周 星

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于CAE分析軟件的扭力梁正向開發(fā)

周 星

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，乘用車市場(chǎng)的產(chǎn)能需求和汽車的性能要求越來(lái)越高。這就要求各汽車生產(chǎn)供應(yīng)商在不斷提高產(chǎn)能的同時(shí)，也要提升汽車及零部件的性能。懸架系統(tǒng)作為汽車底盤的關(guān)鍵部分，對(duì)汽車的行駛安全可靠性和使用性能都有重要影響，也是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)部分。文章以江淮S2的扭力梁式后懸架為研究對(duì)象，運(yùn)用CAE方法對(duì)扭力梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析。利用扭力梁式后懸架的三維幾何模型，建立了扭力梁懸架的有限元模型。根據(jù)汽車實(shí)際行駛中扭力梁懸架的受力特點(diǎn)，選擇了轉(zhuǎn)向1g，制動(dòng)1g，垂直3.5g，啟動(dòng) 1g，組合等五種常見工況，對(duì)該懸架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得到了各工況下的懸架應(yīng)力分布及其原因，并得出懸架滿足極限工況下的強(qiáng)度要求。針對(duì)扭力梁懸架進(jìn)行了雙輪同向、反向激振仿真試驗(yàn)和側(cè)傾仿真試驗(yàn)，分析了扭力梁懸架的K&C特性，為懸架的設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)。

扭力梁式后懸架；仿真試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；K&C特性

1 引言

1.1 課題研究背景及目的意義

懸架是車橋（或車輪）與車架（或承載式車身）之間的一切傳力連接裝置的總稱，懸架系統(tǒng)的主要功用是緩和路面對(duì)車輛的沖擊，衰減車身與車輪之間的振動(dòng)，傳遞車輪與路面之間的作用力，控制車輪和車身的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，保障汽車的正常行駛。作為底盤的重要組成部分，懸架系統(tǒng)對(duì)汽車的行駛安全性和運(yùn)動(dòng)性能都有重要的影響。根據(jù)車輪承受路面振動(dòng)沖擊時(shí)左右車輪運(yùn)動(dòng)獨(dú)立性特性，一般講懸架系統(tǒng)分為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架兩大類。近年來(lái)，一種被稱為作半獨(dú)立懸架——扭力梁懸架以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝定位布置方便、制造成本低等特點(diǎn)，被廣泛用在中小型乘用車的后懸架系統(tǒng)中。

圖 1 為江淮A2扭力梁懸架結(jié)構(gòu)示意圖，懸架的扭力梁部分主要是由橫梁和縱擺臂焊接而成，彈簧、減振器和后輪轂單元分別安裝在相應(yīng)的支座上。橫梁的截面形狀一般呈“U”形或者“V”形，有些扭力梁懸架還在其橫梁內(nèi)側(cè)加裝扭桿以加大其扭轉(zhuǎn)剛度。可將橫梁看作為具有一定扭轉(zhuǎn)剛度的彈簧，當(dāng)懸架連接的左右兩側(cè)車輪在垂直方向發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，橫梁發(fā)揮扭轉(zhuǎn)作用，產(chǎn)生一個(gè)反方向的轉(zhuǎn)矩從而控制車輪與車身之間的相對(duì)位置，由于橫梁存在一定柔性，可使左右車輪的運(yùn)動(dòng)就有一定的獨(dú)立性，因而扭力梁懸架介于獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架之間，也被稱作半獨(dú)立懸架。

圖1 扭力梁懸架結(jié)構(gòu)示意圖

扭力梁懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作用方式?jīng)Q定了其只能被用作發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)動(dòng)轎車的后懸架。汽車若采用扭力梁后懸架，其后軸的軸荷以及路面的沖擊主要由扭力梁部分承受，且扭力梁部分經(jīng)常要通過(guò)變形來(lái)控制車輪跳動(dòng)和車身側(cè)傾，工作情況惡劣。因此，扭力梁部分的結(jié)構(gòu)可靠性對(duì)汽車的正常運(yùn)行十分重要。

