横向稳定杆设计计算
FSAE赛车瓦特连杆横向稳定杆设计与优化
ADAMS 动力学模型，通过动力学仿真，说明了瓦特连杆对悬架参数变化的影响。
[ 关键词 ] FSAE 赛车；瓦特连杆；横向稳定杆；ANSYS 分析；ADAMS 仿真
[ 中图分类号 ] U469.6+96
[ 文献标识码 ] A
[ 文章编号 ] 1673-3142(2019)02-0072-05
Designing and Optimization of FSAE Racing Car Stabilizer Bar with Watt’s Link
由于 FSAE 赛车有其独特的结构简单紧凑的 特性，目前，大多数车队设计悬架时，采用避震 器对置的设计，这样的结构不但适于布置瓦特连 杆式横向稳定器，而且可以节省后仓的空间，并 减轻整车的质量。
第 57 卷第 2 期
徐小康 等：FSAE 赛车瓦特连杆横向稳定杆设计与优化
73
瓦特连杆横向稳定器（简称 Z-bar）装配图 如图 1 所示。
1 瓦特连杆在 FSAE 赛车中的应用
瓦特连杆在悬架中的功用，可以相应改善赛 车过弯时过多转向的趋势，获得良好的操纵稳定 性 [2]。车辆高速过弯时，由于离心力的作用，外 侧车轮受力会比内侧车轮受力要大，导致左右两 侧车轮附着力发生改变。瓦特连杆的主要作用能 够将外侧车轮所受的纵向应力通过瓦特连杆传递 给内侧车轮，车轮内侧悬架就能够分担外侧悬架 的受力。这种受力情况还能够在减少侧倾的同时， 提升内轮的抓地力，使两侧车轮达到相对平衡的 状态，提高赛车的操稳性 [3]。
徐小康，张代胜，谭继锦
（230009 安徽省 合肥市 合肥工业大学 汽车与交通工程学院）
[ 摘要 ] 针对 FSAE 赛场上普遍使用的瓦特连杆式稳定杆（又称 Z-bar），稳定的工作原理，计算了赛车侧倾角刚度及横向稳定杆刚度，分析
重型汽车稳定杆的计算和分析
重型汽车稳定杆的计算和分析陈太荣;杨佳睿【摘要】横向稳定杆是汽车悬架的重要部件,稳定杆刚度的设计以及在前后悬架上的分配,对整车操纵稳定性能具有重要影响.本文针对某款牵引车横向稳定杆进行了刚度的设计和匹配,同时对稳定杆连接装置进行了有限元分析和试验验证,确保了结构的可靠性.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2015(000)011【总页数】3页(P70-72)【关键词】横向稳定杆;侧倾角刚度;有限元分析【作者】陈太荣;杨佳睿【作者单位】南京徐工汽车制造有限公司,江苏南京210021;南京徐工汽车制造有限公司,江苏南京210021【正文语种】中文【中图分类】U461.7前言横向稳定杆在保证汽车行驶平顺性的前提下，能提高悬架的侧倾角刚度，减小汽车在不平路况或转弯时车身的侧倾角。
合理的调整前后悬架侧倾角刚度比值，能使车辆具有一定不足转向特性，提高整车操纵稳定性。
对于重型汽车，前后桥轴荷以及轮胎侧偏刚度相差大，前后桥横向稳定杆的刚度以及侧倾角刚度的分配过程比较复杂，它由整车的操纵稳定性和车身的受力情况两种因素决定的。
在稳定杆的设计过程中，可以从这两方面出发，推算出前后悬架的总侧倾角刚度及其在前后桥上的分配，进而求得前后桥稳定杆的侧倾角刚度；再结合整车布置的要求，进行横向稳定杆的结构设计。
本文针对某款牵引车进行横向稳定杆的刚度设计和匹配，以期对相关设计提供参考和帮助。
1 、稳定杆刚度的计算和匹配为了提高车辆行驶平顺性，板簧刚度一般适当降低，这会降低车辆侧倾稳定性，给车辆增加稳定杆可以解决这一矛盾。
商用车侧倾稳定性的一般要求是，车辆在0.4g的侧向加速度下，整车侧倾角小于6°。
车辆侧倾角和悬架侧倾角刚度可以用下式表示[1]：式中，φr为车辆侧倾角；Mφ为整车侧倾力矩，对于非独立悬架，该力矩包括由重力和离心力引起的力矩；Fs为车身离心力；h为簧载质心距离侧倾轴线的距离；Σk为总侧倾角刚度；kf为前悬侧倾角刚度；kr为后悬侧倾角刚度；kw为稳定杆侧倾角刚度；kφ为非独立悬架的侧倾角刚度；kl为一侧悬架的线刚度；B为板簧安装距；kwf为前稳定杆侧倾角刚度；kwr为后稳顶杆侧倾角刚度。
FSAE赛车瓦特连杆横向稳定杆设计与优化
FSAE赛车瓦特连杆横向稳定杆设计与优化徐小康;张代胜;谭继锦【摘要】针对FSAE赛场上普遍使用的瓦特连杆式稳定杆(又称Z-bar),根据汽车侧倾特性进行横向稳定杆的设计和优化.基于瓦特连杆横向稳定的工作原理,计算了赛车侧倾角刚度及横向稳定杆刚度,分析了瓦特连杆结构以及受力情况,进行了尺寸设计及强度校核.通过ANSYS进行结构分析优化,并建立了ADAMS动力学模型,通过动力学仿真,说明了瓦特连杆对悬架参数变化的影响.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2019(057)002【总页数】5页(P72-75,80)【关键词】FSAE赛车;瓦特连杆;横向稳定杆;ANSYS分析;ADAMS仿真【作者】徐小康;张代胜;谭继锦【作者单位】230009 安徽省合肥市合肥工业大学汽车与交通工程学院;230009 安徽省合肥市合肥工业大学汽车与交通工程学院;230009 安徽省合肥市合肥工业大学汽车与交通工程学院【正文语种】中文【中图分类】U469.6+90 引言FSAE赛事从2011年进入中国，到现在已经成功举办了7届，参赛车队对整车操纵稳定性的要求越来越高，各车队对底盘悬架系统的设计日益娴熟，不仅要求满足最基本的功能，对整车的行驶平顺性以及操纵稳定性都有着很高的要求。
