張旭 趙天會 代慈華 陳永勝

（重慶天人工業(yè)集團研發(fā)中心）

汽車后橋扭力梁是汽車的關鍵部件之一，主要作用是平衡左右車輪的上下跳動，以減輕汽車的搖晃，保持汽車平穩(wěn)行駛，提高整車的側傾剛度。傳統(tǒng)結構的扭力梁各組成部件多為鈑金沖壓成型，所以兩端開口外翻，而且橫梁扭轉剛度相對較小，因此現(xiàn)有扭力梁的軸線上都設置有1根穩(wěn)定桿以提高其扭轉剛度，整個生產(chǎn)過程復雜，零件質(zhì)量重，成本高。在當前節(jié)能環(huán)保、輕量化及降成本的研究熱點背景下，亟需一種成本低、工藝簡單及產(chǎn)品強度好的輕量化封閉截面式扭力梁。文章闡述了采用沖壓成型和經(jīng)過高頻淬火工藝成型的封閉截面式扭力梁橫梁的性能和工藝，可實現(xiàn)在達到汽車輕量化的同時提高整車性能。

1 封閉截面式扭力梁后懸架系統(tǒng)簡述

封閉截面式扭力梁式半獨立后懸架系統(tǒng)發(fā)明于20世紀70年代，扭力梁是汽車后懸掛系統(tǒng)中最核心的一個部件，它在汽車行駛過程中能保證轉彎時的安全、對緩解整車顛簸起著較為重要的作用，所以剛度、強度及疲勞性能是整個后懸掛系統(tǒng)的設計重點[1]。封閉截面式扭力梁與V型穩(wěn)定桿扭力梁相比具有以下優(yōu)點：1）封閉式扭力梁可大幅減少零件數(shù)量；2）相同性能參數(shù)要求下，根據(jù)經(jīng)驗，質(zhì)量相對減輕2～6 kg，符合汽車輕量化發(fā)展的要求；3）能減少焊接長度，封閉式扭力梁僅為橫梁端部圓周焊接，而穩(wěn)定桿的連接點往往需要大量的焊料，導致焊接周圍的熱影響區(qū)成為總成耐久的弱點；封閉式扭力梁的焊縫較長，有助于分散焊接時的熱量，降低對熱影響區(qū)的影響。典型的扭力梁主要有2種形式：1）沖壓成型的U型結構或V型結構，一般厚度為5～10 mm，成型后的扭力梁中間增加1根穩(wěn)定桿來保持汽車在彎道時的平衡；2）由管件直接成型的封閉截面式扭力梁，由于截面整體是封閉結構，不再含有穩(wěn)定桿，在減重的同時也提高了整體的強度和剛度。典型的扭力梁式半獨立后懸架系統(tǒng)主要由五部分組成，主要承受垂向和側向產(chǎn)生力矩的扭轉橫梁、橫梁兩側焊接的縱臂、焊接在縱臂上端連接車身的襯套、輪轂支架及彈簧座的載荷。封閉截面式扭力梁后懸架系統(tǒng)的優(yōu)點：1）結構簡單，易于拆裝，極少的占用底盤懸架垂向和橫向空間，有利于油箱、消聲器及備胎等零部件的布置；2）后懸架質(zhì)量小，有利于節(jié)省燃油；3）封閉截面式的設計，可兼顧開口梁穩(wěn)定桿的作用，降低開發(fā)成本；4）只有較少的部件需要裝配，2個襯套安裝點幾乎對車輪的跳動沒有影響，在側向力的作用下外傾角改變較小?；谝陨蟽?yōu)點，封閉截面式扭力梁后懸架系統(tǒng)在A級轎車和中低端SUV得到了廣泛的應用。

2 扭力梁結構及成型工藝

圖1示出封閉扭力梁數(shù)模及其截面形狀，該梁左右對稱，梁體沿長度方向分為橫梁端部、過渡區(qū)及中間V型截面區(qū)，截面形狀變化復雜且沿軸線方向形狀差異較大[2]。圖2示出前期結構設計CAE分析結果云圖。

