汽车扭力梁式后悬架系统的匹配设计-20130719

华晨汽车工程研究院  1 / 6 汽车扭力梁式后悬架系统的匹配设计 刘立峰（1），赵亮（2），张电（3） （1.2.华晨汽车工程研究院，沈阳3.辽宁曙光汽车集团，丹东） 摘要：通过Benchmark分析建立设计目标，使用Altair软件进行剪切中心计算和刚强度模态分析，使用ADAMS软件建立柔性体扭力梁进行仿真分析，依据分析结果优化CAD设计方案，昀后通过台架和道路试验对设计方案进行验证。 关键词：扭力梁式后悬架，Benchmark，设计目标，剪切中心，Altair，ADAMS MatchingDesignofRearTwistbeamSuspensionSystemofVehicleLifengLiu（1），LiangZhao（2），DianZhang（3） (AutomobileEngineeringResearchInstituteofBrilliance，SHENYANG110141)Abstract:EstablishingdesigntargetbytheanalysisoftheBenchmark,completingtheanalysisoftheshearcenterstiffnessstrengthandmodalwithAltairsoftware,UsingADAMStoestablishtwistbeamflexiblebodymodelandcompletethekinematicsanalysis,Accordingtotheanalysisresultstooptimizethedesignofthestructure,Finallyverifyingthisdesignschemebythebenchtestandroadtest.Keyword:Reartwistbeamsuspension,Benchmark,Designtarget,Shearcenter,Altair,ADAMS引言:  扭力梁式悬架昀早应用于1974年的大众海风牌汽车，历经近40年的改进设计，主体结构仍未发生本质性的变化，主要由承受侧向力矩、垂向载荷的横梁和左右可上下摆动的纵臂、弹簧托盘、减震器下支座、衬套安装套管焊合而成，通过弹簧、减震器、衬套来实现车轮与车身之间的柔性连接，达到支撑车身和减震的作用，左右车轮介于独立悬架的不直接相连与非独立悬架的刚性连接之间，故这种悬架也称为半独立悬架，横梁还兼起横向稳定杆的作用。 优点：结构简单，零件少，成本低，占用空间小，可获得较大尾部空间，易于安装和拆卸，减震器和弹簧容易匹配，车轮定位变化小，轮胎磨损扭小，扭转梁式半独立悬架广泛应用在中小型前置前驱车的后悬架上，也有小型四驱车用扭转梁后悬架的例如：SUZUKI SX4。 缺点：焊缝处存在较高的应力，对焊接工艺要求高，耐久性能差；后轴承载能力不高；左右车轮上下跳动时相互影响，舒适性有限； 车轮定位设计自由度少，操纵稳定性改善不容易。                                                       图1某车型后扭力梁总成 小结：扭转梁后悬挂成本低、占用空间少，有利于营造宽敞的后排空间；固定的四轮定位参数、较少的橡胶衬套使其保养成本极低。调教得当的话，在良好路面非极限驾驶过程中，具有较好的舒适性和操控性，所以扭转梁式后悬挂非常适合城市中家用车及代步车使用。新款的速腾已经用扭力梁代替了多连杆后悬架，节省下来的成本，使用在配置升级、加大尺寸、内外饰品质提升上、造型换代，更容易吸引和打动用户。    华晨汽车工程研究院  2 / 6 扭力梁悬架的开发流程  图2扭力梁开发流程图 1.Benchmark 分析和标杆车车型选择                2.设计目标图3benchmark车型                                 图4 设计目标 华晨汽车工程研究院  3 / 6 3.CAD模型建模和优化 3.1剪切中心的计算方法 剪切中心就是当力作用这一点是，横梁只受到弯矩而没有受到转矩，当力作用在除剪切中心其它任何点时，横梁有弯矩和转矩； 其实原理很简单，当横梁截面受到某个方向上的力时，该横截面上会产生剪切流,从而导致剪力，为了使横梁不受到转矩，利用力的平衡就可以求出剪切中心的位置； 使用Hypermesh 中hyperbeam分析扭力梁的剪切中心。  