0 引言

20 世紀(jì) 70 年代，在車(chē)輛中出現(xiàn)了扭力梁式懸架，至今該種懸架結(jié)構(gòu)仍被廣泛應(yīng)用，特別是應(yīng)用于前輪驅(qū)動(dòng)的中小型家庭轎車(chē)的后懸架系統(tǒng)，其主要包含 4 部分：承受主要垂向和側(cè)向力的矩扭轉(zhuǎn)橫梁，焊接在扭轉(zhuǎn)橫梁左右兩側(cè)的縱向擺臂，在縱向擺臂前端連接車(chē)身的彈性元件及支架，彈簧減振器系統(tǒng)[1]。拖曳臂式懸掛既有非獨(dú)立懸掛存在的缺點(diǎn)，又有獨(dú)立懸掛的優(yōu)點(diǎn)。扭力梁式懸架主要優(yōu)點(diǎn)：

 

(1) 從安裝角度來(lái)看，車(chē)輛中安裝整個(gè)懸架的空間小，不需要控制臂和桿，只有少量部件需要裝配，一體的彈簧減振器或分開(kāi)的減振器和彈簧容易匹配，容易安裝和拆卸。

 

(2) 從懸架匹配角度來(lái)看，有一個(gè)有利的從車(chē)輪中心到彈簧的傳動(dòng)比，只有兩個(gè)襯套安裝點(diǎn)，它們幾乎對(duì)車(chē)輪跳動(dòng)沒(méi)有影響。

 

(3) 從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來(lái)看，在側(cè)向力工況下有較低的外傾改變，有較低的側(cè)傾不足轉(zhuǎn)向特性，有較好的縱傾軸線位置，它能降低制動(dòng)時(shí)車(chē)尾抬起量。橫梁還具有穩(wěn)定桿的功能。而其主要缺點(diǎn)是：由于控制臂的變形，具有側(cè)向力過(guò)度轉(zhuǎn)向傾向；橫梁中具有扭轉(zhuǎn)和剪切應(yīng)力；焊縫中具有較高的應(yīng)力；允許的后軸載荷受到后軸強(qiáng)度的限制。在運(yùn)動(dòng)學(xué)上，確定的車(chē)輪位置限制了懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)的變化，瞬時(shí)中心位置的確定依賴于軸的運(yùn)動(dòng)和扭力梁的剛度，車(chē)輪相互影響。另外由路面引起的振動(dòng)和噪聲很難減弱圓。

 

汽車(chē)后橋總成作為車(chē)輛的一個(gè)重要承載部件，傳遞著車(chē)架與路面之間各個(gè)方向的作用力，其質(zhì)量對(duì)車(chē)輛的安全性和可靠性具有重要影響。因而，本文基于某轎車(chē)扭桿梁式后橋的實(shí)際結(jié)構(gòu)，采用 Hyperworks、abaqus 對(duì)該后橋進(jìn)行了有限元建模，按照整車(chē)在 3 種工況下的受力特征，對(duì)該后橋進(jìn)行強(qiáng)度分析

 

1、扭轉(zhuǎn)梁有限元模型的建立

一個(gè)完整的有限元分析包括有限元幾何模型的建立、劃分網(wǎng)格、定義材料特性、定義邊界條件、定義單元的物理屬性，然后進(jìn)行分析運(yùn)算，最后輸出分析結(jié)果。

 

1.1、幾何模型的建立

在 HyperMesh 軟件中，導(dǎo)入 UG 建好的三維實(shí)體模型。由于扭力梁是對(duì)稱部件，且要保證網(wǎng)格左右對(duì)稱性，只對(duì)扭力梁一半進(jìn)行幾何處理，利用 HyperMesh 抽取中位面，對(duì)所有的鈑金件進(jìn)行一次性抽取中位面[2]，抽取后要考慮對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理和幾何清理，以便于劃分優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格進(jìn)行分析。Hyperblesh 軟件中進(jìn)行幾何清理主要內(nèi)容包括簡(jiǎn)化模型的幾何細(xì)節(jié)、幾何修復(fù)和拓?fù)涓倪M(jìn)。通過(guò)幾何清理除去小孔、錯(cuò)位和不需要的細(xì)節(jié)，修復(fù)模型的錯(cuò)誤，壓縮兩相鄰曲面的公共邊界，這些措施有利于網(wǎng)格的劃分，能夠保證網(wǎng)格的正確連接，可獲取高質(zhì)量的網(wǎng)格樣式，以提高整個(gè)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和速度，其計(jì)算精度也可以得到提高。