悬架的侧倾特性对整车的操纵稳定性有很大的影响，悬架侧倾中心、侧倾角刚度及其在前后轴的分配也是影响汽车转向时侧倾角大小的主要因素。
在汽车设计中，为了获得较低的固有频率以及良好的行驶平顺性，悬架一般设计得较软，故需要设计安装横向稳定杆以提高侧倾刚度[1]。
瓦特连杆早在18世纪就被发明出来，欧宝的工程师发现瓦特连杆在一定条件下能够提高汽车平顺性，瓦特连杆还可以应用到方程式赛车悬架的横向稳定杆设计中。
本文主要是以某电动方程式赛车为模型进行瓦特连杆横向稳定杆的设计，主要对整车的侧倾刚度以及横向稳定杆所能提供的扭转刚度进行杆件材料的选择、结构尺寸的设计、杆件的受力分析、稳定杆加载情况的应力与位移的计算，从而完成Z形横向稳定杆的尺寸设计与优化。
基于CATIA的汽车横向稳定杆的参数化设计
FOCUS 技术聚焦
设计·创新
基于 CATIA 的汽车横向 稳定杆的参数化设计
李群 何耀华 （武汉理工大学汽车工程学院）
摘要：参数化设计在产品的优化设计中发挥着重要作用。为完成汽车横向稳定杆的参数化设计，文章推导出横向 稳定杆尺寸参数的约束公式，并在此基础上建立基于 CATIA 的稳定杆参数化模型，将模型与 Excel 表格相关联， 实现参数驱动横向稳定杆的自动重构，完成横向稳定杆的参数化设计。运用 Abaqus 软件建立横向稳定杆有限元 模型，校核结果验证了稳定杆参数化设计的正确性。 关键词：汽车；横向稳定杆；CATIA；参数化设计
1
((N·m) ((N·m) ms/kg 倾 轴 线 度 ay/ (° )
/(°)) /(°))
的 距 离 (m/s2)
角 θ/ 线 弯 点 位 向 跨 向 跨 置到对 装 位 同 侧 拐 E/Pa 模 量 应 力
rad 曲 半 移 度 度 称面距 置 到 点距离
G/Pa [τ]/Pa
径 线刚 d/m 度 K/
模型 Join 到一起；
加大小为 1 084.4 N，方向相反的 z 向载荷。对横向
5）转换到 Part Design 模块生成杆的实体模型， 稳定杆做静力学分析，得到横向稳定杆应力云图，如
即稳定杆的参数化基础模型，如图 4 所示。
图 6 所示。可以看出最大应力集中在拐角处编号为
11 130 的节点上，最大值 544.4 MPa，该材料的扭转
Parametric Design of Automotive Stabilizer Bar Based on CATIA
Abstract: Parametric design plays an important role in product optimized design. In order to complete the parametric design of stabilizer bar, the constraint formula of stabilizer bar parameters is derived, and parametric model of stabilizer bar is established based on CATIA, which is associated with the Excel table, the automatic reconstruction of stabilizer bar by parameter—driven is achieved, the parametric design of stabilizer bar is completed. Based on Abaqus software, the finite element model of stabilizer bar is established, the checking results verified the correctness of parametric design of stabilizer bar. Key words: Automobile; Stabilizer bar; CATIA; Parametric design
压杆稳定强度计算
各种支撑压杆临界载荷的通用公式：()2cr 2EI P L πμ=此公式出自《机械设计手册》第四篇第219页，以下简称4—219。
式中：E ——材料的弹性模量 钢为210 GPa （4—55） I ——横截面对形心主惯性轴的惯性距单位cm 4可查样本得L ——压杆的计算长度 单位 cm μ——与支撑条件有关的长度系数。
