某扭力梁后懸架總體設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u30990某扭力梁后懸架總體設(shè)計案例 1259351.1橫梁開口朝向 145391.2橫梁截面形式 248301.3橫梁整體過渡形式 3118891.4扭力梁縱梁 4102941.5扭力梁彈簧座 564311.6扭力梁減振器支架 583601.7扭力梁輪轂支架 6236581.8強度驗證 7車橋和車架之間的所有傳力連接部件總成統(tǒng)稱為懸架。懸架系統(tǒng)能夠傳遞車輪與道路之間的力和力矩，在車輛行駛過程中緩和路面對汽車的沖擊，衰減車輪與車身之間的振動。根據(jù)形式不同懸架可分為獨立懸架、半獨立懸架和非獨立懸架。獨立懸架采用斷開式車橋使得兩側(cè)車輪在受到路面沖擊產(chǎn)生跳動時，兩者運動狀態(tài)互不影響，因此獨立懸架的緩沖和減振性能較強，乘坐舒適性較好，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本也較高。常見的獨立懸架有麥弗遜懸架、雙叉臂懸架和多連桿懸架等等。非獨立懸架主要形式是兩側(cè)車輪與整體式結(jié)構(gòu)的車橋連接成一個整體，因此兩側(cè)車輪不能相互獨立運動。非獨立懸架結(jié)構(gòu)簡單，可承受載荷大，但減振性能較差，主要應(yīng)用于載重汽車、普通客車等車型，常見的非獨立懸架有鋼板彈簧式懸架、主副鋼板彈簧式懸架等等。半獨立懸架是介于獨立懸架和非獨立懸架之間的一種形式，從結(jié)構(gòu)上分析具備非獨立懸架的結(jié)構(gòu)特性，從性能上分析具備獨立懸架的緩沖和減振性能，因此稱之為半獨立懸架。半獨立懸架系統(tǒng)制造成本較低，且懸架性能良好，因此被廣泛應(yīng)用于中低端車型的后懸架系統(tǒng)中。扭力梁懸架便是半獨立懸架系統(tǒng)，1.1橫梁開口朝向根據(jù)橫梁的開口方向，可以分為開口向下、向前、向后、向上四種結(jié)構(gòu)[15]，同一位置的橫梁，由于開口位置的不同，會導(dǎo)致橫梁的剪切中心位置不同，使得整個扭力梁懸架的側(cè)傾中心高度發(fā)生改變，從而影響扭力梁后懸架的性能，一般情況下多采用開口向下結(jié)構(gòu)。開口向前會對空氣動力學(xué)有一定的影響，橫梁與縱梁搭接效果較好，橫梁端部附近的應(yīng)力分布較為合理。開口向后與彈簧座的搭接較難處理，一般適用于彈簧座不與橫梁搭接的結(jié)構(gòu)。開口向上會使剪切中心下移從而大大降低側(cè)傾中心高度以及存在積水的問題,故基本不采用。開口向下有利于增加側(cè)傾中心高度，橫梁與縱梁搭接附近的應(yīng)力一般存在前后應(yīng)力不均勻的現(xiàn)象。綜合上述因素，加之目前市場上所使用的扭力梁后懸架多為開口朝下的形式，故本文亦采用開口朝下的形式。圖2-1橫梁開口朝向1.2橫梁截面形式有如（圖2-2）所示結(jié)構(gòu)：其中A/B/C類為鋼板沖壓而成；D類是圓管液壓成型。在設(shè)計橫梁時，一般需要做到兩端焊接部位截面加大，使得焊接區(qū)域增大，以減小應(yīng)力集中；橫梁中間截面較小，使得橫梁應(yīng)力分布均勻。圖2-2橫梁截面形式A類為U型橫梁，具有結(jié)構(gòu)簡單，成型工藝良好特點，其扭轉(zhuǎn)效率高，但如設(shè)計不好，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象?，F(xiàn)階段使用車型較少，主要應(yīng)用于小型車輛。B類為C型橫梁，具有較大的扭轉(zhuǎn)剛度。C類為V型橫梁+扭桿結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單，成型工藝良好的特點，V型橫梁扭轉(zhuǎn)效率不高，需增加扭桿才能滿足扭轉(zhuǎn)剛度需求，但扭轉(zhuǎn)造成的應(yīng)力比較分散，疲勞特性好?，F(xiàn)階段使用車型較多，成本低，易實現(xiàn)。D類為圓管液壓成型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型困難，價格高，但其具有良好的扭轉(zhuǎn)特性。