劉洋 黃濤 勞兵 徐毓

摘 ?要：車身后減振器安裝點鈑金側(cè)開裂是乘用車耐久試驗常見故障之一。本文回顧了某七座SUV后減振器安裝點開裂問題，并從載荷和結(jié)構(gòu)設(shè)計角度給出了發(fā)生此問題的原因。同時，結(jié)合力學設(shè)計基本原則，設(shè)計了一種減振器安裝點結(jié)構(gòu)，在后視圖上減振器安裝點落在減振器中心軸線上，鈑金安裝平面豎直向上。通過仿真驗證，此結(jié)構(gòu)可以顯著降低車身側(cè)鈑金應力水平，避免鈑金出現(xiàn)耐久開裂問題。

關(guān)鍵字：后減振器;開裂;改進方案

中圖分類號：U463.82 ? ? ? 文獻標識碼：B ? ? ?文章編號：1005-2550（2022）01-0097-06

Body Strut Attachment Improved Design for Rear Suspension

LIU Yang1， HUANG Tao2， LAO Bing1， XU Yu3

（ 1.SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd， LiuZhou 545007， China; 2. Hunan Aisn Auto R&D CO.，Ltd， ChangSha 410082， China; 3. Guangxi Yucai Machinery Company Limited， YuLin 537000， China ）

Abstract： ?Body strut attachment cracking is one of the most common faults in durability test of passenger vehicle. The paper reviewed the body strut attachment cracking in a seven passenger SUV. Chassis load and body design is analyzed for identifying the cause of the problem. A new strut attachment structure is given by considering the mechanical design principles. The position of strut attachment is in the line of strut central axis in back view， and the panel is upright. The effectiveness of the structure is verified by CAE simulation. The structure can significantly reduce panel stress， and avoid sheet metal cracking.

Key Words： ?Shock Absorber; ?Cracking; ?Improved Design

1 ? ?引言

隨著國家放開三胎生育限制，三排座位汽車的市場需求增加，七座SUV逐漸在國內(nèi)流行，然而此類汽車車身后減振器安裝點鈑金開裂問題日益突出[1-2]，此問題輕則引起異響，重則導致減振器脫落，造成駕駛安全風險，因此研究此問題具有重要的現(xiàn)實意義。

行業(yè)內(nèi)減振器安裝點開裂問題的主要解決方案是改進車身側(cè)鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計。例如，賀勁剛[3]將后輪罩切口，切口部位采用遠高于輪罩厚度的加強板，并優(yōu)化輪罩內(nèi)側(cè)支撐板結(jié)構(gòu)，降低后減振器支架和輪罩應力。劉利[4]通過優(yōu)化減振器支架形狀解決高應力問題。上述方法可以一定程度上改善車身側(cè)鈑金強度，但七座后獨立懸架車型的后減振器載荷大，結(jié)構(gòu)設(shè)計空間有限，上述方法不足以徹底解決此問題。實際上，減振器支架安裝點位置和安裝面角度會影響影響減振器支架強度，這方面的研究卻未見報道。

本文回顧了某七座SUV后減振器安裝點開裂問題，并從載荷和結(jié)構(gòu)設(shè)計角度給出了發(fā)生此問題的原因。同時，結(jié)合力學設(shè)計基本原則，提出后減振器安裝點改進方案，通過仿真驗證了方案的有效性。

2 ? ?問題描述

某七座后獨立懸架車型在北京乘用車結(jié)構(gòu)耐久試驗中，車輛行駛到13693km（其中壞路12296 km），試驗完成39.9%時，右后減振器支架開裂兩處，最長裂紋23mm，如圖1所示：

3 ? ?原因分析

問題發(fā)生后首先排查生產(chǎn)制造因素，即查看故障車焊點位置是否正確，焊點是否虛焊，焊點數(shù)量是否正確，開裂零件材料是否符合設(shè)計等等。通過拆解故障車，并做材料檢測后排除了上述因素。其次，進行CAE強度分析，判斷是否是設(shè)計問題。最后，需明確出現(xiàn)此故障的原因，即公司以往車型為什么無此問題。

3.1 ? CAE強度分析

排除生產(chǎn)制造原因后，對后減振器安裝點進行CAE強度分析，結(jié)果如圖2所示，發(fā)現(xiàn)安裝點螺母孔靠近圓角位置存在應力集中現(xiàn)象。前安裝點最大應力241Mpa，位置與耐久路試車裂紋位置一致，后安裝點最大應力200Mpa，位置與路試車裂紋位置距離15mm，距離較近，可以認為是受到應力集中的影響。因此，螺母孔附近的應力集中及其引起的高應力是開裂問題的直接原因。

3.2 ? 載荷與結(jié)構(gòu)分析

七座車相比五座車增加了第三排座位，第三排座位一般在后輪附近，如圖3所示。一般的，七座車的后軸負荷比五座車的重，以上述故障車型為例，它包括七座配置和五座配置，五座車后軸負荷為860kg，七座車后軸負荷為1020kg，后軸負荷增加了160kg，此負荷主要來源于兩個乘客的重量（65kg×2）和座椅重量。因此，七座車后軸負荷比五座車大。

