汽车横向稳定杆被广泛地应用于独立悬架，其功能是防止汽车在转弯或左/右轮受到不同的载荷时产生侧翻，提高汽车的操作稳定性，同时也可以改善汽车的乘坐舒适性。根据稳定杆在实际工作中的受力特点，可将其设计为空心稳定杆，获得30% ～ 45%的减重效果，因此空心稳定杆成为目前稳定杆领域的研究热点。此前，清华大学的宋健等对实心稳定杆的应力和应变进行了有限元分析［1］，并与台架实验进行对比，验证其分析方法是行之有效的; 合肥工业大学的黄康等人采用ANSYS 对实心稳定杆的应力进行了分析［2］，利用Fatigue Tool 对实心稳定杆某几个节点处的疲劳寿命进行预估; 合肥工业大学的叶鹏采用传统疲劳设计理论对稳定杆的危险截面进行了应力分析，并结合有限元软件进行进一步的验证，对其疲劳寿命进行预估［3］。但目前国内在空心稳定杆方面的研究很少，因此针对空心稳定杆的研究尤为重要。本文针对某车型空心稳定杆，从空间布置、扭转刚度分析、应力分析、台架试验验证、失效件分析等方面进行了较为全面的阐述，提出了一套关于空心稳定杆设计、台架、失效分析的系统方法为后续空心稳定杆的开发奠定基础。

　　汽车的横向稳定杆可谓是在“夹缝”中求生存，通常需要在副车架、转向机、摆臂、减振器等零件的空间布置完成之后，才进行稳定杆的空间布置，为了满足与周边零件的安全间隙距离，所以汽车稳定杆大多形状弯曲各异，如图1 所示。

　　以某车型的空心稳定杆的空间布置为例，初步确认稳定杆的布置走向后，需要进行运动包络校核，根据整车的硬点布置，采用CATIA 中DMU模拟整车运动过程，检查稳定杆的运动过程中与周边零件的间隙大小，如图2 所示。通常要求稳定杆与周边零件留有10 ～ 20 mm 的安全间隙距离，从而避免稳定杆在汽车行驶过程中与周边零件发生干涉。

　　空心稳定杆与实心稳定杆的成型工艺有较大差异，实心稳定杆为热成型，需要专用的热成型机对稳定杆进行折弯成型，然后进行淬火、回火等热处理方式，而空心稳定杆则是根据稳定杆空间走向采用冷弯成型的方式，然后进行热处理等工艺，详见图3 所示的空心杆成型工艺。

　　在整车操控及舒适性能的调试过程中，需要预装不同扭转刚度的稳定杆，以便进行整车操控及舒适性能的调试，所以在稳定杆开发前期需要分析同一布置走向、不同杆径对应的扭转刚度。

　　在以往的分析或者计算过程中，通常采用稳定杆的简化数学模型、经验公式进行计算，其计算的结果与稳定杆的实测扭转刚度存在较大的误差，本文基于CATIA GPS 模块提出一种CAE 分析的方法，根据稳定杆扭转刚度的实测方法，建立其扭转刚度CAE 分析的模型，即稳定杆的一侧端头固定，两个衬套安装位置允许稳定杆绕两衬套中心连线转动，稳定杆另一端头施加1 000 N 的载荷，如图4所示。

　　由如图5 可知，该空心稳定杆在图4 所示的加载条件及边界约束的情况下，其最大位移量s 为100 mm。则可根据空心稳定杆的线性扭转刚度计算公式KT = Fz /s = 10 N/mm。如需计算其他规格稳定杆的线性扭转刚度，可按照上述方法进行求解。

　　在车辆的实际使用过程中，出现左右两侧车轮上下跳动不一致时，此时稳定杆端头会在稳定杆连杆的带动下运动一定的位移。根据稳定杆的开发经验，为校核稳定杆疲劳应力是否满足设计需求，通常考核稳定杆在端头最大行程T 的55%时的应力水平，并以此判别稳定杆是否满足耐久要求。同时，在稳定杆衬套安装区域施加约束，使稳定杆可以绕两衬套中心连线转动，考虑衬套的径向刚度Kr = 3 000 N/mm。为分析空心稳定杆的应力，结合稳定杆在实车行驶过程中的运动情况，建立空心稳定杆的应力分析模型，如图6 所示。

　　空心稳定杆的应力分布如图7 所示，最大应力为658 MPa，分布于稳定杆衬套安装位置附近的空心杆外壁，内壁应力均低于外壁应力，危险界面可以初步确定为衬套安装位置附近。根据空心稳定杆选取的材料26MnB5 的S － N 曲线可知，此空心稳定杆在该最大应力下可达10 万次的疲劳耐久要求。因此，从有限元的分析结果来看，稳定杆满足疲劳耐久要求。

　　在确定稳定杆空间布置及杆径规格之后，需要进行台架试验对稳定杆的疲劳寿命进行考核，以便在稳定杆开发前期对其设计及工艺进行评估。本文所设计的空心稳定杆试验是基于前桥系统进行的系统试验，这样与整车实际运行工况更加一致。在开发初期的台架试验中，空心稳定杆出现过一次断裂，如图8 所示。

