晏娟，劉仁鑫，侯軍鋒，朱金和

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南昌 330045）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)市場(chǎng)的產(chǎn)能需求也越來(lái)越大，同時(shí)人們對(duì)汽車(chē)的性能要求越來(lái)越高，這就要求各個(gè)汽車(chē)生產(chǎn)商在不斷提高產(chǎn)能的同時(shí)，也要提升汽車(chē)及其零部件的性能。懸架系統(tǒng)作為汽車(chē)底盤(pán)的關(guān)鍵部分，對(duì)汽車(chē)的行駛安全可靠性和實(shí)用性能都有重要的影響，也是現(xiàn)在汽車(chē)設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)。在實(shí)際使用中，扭力梁式后懸架的破壞多數(shù)是由于強(qiáng)度失效引起的［1］。

本文采用有限元方法對(duì)扭力梁式后懸架進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)懸架進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以有效地降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，增加后懸架強(qiáng)度，避免扭力梁式后懸架在轉(zhuǎn)向和極限扭轉(zhuǎn)工況下的破壞。該方案對(duì)扭力梁式后懸架的研發(fā)具有一定的參考借鑒作用。

1 扭力梁后懸架受力分析

本文對(duì)扭力梁式后懸架進(jìn)行極限左轉(zhuǎn)向、沖擊、制動(dòng)、極限扭轉(zhuǎn)4 個(gè)工況的強(qiáng)度分析［2］。在建立模型之前，首先對(duì)扭力梁式后懸架的4 種工況進(jìn)行受力分析。

1.1 左轉(zhuǎn)向工況

結(jié)合轉(zhuǎn)向加速度產(chǎn)生的側(cè)傾效應(yīng)，后輪輪心載荷按如下方法計(jì)算：

轉(zhuǎn)向力：

輪心力矩：

支撐力：

1.2 制動(dòng)工況

結(jié)合制動(dòng)加速度產(chǎn)生的前傾效應(yīng)，后輪輪心載荷按如下方法計(jì)算：

制動(dòng)力F后＝ma［P后/（2P總）－mah1/（2nP總）］＝2 095.7 N。

制動(dòng)力矩M后＝F后·R＝662.2 N·m。

支撐力F支＝P后g/2－mah1/（2n）＝2 619.7 N。

1.3 沖擊工況

前轉(zhuǎn)向節(jié)輪心載荷按如下方法計(jì)算：

沖擊力F＝2.5gP后/2=9 640.75 N。

以上3 種工況的計(jì)算公式中：m 為整車(chē)滿(mǎn)載質(zhì)量，1 690kg；a 為轉(zhuǎn)向或制動(dòng)加速度，轉(zhuǎn)向和制動(dòng)時(shí)a=0.8 g（其中g(shù)=9.8 N/kg），沖擊時(shí)取a=2.5g；h1為整車(chē)滿(mǎn)載質(zhì)心高度，504 mm；l 為后輪距，1 520 mm（空）；n 為軸距，2 700 r/min（空）；P后為后軸滿(mǎn)載荷載，787 kg；P總為整車(chē)滿(mǎn)載荷；R 為輪胎半徑，316 mm。

1.4 極限扭轉(zhuǎn)工況

本文根據(jù)企業(yè)提供的極限扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬，在兩端懸架制動(dòng)安裝板Z 向分別添加70 N/mm 和-70 N/mm的強(qiáng)制位移，模擬扭力梁式后懸架在極限扭轉(zhuǎn)下的工況。

2 建立模型

2.1 橡膠襯套模擬方法

為了在減少計(jì)算量的同時(shí)又能充分反映原模型的實(shí)際情況，本文對(duì)結(jié)構(gòu)中橡膠襯套及穩(wěn)定桿等連接單元分別采用單點(diǎn)彈簧和彈簧等進(jìn)行了模擬。本文采用單點(diǎn)彈簧等效替代橡膠襯套，經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，單點(diǎn)彈簧可以兼顧橡膠襯套在軸向和徑向上的不同剛度。

