硬点方法，保证了侧倾角刚度不变。采用catia dmu运动分析，避免稳定杆与周边件不发生干涉。新材料稳定杆的最大等效应力不超出等效应力范围保证疲劳寿命不变。KC仿真分析验证了roll toe的变化、侧倾角刚度数值在合理范围。整车操稳仿真，分别验证了稳态和瞬态特性没有变化。采用平顺性仿真，验证轻量化后稳定杆，单一冲击工况冲击变小。最后通过实车操稳测试，验证稳态侧倾特性及瞬态响应没有变化。稳定杆轻量化后，平顺性冲击降低。

1 轻量化设计方案

稳定杆原材料为60si2Mn，现改为55cr3，许用应力更大。由于原稳定杆纵向宽度较长，经传动轴下方穿过的结构，导致稳定杆在粗长重量较大的情况下才能贡献足够侧倾角刚度。现结构为纵向长度降低127mm，纵向长度为253mm，未从传动轴下方穿过，力臂变短会增加综合应力，降低稳定杆直径降低综合应力，直径由D30mm变为D26mm，同时拐角走向避开上跳时与纵梁干涉，下跳时与转向拉杆防尘罩干涉都情况，端头拐角较短采用拍扁工艺处理。其质量有9,77kg降为6.7kg。减重约31%。

2 稳定杆空间走向布置

稳定杆的纵向宽度确定后，需要进行catia中DMU运动包络校核，验证稳定杆与周边件间隙，要求稳定杆与周边零件保留大于10mm的安全间隙，从而避免稳定杆在行驶过程中与周边零件发生干涉。稳定杆布置如图1：

图1 优化后稳定杆

下跳极限位置全行程转向加载，上跳极限位置80%转向加载，验证稳定杆与周边件间隙，修改间隙＜10mm位置稳定杆空间走向。修改后再次验证间隙如下。

图2 稳定杆与转向拉杆及纵梁间隙

图2，车轮下跳极限位置，转向全行程状态，稳定杆与转向拉杆防尘罩最小间隙为11mm，实际防尘罩为拉伸状态，间隙要＞11mm。稳定杆与转向拉杆间隙10.4mm。

车轮上跳极限位置，转向80%状态，稳定杆运动包络与车身纵梁间隙为10.5mm。以上间隙满足要求。

3 应力分析

3.1 有限元分析的前处理

hypermesh中导入稳定杆catia数模，属性定义，网格划分，约束加载等。稳定杆安装位置模拟实车衬套固定，建立衬套局部坐标系，定义衬套输入刚度。有限元稳定杆两端反向加载位移41mm及45mm求解生成op2文件。

3.2 应力分析

通过hyperview查看稳定杆的应力云图如图3。

原D30稳定杆材料为60si2MnA，根据SN曲线，疲劳寿命30万次，等效应力范围600-650Mpa，D30稳定杆两端反向加载41mm情况下，稳定杆的最大等效应力为649Mpa，在等效应力范围内。

D26横向稳定杆两端反向加载41mm情况下，稳定杆最大等效应力为699Mpa，超出60si2MnA的等效应力，如果选用55Cr3材料，等效应力700-780Mpa，最大等效应力满足材料等效应力范围。

D26横向稳定杆提升两端反向加载行程为45mm情况下，稳定杆最大等效应力767Mpa，选用55Cr3材料，最大等效应力仍然满足等效应力范围。

选用55Cr3材料弹簧钢，经二次抛丸及热处理可满足新结构D26稳定杆应力需求。

图3 D30、D26稳定杆应力云图

3.3 模态分析

为避免车辆在随机路面发生共振情况，影响整车舒适性。对前稳定杆进行模态分析。

轮胎和悬架系统可以对地面的高频振动起到过滤作用，所以，高频振动对汽车影响较小，而低频振动对汽车的影响较大。在进行后横向稳定杆模态分析时，选取前4阶非0模态的频率。