汽車若采用扭力梁后懸架，其前懸架由于受到安裝空間的限制，多數(shù)選用經(jīng)典的麥弗遜懸架，由于麥弗遜懸架的結(jié)構(gòu)可變性較小，整車懸架系統(tǒng)性能的優(yōu)劣與否，主要取決于扭力梁式后懸架的運(yùn)動(dòng)特性。 因此，對(duì)扭力梁懸架結(jié)構(gòu)可靠性與運(yùn)動(dòng)特性的分析研究十分重要。 本文對(duì)江淮S2扭力梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，并以此懸架為模型定性地分析研究了扭力梁式懸架的 K&C 特性，為扭力梁懸架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1 懸架結(jié)構(gòu)疲勞研究概況

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，在縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本等方面取得了巨大的成功。尤其對(duì)于汽車懸架這樣的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，其零部件的邊界條件很難通過(guò)手工計(jì)算或?qū)嶒?yàn)的方法獲得，即使通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法獲得，其實(shí)驗(yàn)過(guò)程也非常復(fù)雜，成本也很高，而借助虛擬樣機(jī)得到零部件的邊界條件，是一種十分高效的方法，并能夠獲得較為準(zhǔn)確的載荷邊界條件，因而可以輔助懸架的有限元強(qiáng)度和疲勞分析。對(duì)于懸架疲勞分析來(lái)說(shuō)，如何獲得準(zhǔn)確的路面載荷譜，是運(yùn)用虛擬試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行疲勞分析的關(guān)鍵技術(shù)之一。 目前，全球各大汽車公司在該領(lǐng)域都進(jìn)行了大量的研究，并有所突破。國(guó)外各大汽車供應(yīng)廠商和研究機(jī)構(gòu)，如 Ford，BMW，Audi，Volvo和 GM 等汽車公司的產(chǎn)品研發(fā)機(jī)構(gòu)都在其 CAD系統(tǒng)中安裝了多體動(dòng)力學(xué)分析軟件，并與有限元軟件、優(yōu)化軟件一起構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)整體。美國(guó)的權(quán)威機(jī)構(gòu) SAE（美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)）在 60 年代出版的《零件疲勞設(shè)計(jì)手冊(cè)》直至今天仍是業(yè)內(nèi)工程師進(jìn)行汽車零部件疲勞可靠性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的重要理論依據(jù)之一。德國(guó)的學(xué)者沃勒由于提出了 S-N 曲線，因而被稱為“疲勞試驗(yàn)之父”，由于其理論參數(shù)簡(jiǎn)單明了，直至今天 S-N 曲線在疲勞的分析計(jì)算領(lǐng)域中依然占有于十分重要的地位。日本在疲勞研究方面也做出了巨大的貢獻(xiàn)，疲勞計(jì)數(shù)法中最為常用的雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法就是由日本的學(xué)者 Endo 和 Matsuishi 提出的。

在國(guó)內(nèi)，由于有限元算法十分繁瑣，并加上懸架的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所以在早期缺乏相關(guān)軟件的情況下，很難運(yùn)用有限元法進(jìn)行懸架結(jié)構(gòu)的疲勞分析計(jì)算，因而在該領(lǐng)域的研究發(fā)展也較為遲緩。1993 年，同濟(jì)大學(xué)的付耀民教授運(yùn)用有限元法建立了復(fù)合式懸架車橋的結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證后，應(yīng)用于車橋橫梁的受力分析。1994 年，華南理工大學(xué)的黃向東教授采用了有限元模擬分析汽車懸架的新方法，探討研究了懸架有限元建模過(guò)程中的一些特殊問(wèn)題及其解決措施，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析了有限元分析的精度和可靠性，并通過(guò)應(yīng)用實(shí)例證實(shí)了這種方法的優(yōu)越性及其在汽車設(shè)計(jì)研究方面的巨大潛力。上海大眾公司與同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行合作，在虛擬道路應(yīng)用研究方面取得了巨大的成功，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轎車后橋總成有效地疲勞加速試驗(yàn)，大大縮短了室內(nèi)疲勞試驗(yàn)的周期。隨著我國(guó)在該領(lǐng)域的相關(guān)理論研究和軟硬件設(shè)備的不斷健全，在懸架強(qiáng)度結(jié)構(gòu)研究分析方面將會(huì)有快速的發(fā)展。