由于是采用液壓成型，可以直接使橫梁做到兩端大，中間小結(jié)構(gòu)，使得扭力梁橫梁與縱臂焊接區(qū)域變大，減少焊縫的應(yīng)力集中；由于是閉口橫梁，不會出現(xiàn)因切邊而造成邊沿缺口等缺陷，橫梁的疲勞耐久性能好。綜合以上因素，本文采用D類橫梁截面形式。1.3橫梁整體過渡形式扭力梁橫梁的整體過渡形式對橫梁整體的應(yīng)力及剛度有較大的影響，按照結(jié)構(gòu)形式大致可以分為圖2-3中的幾類。圖2-3橫梁整體過渡形式等截面式：優(yōu)點在于成型簡單，材料的利用率好，但一般會在橫梁的端部附近有應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要使用加強板來進行應(yīng)力的優(yōu)化。端部折彎式：橫梁與縱梁搭接附近的應(yīng)力集中一般位于橫梁的邊緣，增加折彎特征可以把應(yīng)力轉(zhuǎn)移到折彎的圓角位置，從而避免了橫梁邊緣的制造缺陷對扭梁疲勞耐久的影響。V型向U型過渡式：等周長情況下U型截面的扭梁剛度要高于V型，一般是橫梁中間采用V型，在端部采用U型進行過渡，從而獲得較小的剛度和比較合理的應(yīng)力分布，須要注意的是端部的U型截面不能太長，且過渡也要平順，否則很容易在過渡段產(chǎn)生較大的應(yīng)力。橫梁彎曲：橫梁彎曲的結(jié)構(gòu)有考慮空間布置要求，如昂科拉后驅(qū)車的扭力梁須要避讓驅(qū)動軸，也有通過彎曲的橫梁來減少橫梁的應(yīng)力如奧德賽、標志408等，須要注意的是彎曲的閉口梁的結(jié)構(gòu)的工藝要求較高，一般在國產(chǎn)車型上較為少見。端部截面加大式：端部截面加大是比較符合材料力學(xué)的受力原理，但考慮到橫梁與縱梁的搭接，一般只適用于開口向前或向后的橫梁形式，此外端部截面加大使得材料的利用率也大大降低。綜合以上因素，加之本文的橫梁截面形式選擇的是液壓成形，故選擇V型向U型式作為過渡形式。1.4扭力梁縱梁扭力梁的縱梁在懸架工作過程承擔自輪心而來的各種載荷，故須縱梁自身有較好的剛度和強度，縱梁常見的截面形式有如下兩種[16]：圖2-4扭力梁縱梁A類鈑金件沖壓焊接而成，其優(yōu)點在于在縱梁應(yīng)力較大的地方可以加大縱梁的截面，從而使得整個縱梁的應(yīng)力分布合理，有利于結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，其缺點是引入了兩條貫穿縱梁的焊縫，給結(jié)構(gòu)的疲勞耐久帶來風險[17]。B類由圓管彎管而成，也有形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。采用彎管及液壓成型工藝對折彎的圓角有一定要求，一般要求折彎內(nèi)側(cè)直徑大于2倍管外徑。出于經(jīng)濟性和輕量化的考慮，本文選擇A類縱梁形式，但稍加改動，變?yōu)樯舷滦问降暮附印?.5扭力梁彈簧座彈簧座主要承受彈簧的載荷，有的彈簧座承擔緩沖塊的載荷，因此對彈簧座本身的剛度、強度有較高的要求[18]。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式及功能一般可以分為以下幾類：是否承受緩沖塊力：A類為承受緩沖塊力作用的類型，在彈簧座中心有一圓柱凸臺面作為與緩沖塊的撞擊面，彈簧座的受力大，強度和剛度的要求較高，板厚也較厚。圓柱凸臺有和彈簧座整體沖壓成型，但一般成型較難，要經(jīng)過多次沖壓拉延的工藝而成。為簡化工藝，也有凸臺與彈簧座分離，通過焊接成一體。B類彈簧座則是不承受緩沖塊力的類型，其受力較小，可靠性高。彈簧是否帶升程：彈簧的升程有利于加大彈簧端部的間隙，帶有升程有利于對彈簧膠墊的限位，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如A。要合理的匹配彈簧座升程與彈簧升程的關(guān)系，否則可能會導(dǎo)致彈簧膠墊產(chǎn)生局部應(yīng)力集中破壞彈簧膠墊。