使用單點(diǎn)彈簧模擬橡膠襯套時(shí)，根據(jù)橡膠襯套特點(diǎn)在一側(cè)襯套座建立3 個(gè)單點(diǎn)彈簧，模擬橡膠襯套的3 個(gè)方向的剛度。單點(diǎn)彈簧3 個(gè)自由度剛度數(shù)值見(jiàn)表1。用同樣的方法在懸架另一側(cè)建立對(duì)應(yīng)的單點(diǎn)彈簧。

表1 單點(diǎn)彈簧6 個(gè)自由度剛度數(shù)值

2.2 建立有限元模型

將扭力梁式后懸架幾何模型導(dǎo)入有限元前處理軟件Hypermesh 中建立有限元模型。該扭力梁式后懸架所用材料為QSTE420TM 冷成型熱軋汽車(chē)結(jié)構(gòu)鋼板，具體材料特性參數(shù)見(jiàn)表2。

有限元前處理軟件Hypermesh 中建立的扭力梁式后懸架的有限元模型見(jiàn)圖1，模型的單元目標(biāo)尺寸為5 mm，單元總數(shù)為33 602，節(jié)點(diǎn)數(shù)為34 520，三角形網(wǎng)格個(gè)數(shù)為928，其余為四邊形網(wǎng)格，其中在焊縫處為了更形象地描述焊點(diǎn)，采用的是六節(jié)點(diǎn)的實(shí)體網(wǎng)格進(jìn)行模擬［3］。

在懸架彈簧底座、襯套、制動(dòng)安裝地板各自的中心處建立獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，并以該節(jié)點(diǎn)為中心建立RBE2 剛性單元，在懸架彈簧底座處建立3 個(gè)彈簧單元。根據(jù)實(shí)際使用工況要求，設(shè)定彈簧長(zhǎng)度為206 mm，剛度為27.3 N/mm。

表2 扭力梁式后懸架材料特性

圖1 扭力梁式后懸架的有限元模型

3 強(qiáng)度分析

3.1 邊界條件

本文中使用單點(diǎn)彈簧模擬橡膠襯套，4 種工況在兩端襯套處均約束相應(yīng)自由度［4］。其他邊界條件如下：

1）左轉(zhuǎn)向工況。約束：約束兩端彈簧頂端所有自由度。載荷：在制動(dòng)安裝底板板中心施加轉(zhuǎn)矩M內(nèi)、M外，轉(zhuǎn)向力F內(nèi)、F外以及支撐力F內(nèi)、F外。

2）沖擊工況。載荷：在沖擊工況時(shí)，由于沖擊加速度較大，此時(shí)后懸架的彈簧已經(jīng)被壓縮到極限位置，阻尼器將起作用，因此通過(guò)強(qiáng)制位移將后輪中心上擺至極限位置作為位移約束，我們?cè)诤髴壹軓椈砂惭b位置分別施加大小為5 201 N 的力,并在制動(dòng)安裝底板中心施加沖擊力F。

3）制動(dòng)工況。約束：兩端彈簧頂端所有自由度。載荷：在兩端安裝底板中心分別施加X(jué) 方向的制動(dòng)力、制動(dòng)力矩和Z 方向的支撐力。

4）極限扭轉(zhuǎn)工況。約束：約束兩端彈簧頂端所有自由度。載荷：根據(jù)極限扭轉(zhuǎn)工況分析，在懸架兩端制動(dòng)安裝底板中心Z 方向分別施加70 mm 和-70 mm 的強(qiáng)制位移。

3.2 仿真及結(jié)果分析

根據(jù)應(yīng)力云圖顯示得知：制動(dòng)工況最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈簧底座，應(yīng)力值為204 MPa，沖擊工況最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈簧底座與后懸架橫梁連接處，應(yīng)力值為289 MPa（見(jiàn)表3），彈簧安裝支座材料為SAPH440，屈服強(qiáng)度為305 MPa；兩種工況應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，在后懸架實(shí)際工況中不會(huì)發(fā)生破壞。

