某車型橫向穩(wěn)定桿強(qiáng)度與剛度研究

鐘彬，何云峰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545000）

前言

橫向穩(wěn)定桿是汽車懸架中一種輔助的彈性元件，可以防止汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)車身發(fā)生過(guò)大側(cè)傾，在制動(dòng)時(shí)防止縱傾的作用，從而保證汽車具備好的操作穩(wěn)定性和平順性[1]。同時(shí)可以恰當(dāng)調(diào)整前后懸架側(cè)傾剛度比值來(lái)改善汽車的不足轉(zhuǎn)向性能。橫向穩(wěn)定桿通常設(shè)計(jì)成U型結(jié)構(gòu)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了避免與周圍部件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，穩(wěn)定桿要設(shè)計(jì)成非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對(duì)于復(fù)雜幾何體的穩(wěn)定桿，傳統(tǒng)穩(wěn)定桿理論設(shè)計(jì)方法由于受到工藝、結(jié)構(gòu)、模型簡(jiǎn)化的影響，與實(shí)際存在一定的誤差，如何快速準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出滿足使用要求的穩(wěn)定桿是擺在工程師面前的難題，穩(wěn)定桿在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要同時(shí)考慮其剛度與強(qiáng)度要求，為了克服理論設(shè)計(jì)的缺陷，近來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有限元技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，為穩(wěn)定桿的剛度與強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，穩(wěn)定桿有限元模型建立的關(guān)鍵是如何處理橡膠襯套，宋健[2]等人考慮穩(wěn)定桿橡膠襯套特性對(duì)穩(wěn)定桿應(yīng)力和變形的影響，利用單軸試驗(yàn)獲得橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，然后采用mooney模型作為橡膠本構(gòu)模型，運(yùn)用MSC.Marc軟件分析了穩(wěn)定桿的應(yīng)力和變形；潘金坤[3]考慮將橡膠襯套當(dāng)作約束支撐，運(yùn)用abqus軟件分析了穩(wěn)定桿的應(yīng)力；周宏鐘[4]將穩(wěn)定桿橡膠襯套看作具有六個(gè)有剛度的單元，將其應(yīng)用在某車型的橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)分析中。綜上所述，穩(wěn)定桿有限元模型主要演變成三種類型，Ⅰ類在分析過(guò)程中不考慮橡膠襯套的剛度，將橡膠襯套考慮成約束支撐，在穩(wěn)定桿兩端添加載荷，Ⅱ類考慮橡膠襯套特性的影響，在穩(wěn)定桿模型中添加橡膠本構(gòu)模型，依照橡膠襯套與穩(wěn)定桿的配合類型分為滑動(dòng)式襯套和抱緊式襯套，滑動(dòng)式襯套與穩(wěn)定桿是非綁定狀態(tài)，穩(wěn)定桿工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng)接觸，抱緊式襯套與穩(wěn)定桿是綁定狀態(tài)，襯套隨穩(wěn)定桿一起工作，Ⅲ類將橡膠襯套看作具有六個(gè)有剛度的單元，襯套與穩(wěn)定桿是綁定狀態(tài)，本文穩(wěn)定桿安裝襯套采用的是抱緊式襯套，為了方便穩(wěn)定桿有限元模型的計(jì)算，將襯套看作具有六個(gè)方向變剛度的單元，通過(guò)測(cè)試獲得襯套六個(gè)方向的剛度。文中針對(duì)某汽車的前橫向穩(wěn)定桿的的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行分析。

1 有限元分析

1.1 有限元模型的建立

在UG中創(chuàng)建穩(wěn)定桿的幾何模型，并將模型導(dǎo)入有限元軟件hypermesh進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分和賦材料屬性，考慮有限元的計(jì)算精度，穩(wěn)定桿采用六面體網(wǎng)格的單元類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖 1，穩(wěn)定桿材料使用的是彈簧鋼，彈性模量為2.06X105，泊松比為0.3。

1.2 穩(wěn)定桿約束條件與載荷的確定

約束條件和加載是取決于有限元計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，穩(wěn)定桿通過(guò)橡膠襯套與車身（副車架）連接，其兩端通過(guò)連桿與懸架連接，當(dāng)懸架做側(cè)傾運(yùn)動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)，一端向上運(yùn)動(dòng)，另一端向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)懸架運(yùn)動(dòng)到極限狀態(tài)時(shí)，穩(wěn)定桿達(dá)到最大工作極限，根據(jù)上述穩(wěn)定桿的安裝方式和運(yùn)動(dòng)形式的描述，將穩(wěn)定桿與橡膠襯套的配合關(guān)系假設(shè)為過(guò)盈配合，并通過(guò)襯套單元（bushing）連接穩(wěn)定桿與車身（副車架），約束襯套單元接地端的六個(gè)方向的自由度，懸架在反向輪跳時(shí)，在穩(wěn)定桿的兩端要產(chǎn)生Z向的位移載荷，將該載荷作為校核穩(wěn)定桿強(qiáng)度的工況。

1.3 穩(wěn)定桿的強(qiáng)度分析

定義好求解穩(wěn)定桿強(qiáng)度的約束和載荷后，即可以進(jìn)行強(qiáng)度分析，如圖2穩(wěn)定桿的最大主應(yīng)力位于穩(wěn)定桿襯套安裝的位置，大小為366.5MPa，遠(yuǎn)小于穩(wěn)定桿所采用材料55Cr3的屈服強(qiáng)度1080MPa，說(shuō)明該穩(wěn)定桿的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 穩(wěn)定桿的應(yīng)力云圖

1.4 穩(wěn)定桿的剛度分析

穩(wěn)定桿不僅要具備足夠的強(qiáng)度同時(shí)要有適量的剛度，才能保證汽車具有良好的行駛平順性和操作穩(wěn)定性，穩(wěn)定桿的剛度過(guò)低，汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的側(cè)傾角，乘員缺乏舒適感和安全感，穩(wěn)定桿的剛度過(guò)高，會(huì)減弱駕駛員的路感。

分析穩(wěn)定桿剛度同樣采用有限元計(jì)算，忽略橡膠襯套變形的影響，將穩(wěn)定桿安裝位置定義為球鉸連接，穩(wěn)定桿一端加六個(gè)方向的固定約束，另一端加位移載荷，穩(wěn)定桿剛度是通過(guò)獲得位移載荷方向的支反力和位移載荷的擬合關(guān)系得到的. 如表1為某穩(wěn)定桿剛度的計(jì)算結(jié)果，如果計(jì)算出來(lái)的線剛度無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的要求，就要修改穩(wěn)定桿的線徑或是調(diào)整穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)來(lái)滿足強(qiáng)度與剛度上的設(shè)計(jì)。

表1 穩(wěn)定桿剛度

2 結(jié)論

本文通過(guò)有限元的方法對(duì)穩(wěn)定桿的強(qiáng)度和剛度計(jì)算方法進(jìn)行了研究，可以有效提高產(chǎn)品工程師的工作效率，同時(shí)也可以縮短穩(wěn)定桿開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本，為企業(yè)同類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)作用。

[1] 金銀花等. 客車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)與匹配[J].客車技術(shù),2013：13-16.

[2] 宋鍵.帶橡膠套的穩(wěn)定桿有限元分析[J]汽車工程,2005：592-595.

[3] 潘金坤.大客車橫向穩(wěn)定桿的虛擬疲勞分析[J]制造業(yè)自動(dòng)化,2011：145-147.

[4]] 周宏鐘.基于有限元的某車型穩(wěn)定桿支架輕量化分析[J]上海汽車,2015：22-25.