1.2.2 懸架 K&C 特性研究概況

懸架 K&C 特性包括懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性（Kinematics & Compliance,簡(jiǎn)稱 K&C 特性）。懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)主要研究車輪跳動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中車輪定位角、軸距、輪距、懸架各向剛度等參數(shù)的變化規(guī)律。而懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)是在考慮橡膠襯套等彈性元件對(duì)懸架性能影響的情況下，研究由車輪和路面之間的各向力和力矩的作用所引起的車輪定位參數(shù)的變化和車身姿態(tài)的變化。

懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性相互聯(lián)系，共同影響懸架的性能。懸架K&C 特性作為懸架重要的性能指標(biāo)對(duì)汽車的平順性、操縱穩(wěn)定性等都有直接的影響。

1.3 文章研究的主要內(nèi)容

文本的工作圍繞著扭力梁式懸架的結(jié)構(gòu)可靠性與運(yùn)動(dòng)特性展開，主要內(nèi)容如下：

1）在 ADAMS中建立后懸架動(dòng)力學(xué)模型，并提取扭梁各工況下的載荷；

2）在hypermesh中對(duì)建立的后扭梁模型數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入提取的載荷，對(duì)現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的扭梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，進(jìn)行理論校核，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化及提升。

3）建立了扭力梁懸架虛擬試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)該扭力梁懸架進(jìn)行了雙輪同向異向激振仿真試驗(yàn)和側(cè)傾仿真試驗(yàn)，分析了扭力梁式懸架的 K&C 特性，為扭力梁懸架的設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)。

2 S2扭力梁初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模型建立

首先根據(jù)前期A2、A21的扭梁故障點(diǎn)來(lái)對(duì)S2進(jìn)行針對(duì)加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

2.1 縱臂

原A2縱臂如下圖2所示：

圖2

該結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)為：縱臂彎角多且大，不利于力的傳遞及釋放，容易形成應(yīng)力集中，縱臂管徑及厚度應(yīng)用于 S2根據(jù)路試經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)偏小。

根據(jù)以上弊端，重新設(shè)計(jì)S2縱臂如下圖3所示：

該結(jié)構(gòu)縱臂管材由原先的直徑58mm厚4mm加粗至直徑65mm厚5mm，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升。

圖3

2.2 彈簧托盤

原A2彈簧托盤結(jié)構(gòu)為片裝，如下圖4所示，其固定后螺旋彈簧的靠中間圓形突起結(jié)構(gòu)與車身縱梁上固定座夾緊。彈簧托盤后部無(wú)其余后彈簧遮擋結(jié)構(gòu)，雖然在 A2上設(shè)計(jì)有一定彈簧預(yù)壓量來(lái)保證彈簧夾緊，但超過(guò)預(yù)壓量的外力情況下，彈簧仍舊有掉出的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4

現(xiàn) S2針對(duì)該弊端進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，借鑒目前后扭力梁車型主流彈簧托盤結(jié)構(gòu)，采用碗狀結(jié)構(gòu)，由于同屬于同一平臺(tái)，彈簧硬點(diǎn)無(wú)法變更，故將彈簧托盤一側(cè)與縱臂搭接，一側(cè)與橫梁搭接，這樣也有利于應(yīng)力的平均分配。綜上彈簧托盤的結(jié)構(gòu)如下圖5所示：

圖5

彈簧托盤盡可能多的與縱臂及橫梁搭接，以平均分散應(yīng)力，其與縱臂有兩段弧形搭接并焊接，下側(cè)再伸出一支角與縱臂焊接進(jìn)行加強(qiáng)，與橫梁有約150mm搭接并焊接。