在左轉(zhuǎn)向工況中（見(jiàn)圖2），后懸架橫梁內(nèi)加強(qiáng)板處以及后懸架梁端應(yīng)力值較大，最大應(yīng)力值483 MPa。極限扭轉(zhuǎn)工況中（見(jiàn)圖2），最大應(yīng)力出現(xiàn)在梁端，不符合實(shí)際使用情況，最大應(yīng)力值為515 MPa，該橫梁采用材料為QSTE420TM 冷成型熱軋汽車(chē)結(jié)構(gòu)鋼板，材料屈服極限為420 MPa，左轉(zhuǎn)向和極限扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力值均大于材料的屈服極限420 MPa，扭力梁式后懸架會(huì)因應(yīng)力較大而導(dǎo)致斷裂［6］。需要改進(jìn)后懸架結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力值，增加后懸架強(qiáng)度。

圖2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前應(yīng)力云圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

后懸架原結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)向和極限扭轉(zhuǎn)工況中，內(nèi)加強(qiáng)板附近應(yīng)力較大，在改進(jìn)結(jié)構(gòu)時(shí)，首先考慮對(duì)內(nèi)加強(qiáng)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本方案采用原懸架結(jié)構(gòu)，將內(nèi)加強(qiáng)板加一U型槽，重新劃分網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，其他結(jié)構(gòu)不變，見(jiàn)圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后模型對(duì)比。

計(jì)算后，到hyperview 中查看應(yīng)力和應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖4）。

根據(jù)應(yīng)力云圖知，制動(dòng)工況最大應(yīng)力值為203 MPa（見(jiàn)表3），沖擊工況最大應(yīng)力值為280 MPa，兩種工況在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后最大應(yīng)力值稍有降低，最大應(yīng)力出現(xiàn)位置沒(méi)有發(fā)生變化，后懸架不會(huì)發(fā)生破壞。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，后懸架在轉(zhuǎn)向工況下（見(jiàn)圖4），應(yīng)力最大值位于梁端及橫梁處，最大應(yīng)力值為385 MPa。極限扭轉(zhuǎn)工況下最大值出現(xiàn)在懸架橫梁上，最大應(yīng)力值為381MPa，且應(yīng)力分布均勻。

兩種工況應(yīng)力值均低于后懸架橫梁材料屈服極限420 MPa，并且兩種工況下的應(yīng)力符合后懸架在實(shí)際使用中應(yīng)力分布情況，同時(shí)制動(dòng)和沖擊工況的應(yīng)力稍有下降。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的扭力梁式后懸架應(yīng)力值降低，滿(mǎn)足強(qiáng)度和使用要求。

圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后的模型對(duì)比

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應(yīng)力云圖

表3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后各工況應(yīng)力比較 MPa

本優(yōu)化方案是在不改變其他的情況下，在內(nèi)加強(qiáng)板上開(kāi)一U 型槽，達(dá)到降低最大應(yīng)力值、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的目的，符合本文研究的目的。

5 結(jié)論

本文在hypermesh 中建立扭力梁式后懸架的有限元模型，并進(jìn)行強(qiáng)度分析和優(yōu)化改進(jìn)，具體結(jié)論如下：1）原設(shè)計(jì)在制動(dòng)和沖擊工況下，懸架不會(huì)發(fā)生破壞，而在轉(zhuǎn)向和極限扭轉(zhuǎn)工況下，后懸架應(yīng)力分布在內(nèi)加強(qiáng)板、與內(nèi)加強(qiáng)板連接的橫梁處出現(xiàn)應(yīng)力較大，存在強(qiáng)度問(wèn)題；2）本文提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，計(jì)算結(jié)果表明其降低了最大應(yīng)力值，消除了懸架斷裂的隱患。

通過(guò)各工況的強(qiáng)度分析表明，本優(yōu)化方案具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)以后扭力梁式后懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的參考意義及借鑒作用。

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