图5剪切中心 3.2侧倾中心高度计算方法，横梁位置、开口方向的选择         图6侧倾中心计算方法               图7横梁位置                     图8横梁开口方向 横梁位置靠前布置，梁悬架偏舒适性；横梁位置接近轮心布置，悬架偏操纵稳定性；横梁位置居中布置，悬架舒适性和操控性能均衡； 3.3横梁截面形状的选择 开口截面，扭转常数计算公式：闭口截面，扭转常数计算公式：式中，A截面中线所围成的面积；U截面中线的长度；t材料厚度。图9横梁截面形状 扭转刚度K为：式中，G材料剪切模量；L作用长度，即杆件的长度。a.开口薄壁件的扭转常数较小，其中U型截面比V型截面具有更大的扭转刚度；331UtJ=UtAJ24=LGJK=华晨汽车工程研究院  4 / 6 b.闭口薄壁件的扭转常数较大，冲压成型变截面结构，可以生成变扭转常数的横梁，横梁中部冲压较多，减少面积降低扭转常数，使其充分发挥扭转梁的柔性；端部冲压较少，或保持原截面不冲压，以尽可能增大扭转常数，增大端部刚度，保证稳定性。3.4扭转梁与车身连接衬套安装角度对后轴随动转向的影响及角度的选择 a.减小衬套轴向刚度，在侧向力作用时，扭转梁与车身连接点沿衬套轴向位移，低衬套轴向刚度F3增加不足转向趋势；b.由于衬套径向刚度的存在，在侧向力作用时，衬套径向压缩，使后轴产生过度转向，高径向刚度F2可减少过度转向趋势。c.适度降低F1径向刚度，可以缓冲路面对车身的冲击，提高车辆的乘坐舒适性。图10扭力梁衬套刚度曲线及结构扭转梁与车身连接衬套的轴线与车辆Y的安装角度过大、过小都无法有效的把沿衬套轴向位移转化为扭转梁的不足转向特性，昀优的衬套安装方向与衬套各向刚度有关联，一般衬套安装角度设计在24-26度之间。A1=24°32′±30′A0=25°±30′3.5纵臂长度的选择及影响 摆臂设计的太短，为了满足悬架上下跳动行程，会使纵臂上下摆动角度变大，造成轴距变化量增大，影响舒适性及造成轮胎磨损严重。一般纵臂长度都设计在400-450mm之间，对应悬架行程在180-210mm之间。3.6扭转梁常用材料选择 扭转梁本体材料：承受较大的工作载荷，冲压成型与纵臂焊接，影响着扭转梁总成的强度、刚度与模态，一般采用5～6mm的热轧高强度低碳钢板B510\SPFH590\TL1114。纵臂材料：管材一般采用3.5-4mm的16Mn\Q345无缝钢管或有缝焊管Ф60-70mm，板材一般采用3.5-4mm的SAPH440。弹簧托盘材料：螺旋弹簧托架受力很大，一般用3mm的SAPH440\QStE420TM。减震器支架材料：一般SAPH400\QStE420TM。图11扭力梁常用材料清单 华晨汽车工程研究院  5 / 6 4.选型计算根据选择的截面形状、横梁位置、计算得到的剪切中心，计算扭转梁的刚度及提供后悬架的侧倾角刚度。  图12扭力梁扭转刚度计算 5、侧倾梯度、不足转向梯度计算  图13侧倾梯度、不足转向梯度计算 6.ADAMS 仿真分析（withFBG）    图12扭力梁后悬架ADAMS模型        图14侧向力前束变化图             15侧向力外倾变化 华晨汽车工程研究院  6 / 6    图16反向跳动前束变化            图17反向跳动外倾变化            图18侧倾中心高度 7.台架试验a:扭转台架试验：频率1Hz，±60mm左右同时加载（相位差为180°），加载次数≥11×10^4次，焊缝或本体开裂≤10mm，加载力变化≤1%，在试验中若发现橡胶衬套、减震器、弹簧等零部件提前损坏或失效，应及时更换其零件。b:弯曲台架试验：频率1Hz，加载力±5KN,加载次数≥6×10^4次，焊缝或本体开裂≤40mm，若发现橡胶衬套、减震器、弹簧等零部件提前损坏或失效，应及时更换其零件。图19扭力梁台架试验台图                                图20路谱信号 8.道路试验路试中扭力梁昀大受力工况是搓板路，主应力是弯曲方向，车速50-60公里时（频率23.1-27.7Hz），与扭力梁一阶振动模态相近易发生耦合共振。总结： 本文提出了扭力梁匹配设计流程和关键设计因素及其作用原理；使用柔性体扭力梁，提高了ADAMS仿真准确性。某车型采用了50%横梁位置、U型截面、开口向下的扭力梁，具有较高的侧倾中心且兼顾较好的各向刚度，前束、外倾、侧倾变化，通过计算扭转刚度和不足转向梯度等在设计目标范围内，满足整车性能要求。通过台架和道路试验对扭力梁疲劳进行验证，道路试验中提高了试验速度，避开扭力梁一阶模态的振动频率，解决了扭力梁在道路试验中焊缝早期开裂的问题。参考文献： 【1】莱姆佩尔.悬架元件及底盘力学吉林：吉林科学技术出版社，1991：（146-181）.【2】刘维信.汽车设计北京：清华大学出版社，2001：（431-535）.【3】刘艳华.轿车扭力梁后悬架的开发研究沈阳：沈阳大学学报，2006.