2.3 橫梁

橫梁截面形狀沿用A2，長(zhǎng)度根據(jù)縱臂進(jìn)行調(diào)整。

最終在CATIA中建立S2扭力梁數(shù)據(jù)模型，如下圖6所示：

圖6

3 S2扭力梁動(dòng)力學(xué)模型建立

首先在ADAMS中建立S2的后懸架動(dòng)力學(xué)模型，按照總布置輸入的后懸架硬點(diǎn)參數(shù)（見下表1）。

表1

建立的動(dòng)力學(xué)模型如下圖7所示：

圖7

4 S2扭力梁有限元模型的建立與典型工況分析

4.1 S2扭力梁有限元模型的建立

扭力梁是扭力梁式懸架的主體部分，其包括縱臂、橫梁、扭桿等部分，是進(jìn)行此類懸架設(shè)計(jì)分析的主要部分，也是決定扭力梁懸架各項(xiàng)性能核心部分。因此，本節(jié)在有限元前處理軟件 HyperMesh 中建立了該懸架扭力梁部分進(jìn)行有限元模型，為結(jié)構(gòu)分析計(jì)算做準(zhǔn)備。 進(jìn)行有限元建模時(shí)，既要真實(shí)地反映出結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，又要采用適當(dāng)?shù)膯卧螒B(tài)和盡量少的單元數(shù)目。因此，在進(jìn)行該懸架扭力梁部分有限元建模時(shí)應(yīng)做如下考慮。

（1）幾何模型的簡(jiǎn)化：忽略扭力梁懸架上一些對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較小并對(duì)分析結(jié)果沒有影響的細(xì)小的幾何特征。

（2）網(wǎng)格類型的選擇：懸架扭力梁部分主要是由金屬板殼沖壓件相互焊接構(gòu)成，而 HyperMesh 中的殼單元（PSHELL）主要用于建立厚度尺寸遠(yuǎn)小于其他尺寸的板件結(jié)構(gòu)模型中，因此扭力梁懸架網(wǎng)格主要采用（PSHELL）殼單元形式；懸架中的焊縫也采用殼單元來(lái)進(jìn)行模擬實(shí)際情況。

（3）由于扭力梁各部分板件的厚度不同，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，應(yīng)將不同厚度的板件劃分為不同的部分，將該懸架扭力梁共劃分為橫梁、縱擺臂、扭桿、襯套座、輪轂支架、減震器支架等 6 個(gè)的部分。

將后扭力梁部分的 CATIA 三維模型導(dǎo)入到 Hyper-Mesh中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為 3mm，有限元模型總共包含38183個(gè)節(jié)點(diǎn)，37420個(gè)殼單元，其中有四邊形單元36266個(gè)，三角形單元887個(gè)，占全部單元的 2.4%。

下圖8為前處理后的扭力梁有限元模型，各部分材料厚度如表2所示。

圖8

表2 S2扭力梁各部件材料及厚度

4.2 S2扭力梁經(jīng)典工況分析

對(duì)于上一章節(jié)中提取的 S2經(jīng)典工況載荷應(yīng)用于hypermech有限元模型中，扭力梁懸架進(jìn)行轉(zhuǎn)彎1g、制動(dòng)1g、垂直3.5g、啟動(dòng)1g和組合工況下的靜強(qiáng)度分析，通過(guò)分析得到懸架扭力梁部分在各種極限工況下的應(yīng)力分布云圖和最大應(yīng)力值，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)扭力梁懸架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度做出評(píng)價(jià)。

4.2.1 轉(zhuǎn)向1g工況受力分析結(jié)果

轉(zhuǎn)向1g工況是指當(dāng)車輛在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，向心力達(dá)到物理極限1g的工況。該情況下，扭力梁將會(huì)受到到極限的扭轉(zhuǎn)變形。

圖9

扭力梁轉(zhuǎn)向1g工況下靜強(qiáng)度計(jì)算分析：

運(yùn)用 Optistruct 對(duì)該扭力梁進(jìn)行轉(zhuǎn)向 1g工況下的靜強(qiáng)度計(jì)算，分析結(jié)果如下。

其中縱臂應(yīng)力云圖9：

所示縱臂轉(zhuǎn)向 1g最大應(yīng)力 388.5Mpa，材料屈服強(qiáng)度345Mpa。

橫梁應(yīng)力云圖10：

圖10

其最大應(yīng)力332.487Mpa，材料屈服強(qiáng)度355Mpa。彈簧托盤應(yīng)力云圖11：

圖11

最大應(yīng)力313Mpa，材料屈服強(qiáng)度420MPa。

綜上，轉(zhuǎn)向1g工況下，除縱臂小部分處超出強(qiáng)度要求，其余部件全部滿足要求，且縱臂超出部分是縱臂與橫梁搭接處，分析結(jié)果該區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且該區(qū)域?qū)儆诤附訁^(qū)，若嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，可避免問(wèn)題出現(xiàn)。