一段自由，一端固定 μ=2.0 一段铰支，一端固定 μ=0.7 两端固定 μ=0.5 两端铰支 μ=1.0 计算： 第一步i 为截面的惯性半径i =I ——横截面对形心主惯性轴的惯性距单位cm 4可查样本得A ——横截面面积单位cm 2 可查样本得 第二步 λ为柔度L ——支撑压杆长度 单位cm μ——与支撑条件有关的长度系数。
第三步判断 λ＞λp （细长杆）—— ——发生弹性屈曲λs ＜λ＜λp （中长杆）—发生弹塑性屈曲 λ＜λs （粗短杆）—不发生屈曲，而发生屈服λ=临界力计算细长杆E —————— A3钢为210 GPa 计算时，带入公式210×109Paδcr ——————— 临界应力 单位 MPa λ———————对应的柔度中长杆 δcr = a-b λ MPa 例：A3钢（Q235钢）a=304MPa b=1.12MPa λp =105 λs =61.6粗短杆 δcr =δsA3钢（Q235钢） δs=235MPa 第四步2cr 2Eπδλ=压杆的稳定校核：两种方法（1） 安全系数法MPa MPaP 为工作条件下所受力 单位kN （1吨=9.8kn ）【n 】st 钢 1.8····3.0铸铁 5.0····5.5 木材 2.8····3.2 详见《机械设计手册》 4——225所有公式，数据均出自《机械手机手册》 4——219到4——228 惯性半径越大，柔度越小，承载能力越强。
汽车悬架课程设计(本科生论文)——皮卡车
安徽工程大学 ANHUI POLYTECHNIC UNIVERSITY课程设计（论文）设计课程题目:皮卡车悬架设计学生学号: 3092114330学生姓名：胡凯俊专业班级: 车辆2093班学院名称: 机电学院指导教师:时培成2012年9月10日摘要汽车悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。
典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。
弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。
汽车悬架性能是影响汽车行驶平顺性、操纵稳定性和行驶速度的重要因素。
因此，研究汽车振动，设计新型悬架系统，将振动控制到最低水平是提高现代汽车质量的重要措施。
关键词：弹性元件、钢板弹簧、缓冲块、麦弗逊独立悬架、导向机构、减震器、横向稳定杆ABSTRACTAutomotive vehicle suspension frame and axle or the wheel of all transmission between the general term for connecting devices, and its role is to transfer the role at the wheel and frame and between the torsional force, and uneven pavement from the buffer Biography to the frame or body of the impact, and the attenuation caused by vibration, to ensure the vehicle can travel smoothly. A typical structure of a flexible suspension components, shock absorbers and other agencies, as well as orientation of the individual block structure is also a buffer, such as horizontal Stabilizer. Elastic components and leaf springs, air springs, coil spring, as well as the form of torsion bar spring, and the use of many modern cars suspension coil spring and torsion bar springs, individual car use advanced air springs. Suspension performance is the impact of motor vehicles to motor cars and ride comfort, handling and stability and an important factor in speed. Therefore, the research vehicle vibration, the design of the new suspension system to the minimum level of vibration