汽車扭力梁式后懸架系統(tǒng)的匹配設計-20130719

1、華晨汽車工程研究院汽車扭力梁式后懸架系統(tǒng)的匹配設計劉立峰(1,趙亮(2,張電(3(1.2.華晨汽車工程研究院,沈陽3.遼寧曙光汽車集團,丹東摘要:通過Benchmark分析建立設計目標,使用Altair軟件進行剪切中心計算和剛強度模態(tài)分析,使用ADAMS軟件建立柔性體扭力梁進行仿真分析,依據(jù)分析結果優(yōu)化CAD設計方案,最后通過臺架和道路試驗對設計方案進行驗證。關鍵詞:扭力梁式后懸架,Benchmark,設計目標,剪切中心,Altair,ADAMSMatching Design of Rear Twist beam Suspension System of VehicleLifeng Liu(1

2、,Liang Zhao(2,Dian Zhang(3(Automobile Engineering Research Institute of Brilliance,SHENYANG 110141Abstract: Establishing design target by the analysis of the Benchmark, completing the analysis of the shear center stiffness strength and modal with Altair software, Using ADAMS to establish twist beam

3、flexible body model and complete the kinematics analysis, According to the analysis results to optimize the design of the structure, Finally verifying this design scheme by the bench test and road test.Keyword: Rear twist beam suspension, Benchmark, Design target, Shear center, Altair, ADAMS引言:扭力梁式懸

4、架最早應用于1974年的大眾海風牌汽車,歷經(jīng)近40年的改進設計,主體結構仍未發(fā)生本質性的變化,主要由承受側向力矩、垂向載荷的橫梁和左右可上下擺動的縱臂、彈簧托盤、減震器下支座、襯套安裝套管焊合而成,通過彈簧、減震器、襯套來實現(xiàn)車輪與車身之間的柔性連接,達到支撐車身和減震的作用, 左右車輪介于獨立懸架的不直接相連與非獨立懸架的剛性連接之間,故這種懸架也稱為半獨立懸架,橫梁還兼起橫向穩(wěn)定桿的作用。優(yōu)點:結構簡單,零件少,成本低,占用空間小,可獲得較大尾部空間,易于安裝和拆卸,減震器和彈簧容易匹配,車輪定位變化小,輪胎磨損扭小,扭轉梁式半獨立懸架廣泛應用在中小型前置前驅車的后懸架上,也有小型四驅車用

5、扭轉梁后懸架的例如:SUZUKI SX4。缺點:焊縫處存在較高的應力,對焊接工藝要求高,耐久性能差;后軸承載能力不高;左右車輪上下跳動時相互影響,舒適性有限; 車輪定位設計自由度少,操縱穩(wěn)定性改善不容易。 圖1 某車型后扭力梁總成小結:扭轉梁后懸掛成本低、占用空間少,有利于營造寬敞的后排空間;固定的四輪定位參數(shù)、較少的橡膠襯套使其保養(yǎng)成本極低。調教得當?shù)脑?在良好路面非極限駕駛過程中,具有較好的舒適性和操控性,所以扭轉梁式后懸掛非常適合城市中家用車及代步車使用。新款的速騰已經(jīng)用扭力梁代替了多連桿后懸架,節(jié)省下來的成本,使用在配置升級、加大尺寸、內外飾品質提升上、造型換代,更容易吸引和打動用戶。

6、扭力梁懸架的開發(fā)流程圖2 扭力梁開發(fā)流程圖1.Benchmark 分析和標桿車車型選擇2.設計目標 圖3 benchmark車型 圖4 設計目標3.CAD 模型建模和優(yōu)化3.1剪切中心的計算方法剪切中心就是當力作用這一點是,橫梁只受到彎矩而沒有受到轉矩,當力作用在除剪切中心其它任何點時,橫梁有彎矩和轉矩;其實原理很簡單,當橫梁截面受到某個方向上的力時,該橫截面上會產(chǎn)生剪切流,從而導致剪力,為了使橫梁不受到轉矩,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。 圖5剪切中心3.2側傾中心高度計算方法,橫梁位置、開口方向的選擇圖6側傾中心計

7、算方法 圖7橫梁位置 圖8橫梁開口方向橫梁位置靠前布置,梁懸架偏舒適性;橫梁位置接近輪心布置,懸架偏操縱穩(wěn)定性;橫梁位置居中布置,懸架舒適性和操控性能均衡; 3.3 橫梁截面形狀的選擇 開口截面,扭轉常數(shù)計算公式:閉口截面,扭轉常數(shù)計算公式: 式中,A 截面中線所圍成的面積; U 截面中線的長度;t 材料厚度。 圖9橫梁截面形狀扭轉剛度K 為: 式中,G 材料剪切模量;L 作用長度,即桿件的長度。a.開口薄壁件的扭轉常數(shù)較小,其中U 型截面比V型截面具有更大的扭轉剛度;331Ut J =Ut A J 24=LGJK=b.閉口薄壁件的扭轉常數(shù)較大,沖壓成型變截面結構,可以生成變扭轉常數(shù)的橫梁,橫