4.2.2 制動(dòng)1g工況受力分析結(jié)果

制動(dòng)1g是指車輛在全力制動(dòng)時(shí)以物理最大極限1g的減速度的工況，由于制動(dòng)時(shí)車輛重心向前轉(zhuǎn)移，后軸受力減少，預(yù)測(cè)扭力梁在該工況下受力較小。

扭力梁制動(dòng)1g工況下靜強(qiáng)度計(jì)算分析：

運(yùn)用 Optistruct 對(duì)該扭力梁進(jìn)行制動(dòng) 1g工況下的靜強(qiáng)度計(jì)算，分析結(jié)果如下：

在制動(dòng) 1g工況下，扭力梁全部結(jié)構(gòu)收到最大應(yīng)力為120.2Mpa。遠(yuǎn)小于各個(gè)材料的屈服極限。故制動(dòng) 1g工況下扭力梁滿足強(qiáng)度要求。

4.2.3 垂直3.5g工況受力分析結(jié)果

垂直3.5g工況是指車輛車輪調(diào)入凹坑，由于重力因素懸架部件收到撞擊，采用3.5g加速度來(lái)模擬日常車輛使用過(guò)程中能夠遇到的比較惡劣的情況。

扭力梁垂直3.5g工況下靜強(qiáng)度計(jì)算分析：

運(yùn)用 Optistruct 對(duì)該扭力梁進(jìn)行垂直3.5g工況下的靜強(qiáng)度計(jì)算，分析結(jié)果如下：

其中縱臂分析結(jié)果：

圖12

其最大應(yīng)力為268.4Mpa，小于屈服極限345Mpa。彈簧托盤分析結(jié)果：

圖13

其中最大應(yīng)力265.3Mpa，小于屈服極限460Mpa。橫梁分析結(jié)果：

圖14

其中最大應(yīng)力266.1Mpa，小于屈服極限355Mpa。輪轂支架分析結(jié)果：

圖15

其中最大應(yīng)力182.5Mpa，小于屈服極限305Mpa。

綜上，在垂直3.5g工況下，扭力梁各個(gè)部件均能滿足強(qiáng)度要求。

4.2.4 啟動(dòng)1g工況受力分析結(jié)果

啟動(dòng)1g是指當(dāng)車輛以1g的加速度啟動(dòng)的工況。

扭力梁?jiǎn)?dòng)1g工況下靜強(qiáng)度計(jì)算分析：

運(yùn)用 Optistruct 對(duì)該扭力梁進(jìn)行啟動(dòng) 1g工況下的靜強(qiáng)度計(jì)算，分析結(jié)果如下：

啟動(dòng)1g工況下扭力梁最大應(yīng)力為161.8Mpa，小于各個(gè)部件的屈服強(qiáng)度，故啟動(dòng)1g工況下，該扭梁結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

4.2.5 組合工況受力分析結(jié)果

組合工況及將以上所有工況進(jìn)行加權(quán)組合，以模擬車輛日常使用過(guò)程中的復(fù)雜受力情況。

組合工況由于是所有工況的加權(quán)，其分析結(jié)果供參考，并且材料強(qiáng)度校核采用抗拉強(qiáng)度進(jìn)行。

組合工況下得到扭力梁總體分析結(jié)果如下：

組合工況下最大應(yīng)力為360.8Mpa，小于各個(gè)部件的抗拉強(qiáng)度，故組合工況下滿足強(qiáng)度要求。

4.3 本章小結(jié)

本章將設(shè)計(jì)的 S2后扭力梁模型建立，在有限元前處理軟件HyperMesh中建立了該懸架扭力梁部分的有限元模型。對(duì)該扭力梁懸架進(jìn)行了轉(zhuǎn)向 1g、制動(dòng) 1g、垂直 3.5g、啟動(dòng)1g和組合工況的受力分析。根據(jù)所建立的有限元模型，進(jìn)一步對(duì)該懸架進(jìn)行極限工況下的靜強(qiáng)度分析。根據(jù)分析結(jié)果，在極限工況下該扭力梁懸架滿足的材料強(qiáng)度要求，不會(huì)發(fā)生破壞。