　　从图8 可知，空心稳定杆断裂位置出现在衬套安装位置附近，与图8 中最大应力出现的位置吻合，但结合CAE 分析结果可知，该稳定杆的最大应力未超过26MnB5 允用最大应力，可初步排除因应力过高引起断裂，因此需要对稳定杆进行断口分析，用以确认稳定杆成型和热处理工艺是否存在问题，以便对其进行优化改进。

　　针对空心稳定杆的断裂失效件，可以从断口的宏观表征初步确认断裂原因，如图9 所示。对重点区域进行放大，在电镜下进行观察，如图10和图11 所示。

　　A 区断口形貌如图10 所示，该区域断口相互擦伤，断口局部呈现高温颜色; 但根据放射状裂纹汇聚方向以及断口表面的台阶状特征，可以确认裂纹起源于零件外表面，在裂纹扩展区可观察到疲劳辉纹。箭头方向为疲劳源扩展方向。空心稳定杆外表面的台阶面正好为稳定杆挡圈边缘位置，由此可确认该处为疲劳源，可推断在稳定杆进行挡圈压装时，过大的压力导致稳定杆表面存在压痕，该压痕即为图10 中的台阶面。因此，空心稳定杆外壁存在表面缺陷是其发生断裂失效的原因之一。

　　B 区断口形貌如图11 所示，裂纹起源于空心稳定杆的外表面，扩展区可见疲劳辉纹。此区域的疲劳源也位于空心稳定杆的外壁，疲劳源扩展方向为图11 中箭头所指方向。该区域存在表面微裂纹，可推断此区域在空心稳定杆成型时，存在表面缺陷。其余区域的断口不再赘述。

　　为进一步分析空心稳定杆断裂失效的原因，需要对稳定杆的热处理工艺是否存在问题进行分析，为此本文对失效件的硬度、表面脱碳及金相进行了检测。

　　图12 为空心稳定杆在断裂及杆身基体位置的金相图，从测试的脱碳层厚度可知，空心稳定杆基体及断裂处表面均未出现全脱碳，从断裂处内、外表面周向3 个位置的半脱碳层厚度检测值来看，稳定杆在热处理后的半脱碳层厚度均满足要求，如图13 所示，脱碳层厚度测试数据如表1 所示。

　　从图12 可知，空心稳定杆基体的金相组织为回火屈氏体，而断裂处的金相组织为回火屈氏体和带状铁素体，断裂处的金相组织异常，且从表2 测试的稳定杆硬度可知，在断裂处的硬度偏低，即说明此区域在热处理后的强度低于设计需求值。

　　分析空心稳定杆的热处理工艺，在压完稳定杆挡圈后，采用两端通电加热的方式对其进行热处理，挡圈处横截面积大、电阻小，产生热量低，且散热面积大，热处理冷却温度低、速度快，导致该区域回火温度不足，回火热处理不彻底，使该区域在热处理后的金相组织为回火屈氏体和带状铁素体，硬度偏低，强度不足，从而导致空心稳定杆在挡圈附近发生断裂失效。

　　综上所述，在进行空心稳定杆的断口表征、硬度、表面脱碳以及金相等分析后，可确认空心稳定杆的断裂失效是由于空心稳定杆成型工艺和热处理工艺不合理引起。针对上述问题，对空心稳定杆的成型工艺和热处理工艺进行改进，即采用专用压圈机，设定压圈力，保证空心稳定杆外壁表面不产生压痕、微裂纹等形式的表面缺陷，同时将该压圈工艺调整到热处理之后，以改进热处理效果。改进后的零件通过所有的台架实验，说明本文对空心稳定杆的失效机理分析正确，改进措施恰当。

　　( 1) 本文阐述了空心稳定杆开发过程中如何进行布置，提出一种基于CATIA GPS 模块的CAE分析方法，在空心稳定杆开发前期，可快速、有效地获得不同规格空心稳定杆的线性扭转刚度，可为空心稳定杆在整车性能的调试工作提供理论数据。同时，可分析空心稳定杆的应力，找准空心稳定杆应力最大点，为判别空心稳定杆的疲劳寿命是否满足要求提供理论数据。

　　( 2) 针对空心稳定杆的断裂失效件，分别从断口表征、稳定杆基体及断口处硬度、表面脱碳层、金相等方面进行了剖析，为空心稳定杆断裂失效提供了分析方法。

　　( 3) 针对文中提及的空心稳定杆断裂失效模式，对空心稳定杆成型及热处理方式进行了优化，为后续空心稳定杆的开发积累了一定的经验。

参考文献

［1］ 宋健，邢如飞． 带橡胶套的稳定杆有限元分析

［2］ 黄康，仰荣德． 基于ANSYS 的汽车横向稳定杆疲劳分析

［3］ 叶鹏． 汽车横向稳定杆疲劳可靠性研究