 

在網(wǎng)格劃分前，常需要對(duì)導(dǎo)入的幾何模型進(jìn)行檢查并進(jìn)行清理[3]，找出幾何模型的自由邊的分布情況，看有沒(méi)有缺面、重面、錯(cuò)位、是否有狹窄邊，這些缺陷直接影響后面的網(wǎng)格劃分質(zhì)量，甚至?xí)?dǎo)致有限元模型無(wú)法求解或結(jié)果失真，為了解決這些問(wèn)題常需要對(duì)缺面進(jìn)行填補(bǔ)和合并，刪除重復(fù)的面，對(duì)于錯(cuò)位和邊界不連續(xù)的進(jìn)行邊界合并，改善幾何模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些都可以提高網(wǎng)格的劃分速度和質(zhì)量，提高計(jì)算的精度，劃分網(wǎng)格前的幾何清理是劃分前不可缺少的工作。

 

1.2 網(wǎng)格劃分的幾何處理

考慮模型的計(jì)算時(shí)間，由于扭力梁由沖壓散件焊接而成，因此有限元模型采用殼單元對(duì)后橋進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用 HyperMesh 中的 2D 面板中的 automesh 工具自動(dòng)劃分二維單元，對(duì)于扭桿實(shí)體零件，為了保證網(wǎng)格的精度，在這里采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為保證有限元分析計(jì)算的精度，對(duì)于面單元一定要檢查單元的質(zhì)量，以免質(zhì)量較差的網(wǎng)格單元影響分析結(jié)果精度，更有甚者模型就計(jì)算不下去。影響網(wǎng)格 2D 單元網(wǎng)格質(zhì)量的因素主要是：翹曲度、長(zhǎng)寬比、雅克比、扭曲角和四邊形最大角、最小角，以及三角形單元所占比例、最大角、最小角，表示單元值中最小值與最大值之比，通常雅克比大于 0．7 時(shí)，是可以接受的；翹曲度表示在四邊形中，沿對(duì)角線分割成的兩三角形所在平面的夾角，單元的翹曲在有限元模型中是被允許的，但不能超過(guò)一定的界限，翹曲太大會(huì)影響網(wǎng)格的精度，此外，其他的一些網(wǎng)格指標(biāo)也應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。

 

1.3 材料屬性

分別對(duì)扭轉(zhuǎn)梁各部件橫梁、縱臂、各加強(qiáng)板、彈簧托盤(pán)、制動(dòng)安裝底板附材料屬性，材料屬性都采用鋼材加工，根據(jù)鋼材的物理特性，其彈性模量 E=2100 0MPa，泊松比為 0．3，材料密度為 7 850 kg／m^3。

 

1.4 連接

扭力梁是沖壓散件焊接而成，有限元中對(duì)焊縫的模擬一般有三種方式：剛性單元、同節(jié)點(diǎn)和 2D 單元進(jìn)行連接。本文采用 2D 單元，對(duì)于彈簧采用彈簧單元(spring)模擬，同時(shí)設(shè)定彈簧的實(shí)際剛度屬性值，后橋是通過(guò)一個(gè)銷(xiāo)和襯套與車(chē)身連接在一起的，橡膠件在各個(gè)方向都有一定的剛度要求，模擬此處采用襯套單元模擬，用剛性單元耦合襯套內(nèi)鋼套，在同一個(gè)位置建兩個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)添加襯套單元，緩沖塊是起限位緩沖吸振的彈性元件，防止懸架被“擊穿”造成的撞擊，與彈簧并聯(lián)成一非線性很強(qiáng)的彈性元件來(lái)限制懸架的行程和吸收從車(chē)輪傳到車(chē)身的沖擊載荷，通常將其剛度設(shè)計(jì)成變剛度，用 bushing 單元模擬。

 

 

圖 1 扭轉(zhuǎn)梁后橋的有限元模型

 

1.5、邊界條件的建立

邊界條件確立的主要原則就是消除結(jié)構(gòu)的剛體位移，既不要出現(xiàn)過(guò)約束也不要出現(xiàn)欠約束，模擬的邊界能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，對(duì)于扭轉(zhuǎn)梁邊界可以確定，約束減振器上端點(diǎn)，彈簧上端點(diǎn)，扭轉(zhuǎn)梁臂端點(diǎn) 6 個(gè)方向的自由度。