圖1 封閉式扭力梁結構示意圖

圖2 封閉式扭力梁前期設計CAE分析結果顯示界面

對于封閉截面式扭力梁，成型工藝包括熱成型、液壓成型及冷沖壓[3]。管材通過熱沖壓成型時向管內(nèi)注入冷卻水進行淬火后得到滿足產(chǎn)品要求的屈服和抗拉強度。隨著液壓成型技術的不斷發(fā)展，該技術在汽車行業(yè)得到廣泛的應用。采用液壓成型制造的扭力梁，不但可以成型截面復雜的形狀，而且可使其截面形狀連續(xù)且變化多樣，滿足不同載荷的要求。某車型的扭力梁成型主要采取冷沖壓成型，其成型性CAE分析結果，如圖3所示。根據(jù)封閉截面式扭力梁的特點，沖壓分為預沖孔和成型2個過程，成型分預成型、成型側脹形及整形3道工序。預成型工序是指使管材預先發(fā)生變形，沿圓周方向合理的擠壓分配材料，保證產(chǎn)品在變形過程的均勻性和一致性，同時也能避免過度減薄甚至開裂等不良缺陷；成型側脹形是指利用脹形沖頭對胚料兩端進行內(nèi)擠壓成型，以保證與縱臂搭接的開口尺寸滿足要求、以及加強件搭接和彈簧座搭接的型面接觸良好；在整形工序提高已成型零件的精度，有效地保證整個產(chǎn)品的尺寸。

圖3 某車型扭力梁成型性CAE分析結果顯示界面

3 熱處理工藝

對于高強度鋼材冷沖壓成型后的熱處理采用退火工藝，主要目的是去除冷沖壓成型后的應力[4]。熱成型材料冷沖壓成型后采用退火+感應淬火+回火處理。淬火即是通過感應器中的交變電流與工件發(fā)生電磁感應，使工件自身產(chǎn)生感應電流而急劇發(fā)熱，可很快達到高溫，短暫保溫后經(jīng)噴淋冷卻。某公司感應淬火采用工件豎直固定，感應器和噴淋器組合體自下而上采用掃描式淬火方式，可取得接近熱成型良好的熱處理效果，且還可選擇局部淬火，在滿足使用前提下減小變形[5]。

淬火指標：對扭力梁V形槽部位進行800～1000℃感應淬火，兩端其余部分不淬火，管壁全淬透，淬火部位均應滿足淬火硬度在20～50 HRC和全馬氏體組織3～9級的指標要求。

通常零件淬火后通過連續(xù)式回火爐在300～550℃下進行回火，中溫回火后淬火組織評級標準是JB/T 9204—2008，回火后硬度滿足25～40 HRC的要求，抗拉強度滿足800～1 000 MPa的要求，屈服強度滿足900～1 200 MPa的要求，延伸率滿足5%～20%的要求，金相組織較為一致，均為3～9級的回火索氏體。

零件成型后通過去應力退火、淬火及回火，達到硬度在20～50 HRC的要求，同一熱處理工藝參數(shù)硬度差異應滿足Max-Min≤5 HRC的要求，熱處理變形量控制在0.8 mm以內(nèi)。某公司目前量產(chǎn)的產(chǎn)品中，根據(jù)不同的熱處理工藝，能滿足后扭力梁總成的實際疲勞壽命，具體參數(shù)如表1所示。從表1可以看出，扭力梁經(jīng)熱處理后疲勞壽命均滿足要求。

表1 扭力梁臺架試驗實際壽命案例

4 結論

1）利用現(xiàn)有的冷沖壓成型工藝，能夠滿足市場上大部分封閉截面式扭力梁的成型需求，且通過此工藝過程能夠較好地保證產(chǎn)品尺寸精度；2）熱成型材料經(jīng)過冷沖壓成型后經(jīng)退火、淬火及回火處理，在能夠滿足扭力梁的強度和性能要求的同時，較大幅度地減輕了扭力梁的質(zhì)量，實現(xiàn)了汽車的輕量化。