汽车扭力梁式后悬架系统的匹配设计-20130719

1、华晨汽车工程研究院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,最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,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:扭力梁式悬

4、架最早应用于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

5、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。

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3 benchmark车型 图4 设计目标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

7、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;331Ut J =Ut A J 24=LGJK=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

8、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

9、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,最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=2432 30 A0= 2530 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56mm的热轧高强度低碳钢板B510SPFH590TL1114。纵臂材料:

10、管材一般采用3.5-4mm的16MnQ345无缝钢管或有缝焊管60-70mm,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SAPH440QStE420TM 。减震器支架材料:一般SAPH400QStE420TM。 图11扭力梁常用材料清单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(with FBG 图12扭力梁后悬架ADAMS模型 图14侧向力前束变化图 15侧向

11、力外倾变化华晨汽车工程研究院 7.台架试验 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 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11104 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6104 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 路试中扭力梁最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