空心稳定杆结构设计与性能研究

林少辉　姜子敬　杨文叶　杨磊　李振兴　郭秋彦

摘 要：稳定杆是悬架系统中的重要零件，直接影响汽车的行驶平顺性、操纵稳定性和安全性能。基于整车各系统轻量化的需求，本文以某车型实心稳定杆为研究基准，应用空心管材代替实心材料设计了一种空心结构的稳定杆，介绍了空心结构稳定杆的设计开发思路，分析空心结构的外观尺寸、刚度、强度和疲劳性能。研究结果表明，通过合理的内外径和壁厚设计，空心结构稳定杆可满足实心结构同等的使用性能需求，同时可实现23%的轻量化。

关键词：空心稳定杆 结构设计 性能分析 轻量化

Structural Design and Performance Research of Vehicle Hollow Stabilizer Bar

Lin Shaohui Jiang Zijing Yang Wenye Yang Lei Li Zhenxing Guo Qiuyan

Abstract：The stabilizer bar is an important part in the suspension system， which directly affects the ride comfort， handling stability and safety performance of the car. Based on the lightweight requirements of various systems of the whole vehicle， this paper takes the solid stabilizer bar of a certain vehicle model as the research benchmark， and uses hollow tubes instead of solid materials to design a hollow structure stabilizer bar， introduces the design and development ideas of the hollow structure stabilizer bar， analyzes the hollow structure Dimensions， stiffness， strength and fatigue properties of structures. The research results show that through reasonable design of inner and outer diameters and wall thicknesses， the hollow structure stabilizer bar can meet the same performance requirements as the solid structure， while achieving 23% lighter weight.

Key words：Hollow stabilizer bar， design thought， Performance analysis， Lightweight

1 前言

随着汽车工业的飞速发展，消费者对汽车的各项性能的要求越来越高，其中汽车的操纵稳定性、驾驶平顺性和乘坐舒适性均已成为衡量汽车性能的主要标准，也是客户重点关注的性能指标。为改善汽车行驶平顺性，悬架的垂向刚度设计通常比较低；当载荷变化时，则要求悬架的刚度变化小，从而降低汽车整车的偏频率。但如果汽车悬架的垂向刚度值设计较低，会使得汽车的侧倾角刚度值也较低，当汽车转弯时会产生很大的车身侧倾角，影响行驶稳定性。[1]因此，为了提升汽车的操纵稳定性、驾驶平顺性，改善汽车的乘坐舒适性和安全性，各大主机厂通常在车辆的懸架系统中设计连接左、右悬架的稳定杆。[2]稳定杆被广泛应用于独立悬架，其功能是防止汽车在转弯或汽车左、右轮受到不同载荷时发生过大横向侧倾，是保持汽车平衡的悬架系统关键零件。[3]

目前，在乘用车上大量应用的还是实心稳定杆，直径多处于20mm～30mm范围内，质量约为4kg～8kg。稳定杆的发挥作用的过程中主要为扭转变形，横杆中心部位的贡献作用极小。近年来，随着整车轻量化设计的要求越来越高，应用管材代替实心材料设计制造稳定杆成为整车厂和供应商加大研发投入的方向。空心稳定杆在保证与实心杆刚度和疲劳性能基本变化的情况下一般可实现20%～45%的轻量化效果，这对车辆底盘的轻量化设计和簧下质量降低具有重大意义。[4]

由于空心稳定杆的材料、直径尺寸均与实心稳定杆不同，各尺寸参数的选择需要考虑对稳定杆侧倾刚度的影响，同时根据整车布置空间进行调整。本文介绍了空心稳定杆设计开发的思路流程，设计开发了满足车辆使用要求的产品，并且针对空心稳定杆的材料选型、结构设计和性能分析进行深入研究。

2 空心稳定杆设计思路

图1为空心稳定杆的设计思路流程，首先基于实心稳定杆提取外形尺寸和各项性能要求，分析采用空心杆方案的布置空间能否满足。如果空心杆的布置空间能够满足，下一步根据减重率计算稳定杆的尺寸参数，建立空心稳定杆的有限元模型，分析性能是否满足需求，如不满足进行下一轮的尺寸参数优化设计。如果空心杆的外形尺寸不能满足空间布置，则首先需要确定满足空间布置的外形尺寸，然后进行稳定杆的壁厚设计，建立有限元分析模型，分析性能是否满足要求，如不满足则需要综合评估布置空间优化稳定杆外形之村进行下一轮仿真分析。