control is to improve the quality of Hyundai Motor important measures.Key words：Elastic element、Leaf Spring、Block buff、Macpherson strut suspension、Guide mechanism、Shock absorber、Sway bar目录第1章绪论1.1皮卡车悬架概述 (6)1.2悬架的功用 (7)1.3悬架的组成 (7)1.4悬架的垂直弹性特性 (8)1.5悬架的分类 (8)1.6 辅助元件 (12)1.7皮卡悬架的要求和方案选定 (14)第2章麦弗逊独立悬架的设计和计算2.1悬架的总体布置方案 (15)2.2相关参数的计算 (16)2.3减震器的选型与设计 (22)2.4弹簧限位缓冲块的设计 (26)2.5横向稳定杆的设计计算 (27)2.6传力构件及导向机构 (28)第3章钢板弹簧非独立悬架的设计和计算3.1 钢板弹簧主要元件结构选取 (29)3.2钢板弹簧设计的已知数 (34)3.3钢板弹簧具体计算 (34)3.4缓冲块的选择 (43)3.5减震器的选择设计 (43)参考文献 (47)第1章绪论1.1皮卡车悬架概述皮卡汽车是汽车市场细分后的产物，它的主要使用者是一些非主流人群，所以皮卡汽车行驶的道路也有其特殊性，从城市道路到山区小道，无所不包，所以对皮卡车的悬架也提出了很高的适应性的要求。
轿车前横向稳定杆刚度与疲劳寿命分析
67mm，k=94°。
上式中，E为材料的弹性模量，；
稳定杆的截面惯性矩，；d为稳定杆的直径；
为端点的垂直位移。
可计算得该前横向稳定杆刚度为
有限元模拟分析
在ANSYS软件中，提取前横向稳定杆的支反力，如图
4所示。
两端点支反力分别为3397.6N、-3397.6N，由此可计
算其线刚度，K=30.97/mm，数值计算其刚度值为30.6N/mm，
数值理论计算结果相对比差距较小。
根据经验可取前横向
稳定杆刚度值为K=31N/mm。
图1前横向稳定杆示意图
图2前横向稳定杆应力计算示意图
图3横向稳定杆的应力云图
3应力分析
前横向稳定杆端部危险点A的应力计算，可简单的
认为只受弯曲作用，因此A点截面危险点的相当应力
为：
代入数值计算得A点应力值为713MPa。
前横向稳定杆固定点B也可能出现最大应力点，通
max
该截面最大剪切应力τ
应用变形能强度理论求弯扭的合成应力，
的相当应力为：
代入数值计算得B点应力值为650MPa。
前横向稳定杆危险点C的应力计算，考虑到稳定杆中部只有扭转作用，所以在CD段D点位置求出垂直于平。
可认为C点截面只受
点截面危险点的相当应力为：
代入数值计算得B点应力值为860MPa
综合对比A、B和C三点的应力值，发现
C点区域为弯曲部分，在疲劳寿命计算中需考虑稳定求斜线段方程，在N=106
据前横向稳定杆的S-N曲线，
将C点危险截面应力值代入上述方程，可得前横向
图4横向稳定杆支反力参数
图5材料和零件的S-N曲线。
车辆横向稳定杆总成性能分析与设计
车辆横向稳定杆总成性能分析与设计作者：文/ 刘艳菊来源：《时代汽车》 2020年第18期刘艳菊奇瑞汽车有限公司安徽省芜湖市 241009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 AssemblyLiu YanjuAbstract：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 ADAMSsoftware 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 ofinfluence 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 stiffness1 绪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。
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横向稳定杆设计计算
为了降低汽车的固有振动频率以改善行驶平顺性，现代轿车悬架的垂直刚度值都较小， 从而使汽车的侧倾角刚度值也很小， 结果使汽车转弯时车身侧倾严重， 影响了汽车的行驶稳 定性。 为此， 现代汽车大多都装有横向稳定杆来加大悬架的侧倾角刚度以改善汽车的行驶稳 定性。 横向稳定杆在独立悬架中的典型安装方式如图 4－39 所示。 当左右车轮同向等幅跳动 时，横向稳定杆不起作用；当左右车轮有垂向的相对位移时，稳定杆受扭，发挥弹性元件的 作用。 横向稳定杆带来的好处除了可增加悬架的侧倾角刚度， 从而减小汽车转向时车身的侧 倾角外，如前所述，恰当地选择前、后悬架的侧倾角刚度比值，也有助于使汽车获得所需要 的不足转向特性。 通常， 在汽车的前、 后悬架中都装有横向稳定杆， 或者只在前悬架中安装。 若只在后悬架中安装，则会使汽车趋于过多转向。横向稳定杆带来的不利因素有：当汽车在 坑洼不平的路面行驶时，左右轮之间有垂向相对位移，由于横向稳定杆的作用，增加了车轮 处的垂向刚度，会影响汽车的行驶平顺性。