圖2-5扭力梁彈簧座彈簧膠墊的限位形式：A為彈簧端部有升程限位結(jié)構(gòu)，B為無限位結(jié)構(gòu)，一般來說為使彈簧穩(wěn)定工作，都要為彈簧膠墊作限位，B結(jié)構(gòu)的彈簧上安裝膠墊有限位結(jié)構(gòu)，故下端可不做限位。C的彈簧膠墊的限位是根據(jù)用D型臺階孔進行限位，效果較好。也有結(jié)構(gòu)是在彈簧座平面上留有一孔，彈簧膠墊做一凸臺與之進行匹配。綜合考慮，本文選擇C形式。1.6扭力梁減振器支架減振器支架主要承受來自減振器的載荷，減振器的載荷不會太大，一般在2~3KN左右，也有將緩沖塊集成在減振器內(nèi)，此時減振器支架受到的載荷就大大增加，對支架的剛度強度要求較高。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式主要分為以下幾種：圖2-6扭力梁減振器支架軸銷式A：該形式結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，但減振器的安裝類似懸梁梁，緊固件的安裝面只有一面，對緊固螺栓的等級及扭矩要求較高。單獨支架B：該結(jié)構(gòu)有兩個安裝支撐面，在同等減振器的載荷下，只需要A結(jié)構(gòu)的一半的預(yù)緊力就可以達到同樣的緊固效果。但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，要處理好與縱梁、彈簧座的焊接關(guān)系。復(fù)合支架式C：該結(jié)構(gòu)有B結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，同時與彈簧座作為一個整體，有效的減少了焊縫的數(shù)量，但安裝點的整體剛度要比前兩種結(jié)構(gòu)要差。綜合以上因素，本文選擇B形式。1.7扭力梁輪轂支架輪轂支架承受來自車輪的各個方向的載荷，直接影響到行車的安全，對本身的剛度強度有較高的要求。同時輪轂支架的安裝面決定了車輪定位參數(shù)的準確性，因此對輪轂支架的安裝面精度較高，一般是在輪轂支架上焊接有一塊輪轂安裝板，待扭力梁焊接完成后，再通過機加工安裝板來保證車輪參數(shù)的準確性，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式一般有以下幾種結(jié)構(gòu)：A類結(jié)構(gòu)是U型支架與縱梁進行焊接，該結(jié)構(gòu)與縱梁的搭接工藝性較好，應(yīng)力集中一般分布在支架焊接的端部，一般需要對焊縫進行延長來避免熱影響區(qū)對扭梁疲勞壽命的影響，同時該結(jié)構(gòu)在縱向的剛較差，一般需要較厚的板料來增加支架的剛度。B類結(jié)構(gòu)在A結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加大了U型開口的角度，可以有效的提高輪轂支架在縱向的剛度，但輪轂支架與縱梁的搭接的工藝性也較差，在與縱梁焊接的端部更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，一般可以通過折彎將焊縫端部的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到折彎的區(qū)域，減少焊接端部的應(yīng)力集中[17]。C類結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式簡單，輕量化好，焊縫連續(xù)性好，但為了搭接縱梁一般需要抬高，與彈簧安裝面的落差較大。綜合以上因素，本文選擇A形式。圖2-7扭力梁輪轂支架1.8強度驗證根據(jù)上文所述，結(jié)合給出的布置空間的要求，建立如圖2-8所示的扭力梁懸架三維模型。圖2-8扭力梁懸架三維模型圖由于該種形式的懸架類型目前還沒有通用的強度檢驗公式，故本文采用有限元法進行強度校核。根據(jù)文獻[18]中給出的材料性能（如表2-9）和各種工況下的載荷（如表2-10），對有限元模型施加邊界條件和載荷。表2-1材料基本性能表2-2四中工況下施加的載荷圖2-9、2-10、2-11、2-12分別展示了在加速、制動、穩(wěn)態(tài)