 

2、極限工況及輪胎力的計(jì)算

汽車(chē)在行駛過(guò)程中可能會(huì)遇到多種極限工況[5]，遇到這些工況懸架必須具備足夠的強(qiáng)度才能保證汽車(chē)正常行駛，本文對(duì)扭轉(zhuǎn)梁強(qiáng)度的校核采用以下極限工況：向后緊急制動(dòng)工況、雙側(cè)車(chē)輪過(guò)凸包工況、極限轉(zhuǎn)向工況，以下具體介紹這幾種工況及輪胎力的計(jì)算。

 

2.1、向后緊急制動(dòng)工況

在該工況下，主要是描述汽車(chē)在滿載狀態(tài)下向后倒車(chē)行駛時(shí)懸架受到垂直沖擊載荷的作用，在緊急情況，車(chē)輪抱死且受到極大的制動(dòng)力，參考[6]選擇動(dòng)載系數(shù)，具體公式如下：

 

 

 

2.1、雙側(cè)車(chē)輪過(guò)凸包工況

在該工況下，主要是描述車(chē)輛駛過(guò)路面凸塊狀物體時(shí)，車(chē)輛懸架受到垂向沖擊載荷作用，參考[7]選擇動(dòng)載系數(shù)，具體公式如下：

 

 

 

2.3、極限轉(zhuǎn)向工況

汽車(chē)在最大側(cè)向加速度轉(zhuǎn)向的作用下，汽車(chē)側(cè)傾最嚴(yán)重，車(chē)輪受到極大的側(cè)向力和垂向力，參考選擇動(dòng)載系數(shù)，具體公式如下：

 

 

 

2.4、各工況輪胎接地力

根據(jù)整車(chē)廠提供的滿載設(shè)計(jì)參數(shù)，采用以上各工況后輪的接地點(diǎn)的受力計(jì)算公式，計(jì)算各個(gè)工況下后輪接地力如表 1

 

表 1 各個(gè)工況下后輪接地力

 

 

3、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核

將各工況下的輪胎接地力按上述表 2 加載的位置進(jìn)行加載，通過(guò) abaqus 求解器計(jì)算得出扭轉(zhuǎn)梁應(yīng)力分布情況，將這些應(yīng)力跟各部件的許用應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比進(jìn)行強(qiáng)度分析，各工況下扭轉(zhuǎn)梁強(qiáng)度分析如圖 2~4 所示

 

 

圖 2 極限轉(zhuǎn)向工況

 

 

圖 3 雙側(cè)車(chē)輪過(guò)凸包工況

 

 

圖 4 向后緊急制動(dòng)工況

 

3.2、計(jì)算結(jié)果分析

從以上三種工況下的應(yīng)力云圖分析可以看出，高應(yīng)力區(qū)主要集中在橫梁邊緣、扭桿兩端，在向后緊急制動(dòng)、雙側(cè)車(chē)輪過(guò)凸包工況下、，最大應(yīng)力區(qū)主要分布在橫梁邊緣，應(yīng)力值達(dá)到412MP，已經(jīng)比較接近橫梁所用的材料是 QSTE460T 的屈服強(qiáng)度 460MP，但仍處于安全狀態(tài)，在極限轉(zhuǎn)向工況下，最大應(yīng)力區(qū)也是主要分布在橫梁邊緣和扭桿兩端，橫梁邊緣達(dá)到383MP，沒(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，也是安全的，扭桿兩端的應(yīng)力范圍處在 350~370MP之間，扭桿采用的材料扭桿所用的材料是 20CrMo，屈服強(qiáng)度為 685MP，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材的屈服強(qiáng)度，從總成整個(gè)應(yīng)力分布來(lái)看，扭轉(zhuǎn)梁處于安全狀態(tài)。

 

4、結(jié)論

1、 本文利用有限元軟件 hypermesh、abaqus 對(duì)扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，分別模擬了雙側(cè)車(chē)輪過(guò)凸包工況、向后緊急制動(dòng)工況，極限轉(zhuǎn)向工況，分析結(jié)果表明后橋總成滿足結(jié)

構(gòu)強(qiáng)度要求。

 

2、 利用有限元軟件分析可以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本，減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，具有十分重要的意義。

 

3、 本文不足之處沒(méi)有考慮沒(méi)有考慮擺臂襯套的影響，所以存在一定的誤差，還缺少?gòu)?qiáng)度實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

 

資料來(lái)源：達(dá)索官方