2
2
（4－63）
由于连接点处橡胶件的变形，稳定杆的侧倾角刚度会减小约 15％～30％。 当稳定杆两端受到大小相等、方向相反的垂向力 P 作用时(参见图 4－40)，其端点的垂 向位移 f 可用材料力学的办法求出，具体为
f =
P 3EI
L 3 2 l1 − a 3 + (a + b) 2 + al 2 (b + c) 2
dFw ⋅ df w = dFb ⋅ df b
（4－58）
而作用在稳定杆上的弯矩和转角分别为
dM b = dFb L
(4－59)
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汽车设计
dϕ b = 2df b / L
（4－60）
式中 L ——横向稳定杆的角刚度 Cϕb 为
'
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横向稳定杆所采用的材料和加工工艺与前面介绍过的扭杆相同， 所不同的只是扭杆要做 预扭处理，而稳定杆由于工作时要承受正反两个方向的扭矩，不做预扭处理。对于既是稳定 杆、又要兼起导向机构的情况，应选用级别较高的材料。
（4－64）
5 式中 E ——材料的弹性模量， E ＝ 2.06 × 10 Mpa；
I ——稳定杆的截面惯性矩， I = d ——稳定杆的直径，mm； P ——端点作用力，N； f ——端点位移，mm。
πd 4 ， mm 4 ； 64其余各量意义见图 4－40源自由式（4－64）可得到稳定杆的角刚度
Cϕb =
d =4
128 Cϕb 3 L 2 (b + c ) ⋅ 2 l1 − a 3 + (a + b) 2 + 4l 2 3π L E 2
（4－46）
一般情况下，如图 4－40 所示的稳定杆的最大应力发生在截面 B 的内侧(其原理与螺旋 弹簧内侧扭转应力大于外侧类似)，其大小与月处的圆角半径只有关，因为 R 决定了此处的 曲度系数。对于稳定杆，最大扭转应力不应超过 700MPa，亦即
Cϕb =
dM b 1 dFb 2 = ⋅ L 2 df b dϕ b
（4－61）
同理可得在车轮的等效角刚度 Cϕw 为
Cϕw =
1 dFw 2 ⋅ B 2 df w
（4－62）
式中 B ——轮距。 将式（4－62）和式（4－58）代入式（4－61）得到
Cϕb
fw L = Cϕw f ⋅ b B
1 P 2 3EIL2 ⋅ L = L 2 f 2 2 l13 − a 3 + (a + b) 2 + 4l2 (b + c ) 2
（4－65）
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图 4－40 横向稳定杆计算用简图 当角刚度给定时，可求得所需要的稳定杆直径 d 为
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τ =
'
16 Pl 2 K ' ≤ [τ ] ＝700Mpa πd 3
（4－47）
式中 K ——曲度系数， K ' =
4C − 1 0.615 + ； 4C − 4 C
C ——弹簧指数， C = (2 R + d ) / d 。
由式(4－46)和 K 及 C 的表达式，可求出需要的最小圆角半径 R。通常为了减小扭转应 力，推荐 R 的取值不小于 1.25d。 其他位置的应力一般都小于 B 截面内侧的扭转应力。如果图 4－40 中支承点 C 的位置 很靠近中心， 则 C 截面处同时受到弯矩和扭矩的作用， 可能产生较大的主应力， 当图中(a+b) 的值接近或超过 2 l 2 时，则应校核该处的主应力。 B 截面在弯矩 Pl 2 的作用下产生的弯曲应力为 σ = Pl1 /(32πd 3 ) ，在极限位置亦即最大 载荷作用下，这一弯曲应力应小于等于 1250MPa。
图 4－39 横向稳定杆的安装示意图 在有些悬架中， 横向稳定杆还兼起部分导向杆系的作用， 其余情况下则在设计时应当注 意避免与悬架的导向杆系发生运动干涉。 为了缓冲隔振和降低噪声， 横向稳定杆与车轮及车 架的连接处均有橡胶支承。 当横向稳定杆用于整体桥非独立悬架时，其侧倾角刚度与车轮处的等效侧倾角刚度相 等。当用于独立悬架时(参见图 4－39)，横向稳定杆的侧倾角刚度 Cϕb 与车轮处的等效侧倾 角刚度 Cϕw 之间的换算关系可如下求出：设汽车左右车轮接地点处分别作用大小相等，方向 相反的垂向力微量 dFw ，在该二力作用下左右车轮处的垂向位移为 df w ，相应的稳定杆端部 受到的垂向力和位移分别为 dFb 和 df b ，由于此时要考察的是稳定杆在车轮处的等效侧倾角 刚度，因而不考虑悬架中弹簧的作用力，则必然有 dFw 与 dFb 所做的功相等，即