5 扭力梁懸架K&C特性仿真分析

懸架的 K&C 特性對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性、平順性、抗側(cè)傾性能等有重要的影響，是懸架系統(tǒng)和汽車底盤設(shè)計(jì)研發(fā)的重要內(nèi)容。對(duì)于形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的扭力梁懸架，如何通過(guò)改進(jìn)其懸架 K&C 特性以保證整車的運(yùn)動(dòng)特性也是扭力梁懸架設(shè)計(jì)開發(fā)的重要工作。 本章基于虛擬仿真測(cè)試手段，運(yùn)用ADAMS/Car 軟件中的虛擬懸架試驗(yàn)臺(tái)(MDI_SUSPENSION_RESTRIG)對(duì)扭力梁懸架進(jìn)行 K&C 特性分析。

5.1 后懸架動(dòng)力學(xué)模型的建立

圖16

ADAMS/Car 中的懸架試驗(yàn)臺(tái)架總成(Suspension Asse-mbly)是由懸架子系統(tǒng)和虛擬懸架試驗(yàn)臺(tái)(MDI_SUSPENSI-ON_RESTRIG)構(gòu)成的。建立總成模型之前首先要建立目標(biāo)懸架的子系統(tǒng)模型，然后將懸架子系統(tǒng)與試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行裝配，懸架與臺(tái)架之間通過(guò)相應(yīng)的通訊器(Communicator)進(jìn)行信息交換傳遞。在 ADAMS/Car 環(huán)境下，將第三章建立的扭力梁懸架子系統(tǒng)與試驗(yàn)臺(tái)(MDI_SUSPENSION_RESTRIG)進(jìn)行虛擬裝配，建立了扭力梁懸架臺(tái)架總成模型，如圖16所示。并按照S2實(shí)際滿載情況設(shè)置臺(tái)架試驗(yàn)的整車參數(shù)和輪胎參數(shù)。

5.2 評(píng)價(jià)參數(shù)

5.2.1 車輪外傾角

車輪外傾角是通過(guò)車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂線之間的夾角，圖 17 所示α 為正向的車輪外傾角。車輪外傾角是影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要車輪定位參數(shù)。設(shè)計(jì)車輪外傾角是為了確保汽車運(yùn)行出現(xiàn)側(cè)傾時(shí)車輪盡量保持垂直于地面的狀態(tài)，從而提高輪胎側(cè)偏特性。為了增大車輪接地點(diǎn)的橫向跨度以增加車輛的橫向穩(wěn)定性，并抵消汽車高速和加速時(shí)由于車輪前張?jiān)斐傻妮喬ツp加劇，汽車后輪的外傾角常設(shè)計(jì)為負(fù)值。

圖17

5.2.2 車輪前束角

車輪前束角是地面與車輪平面、過(guò)車輪中心且平行于汽車前進(jìn)方向的垂直平面交線的夾角，朝汽車前進(jìn)方向偏轉(zhuǎn)為正，相反為負(fù)，圖中所示的角α 為正的車輪前束角。前束角的設(shè)計(jì)是為了減輕因車輪外傾引起的車輪邊滾邊滑并消除汽車行駛時(shí)車輪的前張，改善輪胎的磨損情況，且對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向特性有重要作用。

圖18

5.3 扭力梁懸架 K&C 特性仿真分析

ADAMS/Car 中提供了多種類型的懸架臺(tái)架運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)，對(duì)于扭力梁懸架的 K&C 特性測(cè)試試驗(yàn)的主要研究車輪上下跳動(dòng)和車身受側(cè)傾時(shí)車輪定位參數(shù)與車身姿態(tài)的變化規(guī)律，因此，本節(jié)對(duì)該扭力梁懸架進(jìn)行了雙輪同向、反向激振試驗(yàn)，以定性分析扭力梁懸架的K&C特性。

5.3.1 雙輪同向激振試驗(yàn)

懸架雙輪同向激振試驗(yàn)是最常用的測(cè)試懸架 K&C 特性的試驗(yàn)項(xiàng)目，也是分析懸架運(yùn)動(dòng)特性的基本試驗(yàn)方法，主要用于研究懸架對(duì)汽車直線行駛特性的影響。測(cè)試過(guò)程中，左右兩側(cè)車輪同時(shí)受力，在試驗(yàn)臺(tái)的作用下同方向的上下運(yùn)動(dòng)。理論上，懸架兩側(cè)車輪應(yīng)該有相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本節(jié)的仿真設(shè)定兩側(cè)車輪的上下跳動(dòng)行程分別為 105mm、55mm，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)施加與兩側(cè)車輪的輪心處。仿真完成后，得到各參數(shù)變化曲線，如圖：