8、梁中部沖壓較多,減少面積降低扭轉常數(shù),使其充分發(fā)揮扭轉梁的柔性;端部沖壓較少,或保持原截面不沖壓,以盡可能增大扭轉常數(shù),增大端部剛度,保證穩(wěn)定性。3.4 扭轉梁與車身連接襯套安裝角度對后軸隨動轉向的影響及角度的選擇 a.減小襯套軸向剛度,在側向力作用時,扭轉梁與車身連接點沿襯套軸向位移,低襯套軸向剛度F3增加不足轉向趨勢;b.由于襯套徑向剛度的存在,在側向力作用時,襯套徑向壓縮,使后軸產(chǎn)生過度轉向,高徑向剛度F2可減少過度轉向趨勢。c.適度降低F1徑向剛度,可以緩沖路面對車身的沖擊,提高車輛的乘坐舒適性。 圖10扭力梁襯套剛度曲線及結構扭轉梁與車身連接襯套的軸線與車輛Y的安裝角度過大、過小都無

9、法有效的把沿襯套軸向位移轉化為扭轉梁的不足轉向特性,最優(yōu)的襯套安裝方向與襯套各向剛度有關聯(lián),一般襯套安裝角度設計在24-26度之間。A1=2432 30 A0= 2530 3.5 縱臂長度的選擇及影響擺臂設計的太短,為了滿足懸架上下跳動行程,會使縱臂上下擺動角度變大,造成軸距變化量增大,影響舒適性及造成輪胎磨損嚴重。一般縱臂長度都設計在400-450mm之間,對應懸架行程在180-210mm之間。3.6 扭轉梁常用材料選擇扭轉梁本體材料:承受較大的工作載荷,沖壓成型與縱臂焊接,影響著扭轉梁總成的強度、剛度與模態(tài),一般采用56mm的熱軋高強度低碳鋼板B510SPFH590TL1114?？v臂材料:

10、管材一般采用3.5-4mm的16MnQ345無縫鋼管或有縫焊管60-70mm,板材一般采用3.5-4mm 的SAPH440。彈簧托盤材料:螺旋彈簧托架受力很大,一般用3mm的SAPH440QStE420TM 。減震器支架材料:一般SAPH400QStE420TM。 圖11扭力梁常用材料清單4 . 選型計算根據(jù)選擇的截面形狀、橫梁位置、計算得到的剪切中心,計算扭轉梁的剛度及提供后懸架的側傾角剛度。圖12扭力梁扭轉剛度計算5、側傾梯度、不足轉向梯度計算 圖13側傾梯度、不足轉向梯度計算6 . ADAMS 仿真分析(with FBG 圖12扭力梁后懸架ADAMS模型 圖14側向力前束變化圖 15側向

11、力外傾變化華晨汽車工程研究院 7.臺架試驗 圖 16 反向跳動前束變化 圖 17 反向跳動外傾變化 圖 18 側傾中心高度 a:扭轉臺架試驗：頻率 1Hz，60mm 左右同時加載（相位差為 180），加載次數(shù)11104 次，焊縫或 本體開裂10mm，加載力變化1%，在試驗中若發(fā)現(xiàn)橡膠襯套、減震器、彈簧等零部件提前損壞或失效，應及 時更換其零件。 b:彎曲臺架試驗：頻率 1Hz，加載力5KN, 加載次數(shù)6104 次，焊縫或本體開裂40mm，若發(fā)現(xiàn)橡膠 襯套、減震器、彈簧等零部件提前損壞或失效，應及時更換其零件。 圖 19 扭力梁臺架試驗臺圖 圖 20 路譜信號 8. 道路試驗 路試中扭力梁最大受力工況是搓板路，主應力是彎曲方向，車速 50-60 公里時（頻率 23.1-27.7Hz），與 扭力梁一階振動模態(tài)相近易發(fā)生耦合共振。 總結： 本文提出了扭力梁匹配設計流程和關鍵設計因素及其作用原理； 使用柔性體扭力梁， 提高了 ADAMS 仿真 準確性。 某車型采用了 50%橫梁位置、 U 型截面、 開口向下的扭力梁， 具有較高的側傾中心且兼顧較好的各向剛度， 前束、外傾、側傾變化，通過計算扭轉剛度和不足轉向梯度等在設計目標范圍內，滿足整車性能要求。 通過臺架和道路試驗對扭力梁疲勞進行驗證， 道路試驗