3 空心稳定杆结构设计

3.1 边界和载荷定义

本研究以实心稳定杆的尺寸和性能设计为基准，保证稳定杆中心轴线和主要性能不变，确定空心稳定杆刚度、强度和疲劳工况的边界和载荷定义。图2为稳定杆刚度工况：a）约束稳定杆支架与副车架连接点的全部自由度；b）约束一侧稳定杆与连杆连接点的三向平动自由度；c）在另一侧稳定杆与连杆连接点施加Z向的2000N。图3为稳定杆强度工况：a）约束稳定杆支架与副车架连接点的全部自由度；b）在两侧稳定杆与连杆连接点施加等值反向的强制位移（可以取1/8的稳定杆力臂长度或按车身倾斜5°时由多体软件提取的稳定杆端部位移量）。图4为稳定杆疲劳工况：a）约束稳定杆支架与副车架连接点的全部自由度； b）在两侧稳定杆与连杆连接点施加等值反向的强制位移。

3.2 稳定杆管径尺寸确定

针对稳定杆，无论空心还是实心，其刚度要求需一致，以便保证悬架刚度满足设计要求。基于此，实心杆的直径记为d0，而空心杆的内径、外径和壁厚分别记为d1、d2、t0；同时重量减轻率记为s0，d1、d2和壁厚率t0/d0关系如下：

（１）

（２）

（３）

空心稳定杆相比于实心杆的重量减轻率、壁厚和应力、外徑增加率的关系如图5所示。

由上述的式（2）和式（3）可得，当重量减轻30%，空心稳定杆的外径为大于实心稳定杆的3.16%，壁厚率为0.207；当重量减轻50%时，空心稳定杆的外径为大于实心稳定杆的11.8%，壁厚率为0.113；本次分析以某车型的实心稳定杆为研究对象，稳定杆直径为27mm，由于此稳定杆折弯角度趋近于90°，且强度分析结果显示，实心结构时应力水平已达到586MPa。考虑到后期的成型、强度及疲劳性能，在不改变稳定杆轴线设计的情况下，初步设定稳定杆由实心改为空心结构的重量减轻率定义为25%，由此根据计算，得到空心稳定杆的设计参数如表1所示。根据计算结果，考虑到空间布置要求、等刚度换算等因素，初步选定空心稳定杆外径为27.5。计算的稳定杆内径为14mm，重量减轻率为23%，接近目标，可以接受。

4 空心稳定杆性能研究

4.1 刚度分析

由图6（a）分析结果可以计算得实心稳定杆的线刚度为53.42N/mm，图6（b）空心稳定杆的线刚度为53.16N/mm。空心结构线刚度比实心结构小0.5%，近似相等。因此，空心结构稳定杆合适的外径和内径尺寸设计可以保障其刚度与实心稳定杆性能一致，满足稳定杆的实际使用刚度工况。

4.2 强度分析

图7（a）实心稳定杆在强度工况下应力分析结果显示其最大应力值为586MPa，图7（b）显示空心结构稳定杆在此工况下的最大应力值为656MPa，比实心结构上升了70MPa，两中最大应力值出现的位置一致。研究表明，空心稳定杆实际应用的强度工况下应力最大值相比于实心结构会上升，但出现最大应力值的位置一致，因此在设计实心稳定杆转换为空心结构时要确保其结构的应用最大值不超过材料强度，针对空心稳定杆的选材要考察性能指标。

4.3 耐久疲劳分析

图8（a）实心稳定杆耐久疲劳分析在耐久工况下的寿命为3.539万次，图8（b）空心结构稳定杆在耐久工况下的寿命为0.271万次。空心结构稳定杆的疲劳寿命相比于实心稳定杆的疲劳耐久性能急剧下降，因此，在进行稳定杆由实心结构更改为空心结构时其耐久疲劳性能需重点关注，在设计时需进行局部的结构调整，以提升整体的耐久性能。

5 结论

本文以某车型的实心稳定杆为研究对象，在边界条件一致，并且满足实际应用各项性能需求的前提下进行材料选型、尺寸设计和强度分析结果如表2。

研究表明通过合理的内外径和壁厚设计，可实现稳定杆空心结构与实心结构的线刚度保持不变。稳定杆更改为空心结构以后，应力随减轻率和外径的增大而增大，稳定杆的疲劳耐久性能急剧下降，建议对空心稳定杆增加喷丸等热处理工艺，以增加抗疲劳性能。此外，在进行空心稳定杆的结构设计时需考虑稳定杆与副车架、转向系统和制动软管等的间隙问题。

参考文献：

[1]王晓莲，张学博. 尺寸参数对横向稳定杆侧倾刚度的影响分析及验证[J].汽车零部件，2017，5：28-33.

[2]李奕宝，丁都都，许阳钊. 车辆空心稳定杆断裂失效分析[J]. 汽车零部件，2020，7：84-86.

[3]王伟，王海艳，熊朝恩. 空心稳定杆的优化设计[J].汽车实用技术，2018，3：106-109.

[4]丁能根，张宏兵，等.横向稳定杆性能计算及其影响因素分析.汽车技术，2006，1：23～26.