圖19

5.3.2 雙輪反向激振試驗(yàn)

圖20

雙輪反向激振試驗(yàn)與同向反向激振相反，車輪一側(cè)處于上跳狀態(tài)，另一側(cè)處于下行狀態(tài)，上下行程分別為105mm、55mm。仿真完成后，得到各參數(shù)變化曲線，如圖20：

5.4 本章小結(jié)

綜上：根據(jù)仿真結(jié)果可知：該后輪變化趨勢(shì)滿足不足轉(zhuǎn)向特性，對(duì)于操縱性能有利好作用。

6 結(jié)論

本文的工作圍繞著扭力梁式懸架的結(jié)構(gòu)可靠性與運(yùn)動(dòng)特性展開。綜合有限元理論、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，使用現(xiàn)有成熟的軟件對(duì)某乘用車扭力梁式后懸架進(jìn)行多種工況下的結(jié)構(gòu)可靠性分析計(jì)算，并以該懸架為研究對(duì)象，對(duì)扭力梁式懸架的 K&C 特性進(jìn)行分析研究。

本文所做工作和取得的成果總結(jié)如下：

（1）根據(jù)初步待分析的S2車型后扭力梁CATIA 三維幾何模型，在 HyperMesh 中建

立了有限元模型。

（2）在ADAMS/CAR中建立S2后懸架的動(dòng)力學(xué)模型。并提取載荷

（3）根據(jù)載荷在各種典型工況下的靜強(qiáng)度分析計(jì)算，分析結(jié)果表明，扭力梁上的最大應(yīng)力均小于材料的屈服極限，極限工況下不會(huì)產(chǎn)生破壞。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社. 2005,8.

[2] 哈斯.皮特維拉麥特.車輛動(dòng)力學(xué)模擬及其方法[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 1998.

[3] 郭孔輝.汽車操縱動(dòng)力學(xué)[M].長(zhǎng)春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社, 1991.

[4] 王晨均.扭轉(zhuǎn)梁后懸架與加強(qiáng)版之間的焊縫狀態(tài)對(duì)后橋疲勞壽命的影響研究[J].汽車與配件. 2010,3（28）: 32-33.

[5] 酈明.汽車結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)[M].合肥:中國(guó)科技大學(xué)出版社, 1995.

The torsion beam is being developed based on CAE analysis software

Zhou Xing
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

With the development of our society and economy, the passenger car market is becoming increasingly booming,and people’s demand for passenger car is growing day and day, meanwhile higher and higher petitions are asked by customers, all which require each car manufacturer and supplier not only to increase production capacity but also to improve the performance of automobile and its parts. As the key part of chassis, suspension system plays an important role in car’s driving safety, reliability and performance, and it is also the study topic of modern auto design. In this paper, the structural strength, fatigue life and dynamic characteristic of the torsion beam rear suspension for an intermediate car are analyzed based on CAE method so as to improve its reliability and Kinematics & Compliance property. Finite element model of the torsion beam suspension is built according to the 3-D model supplied by manufacturer. Based on the suspension’s mechanical characteristic in actual driving, three common conditions are chosen, which contain impact load condition caused by uneven road, limit torsion condition and max lateral force condition, suspension stress distribution and its reasons are gained through the static strength calculation, besides, it is concludedD that the strength of this suspension meet the requirement under the limit driving condition. The full vehicle model and virtual road for durability test are built by means of multi-body dynamics method. According to the “the specification of Hainan proving ground for automobile type approval and reliabi -lity driving test”, the suspension’s fatigue durability is tested on virtual road. Parallel wheel travel and roll test are simulated, and the K&C characteristics are analyzed, which can provide basis for suspension design and research.

Torsion beam rear suspension; Simulation Modal stress recovery; structure intensity; Kinematics &Compliance property

U463.33

A

1671-7988 (2017)21-102-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.035

CLC NO.: U463.33

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1671-7988 (2017)21-102-07

周星，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。