在hypermesh对稳定杆进行网格划分，赋予属性及添加约束等求解计算得MNF文件，在adams car模块查看横向稳定杆的自由模态的固有频率，见表1：

表1 稳定杆模态 Mpa

轻量化前后横向稳定杆模态固有频率几乎一致，轻量化后横向稳定杆满足振动要求，不会引发共振。

4 Adams/car仿真分析

4.1 adams kc 分析

4.1.1侧倾角刚度分析

侧倾角刚度改变会引起稳态不足转向、瞬态响应及横摆收敛时间改变，需在KC中验证稳定杆侧倾角刚度。

图4 前悬总侧倾角刚度

经仿真前悬架总成配原D30直径稳定杆总侧倾角刚度为1290Nm/deg，前悬架总成配D26直径稳定杆总侧倾角刚度为1310Nm/deg，单独悬架不带稳定杆贡献侧倾角刚度为650Nm /deg，所以原D30直径稳定杆贡献车轮处侧倾角刚度为640 Nm/deg，优化后D26稳定杆贡献车轮处侧倾角刚度为660Nm /deg。优化后稳定杆侧倾角刚度基本与原稳定杆一致，数值略优于原稳定杆。侧倾角刚度如图4-图5。

图5 不带稳定杆总侧倾角刚度

4.1.2侧倾前束分析

稳定杆变化会带来侧倾变化，需分析侧倾前束变化。

经仿真前悬架总成配原D30直径稳定杆侧倾前束变化为-0.021deg/deg，前悬架总成配D26直径稳定杆侧倾前束变化为-0.028deg/deg。侧倾工况前束基本无变化。

4.2 adams操稳仿真分析

操稳仿真分别从稳态和瞬态角度来考察性能变化。

4.2.1稳态回转仿真

如果一个车辆的稳态回转不及格，那么整个操稳试验就不及格。

稳态回转仿真模拟时， GB/T6323-2014规定，转弯半径设为30m，初始侧向加速度为0.5m/s²，终止加速度设定在9m/s²，纵向加速度要求＜0.25m/s²，所以加速时间给定为12s保证缓慢均匀的加速[1]。结果见表2。

表2 轻量化前后稳态回转仿真结果

U不足转向度，K侧倾度，an为中性转向点加速度。

轻量前后车辆稳态特性基本一致，轻量化后稳定杆满足车辆稳态特性；

4.2.2阶跃仿真分析

阶跃仿真对比分析车辆瞬态响应时间的快慢，同时考察车辆是否出现超调现象；

阶跃仿真模拟时，GB/T6323-2014规定，汽车直行车速100km/h，0.1s转动方向盘转角到15度使其达到3m/s²侧向加速度，考察车辆变化。结果见表3。

表3 轻量化前后阶跃仿真结果

tr横摆角速度响应时间，tay侧向加速度响应时间，σ为横摆超调量。

轻量前后车辆横摆、侧向加速度响应时间及超调量较小且基本一致，轻量化后稳定杆满足瞬态响应。

4.2.3脉冲仿真分析

脉冲分析车辆瞬态响应跟随快慢响应增益快慢。

脉冲仿真模拟时，GB/T6323-2014规定，汽车直行车速100km/h，脉宽0.5s，方向盘转角42度可保证侧向加速度达到0.4g，考察车辆变化。结果见表4。

表4 轻量化前后脉冲仿真结果

D谐振峰水平，ar，aay横摆及加速度1Hz处滞后角。

轻量前后车辆谐振峰水平及滞后角较小且一致，车辆增益变化带来车辆瞬态特性较稳定，响应较快。

4.3 Adams 平顺性仿真分析

4.3.1脉冲工况输入

稳定杆重量降低，簧下的冲击也会降低。主要通过脉冲工况来评价轻量化前后稳定杆对车辆平顺性影响。

在车身模板中建立驾驶员地板处marker点，依据marker点建立request加速度测量，车辆以不同车速通过凸块后，通过后处理查看驾驶员地板处加速度值大小。

根据GB/T4970-2009《汽车平顺性试验方法》，adams中建立脉冲路面。脉冲路面为三角凸块路面，其参数为高40mm，底边长400mm，按国标方法仿真模拟，车速分别为10，20，30，40，50，60km/h匀速通过凸块[2]。

4.3.2仿真数据分析

在后处理中查看地板处的加速度曲线，结果见表5。

表5 脉冲工况不同车速加速度值对比

aD26为匹配直径26mm稳定杆车辆加速度，aD30为匹配直径30mm稳定杆车辆加速度。

平顺性脉冲工况下，匹配D26稳定杆车辆受冲击激励引起的振动总体小于匹配原直径D30稳定杆，稳定杆轻量化后，振动没有变大，没有向坏的方向发展。

5 整车操稳客观测试

操稳仿真中已对稳态进行仿真验证，鉴于试验场地要求，操稳客观测试通过扫频和双移线试验分别从瞬态响应及通过性考察性能变化。

5.1 扫频试验

扫频试验时，ISO-7401-2011规定，车速100km/h，方向盘转角为24度对应侧向加速度达到0.4g，保持车速及左右转角不变，从5s一个周期来回打方向，直到0.2s一个周期，频率从0.2Hz增加到5Hz时间需50s[3]。考察频率在线性增加过程中，车辆响应及增益的变化。

VBOX测试完成后，选取有效试验数据，通过matlab的系统辨识工具箱对数据进行滤波，剔除趋势项，参数辨识，得到频率与横摆角速度及侧向加速度关系曲线。扫频试验曲线如下图6-图7所示。

图6 横摆角速度幅频及相频特性

图7 侧向加速度幅频及相频特性

扫频试验结果见表6。

表6 轻量化前后扫频试验结果

fp谐振频率，Ap峰值处横摆增益，D谐振峰水平，a为相位滞后角。

匹配D26稳定杆车辆横摆或者侧向加速度的相位滞后角基本相同略小，响应快。横摆角速度增益基本相同略小，更稳定。轻量化后对扫频的响应及稳定性无大变化。

5.2 双移线试验

在做双移线时，根据ISO-3888-1-2018要求摆设桩筒，车辆以尽可能高速度恒速进出装，考察通过性。

VBOX测试完成后，选取有效试验数据，经matlab滤波后，轻量化前后双移线试验曲线如下图8所示。

图8 匹配D26、D30稳定杆车辆双移线

双移线试验结果如下表7。

表7 双移线试验结果

SWA为方向盘转角，Yaw为横摆角速度，Yacc为侧向加速度，roll angle为侧倾角。

双移线试验工况，VBOX天线测量的两种状态车辆进出桩车速基本相同，无较大的侧倾角或侧向加速度造成失滑现象，通过性相当。

6 结论

为实现轻量化，对稳定杆硬点进行更改，纵向长度变短后，降重31%。经DMU运动分析，稳定杆与周边件运动间隙满足设计要求。经hypermesh分析，两端加载大的位移，最大等效应力不超出等效应力范围，疲劳寿命可不变，模态与原稳定杆模态基本一致。经adams分析侧倾角刚度，侧倾前束变化基本一致，操稳稳定性，平顺性性能基本一致略有提升。经VBOX操稳实车测试，数据对比性能基本一致略有提升。

[1] GB/T 6323-2014汽车操纵稳定性试验方法[S].

[2] GB/T4970-2009汽车平顺性试验方法[S].

[3] ISO-7401-2011 Road vehicles-Lateral transient response test methos -ds-Open-loop test methods.

Lightweight and Performance Verification of Front Antiroll Bar

Liang Feifei

( Dynamic Performance Department, Baoneng Automobile Group Co., Ltd., Guangdong Shenzhen 518000 )

In order to realize the lightweight of antiroll bar, the weight reduction is realized by reducing the diameter of antiroll bar and changing the longitudinal length. Through Adams KC, CATIA DMU, HyperMesh, Adams handling and riding simulation and VBox handling test verification, the lightweight design of antiroll bar is realized under the condition of ensuring various performances. The results show that the weight of antiroll bar is reduced by 31%, The research method can provide the basis for the improvement of vehicle lightweight and ride comfort.

Antiroll bar; Lightweight; Dynamics; Handling test

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.028

U467

B

1671-7988(2021)04-91-04

U467

B

1671-7988(2021)04-91-04

梁飞飞（1987.01-），男，汉族，本科，初级工程师，就职于宝能汽车集团有限公司动态性能部，研究方向：底盘性能。