汽車后懸架一般包括非獨立懸架、扭力梁懸架（半獨立懸架）、獨立懸架，非獨立懸架汽車舒適性差，在乘用車上幾乎沒有使用，圖4給出了某扭力梁懸架和某梯形獨立懸架。這兩種懸架都包括減振器、螺旋彈簧、緩沖塊。扭力梁懸架將螺旋彈簧和緩沖塊集成安裝到同一個車身安裝點，減振器安裝在另一個安裝點，減振器安裝點只受到減振器傳遞過來的阻尼力，此力一般比較小。梯形獨立懸架將減振器和緩沖塊集成安裝到同一個車身安裝點，螺旋彈簧安裝到另一個的安裝點，減振器安裝點除了受到減振器傳遞過來的阻尼力外，還受到緩沖塊力。緩沖塊的作用是車輛突然遇到深坑或凸包時，為限制輪胎位移超過設(shè)計范圍，采用固定不動的緩沖塊與扭力梁或減振器支柱撞擊，強行約束后懸掛和輪胎位移，避免輪胎與周邊零件接觸。一般情況下緩沖塊撞擊力遠大于減振器阻尼力，以上述故障車為例，阻尼力為2742N（活塞運動速度1.04m/s），緩沖塊限位阻力為6181N（單側(cè)過凸包工況）。因此，后獨立懸架的緩沖塊集成在減振器內(nèi)，顯著增加了減振器安裝點的載荷。

后減振器安裝點一般位于輪罩上部，按經(jīng)驗最有效的補強辦法是在輪罩上部設(shè)計三角支撐的輪罩上加強板，以及在地板與輪罩之間設(shè)計三角支撐支架，如圖5（a）所示。但七座后獨立懸架車型很難設(shè)計上述結(jié)構(gòu)，為了提高第三排乘客的乘坐舒適性，一般希望座椅越寬越好，內(nèi)部空間越大越好，所以一般座椅緊貼輪罩布置，后側(cè)圍飾板盡量貼近鈑金大面，如圖5（b），這時將不再有空間布置上述加強板。因此，七座車無法布置三角支撐板，減振器安裝點強度更惡劣。

4 ? ?優(yōu)化方案

4.1 ? 原理

由材料力學可知[5]，圖6中拉壓桿、懸臂梁端部最大應力為： ? ?σ = F/A=F/bh

σ′ = M/Wz=6Fl/bh2

當6l > h時

σ < σ′

式中，σ、σ′為拉壓桿、懸臂梁端部最大應力，F(xiàn)為外力，A為橫截面積，此處假定為矩形截面，b為截面寬度，h為截面高度，M為懸臂梁末端彎矩，Wz為抗彎截面系數(shù)，l為懸臂梁長度。實際懸臂梁結(jié)構(gòu)中，一般6l 遠遠大于h，則懸臂梁端部應力遠大于拉壓桿。因此要避免懸臂梁結(jié)構(gòu)，若不得已使用懸臂梁，懸臂長度l要盡量小。

平板受力分兩種情況。一種是外力在板平面內(nèi)，如圖7（a），平板受拉伸或壓縮的正應力。一種是外力垂直于板平面，如圖7（b），板四周產(chǎn)生反作用彎矩，此彎矩導致板厚上下平面產(chǎn)生很大的正應力，此情況類似于懸臂梁。因此平板件的外載荷盡量作用在板平面內(nèi)，而非垂直于板平面。

4.2 ? 方案設(shè)計

首先，確定減振器安裝點位置，即螺母孔位置。若減振器安裝點在減振器中心軸線上，則為拉壓桿結(jié)構(gòu)，若不在減振器中心軸線上，則為懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁長度為安裝點到減振器中心軸線之間的距離。由拉壓桿優(yōu)于懸臂梁的原理可知，減振器安裝點最好在減振器中心軸線上。注意到，實際結(jié)構(gòu)中車身安裝點完全落在減振器中心軸線是難以做到的，但在后視圖上落在減振器中心軸線卻是可以做到的。此時的結(jié)構(gòu)是Y-Z平面上的拉壓桿結(jié)構(gòu)，它避免了車身受到X方向的彎矩Mx，結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示

其次，確定鈑金安裝面角度。由外載荷與平板在同一平面的結(jié)構(gòu)優(yōu)于外載荷垂直于平板的結(jié)構(gòu)可知，鈑金安裝面應與減振器作用力在同一平面上，即豎直向上，如圖9（a）所示。若鈑金傾斜一個角度，如圖9（b），則會產(chǎn)生一個垂直鈑金面的分力，此力產(chǎn)生彎矩，導致鈑金應力急劇增大。

最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖10所示，其中在后視圖上原結(jié)構(gòu)減振器安裝點已落在減振器中心軸線，但未滿足鈑金安裝面豎直向上的要求，因此更改前不是最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

5 ? ?仿真驗證

對某新開發(fā)車型車身后減振器安裝點進行強度CAE分析，評估優(yōu)化方案強度水平。采用Hypermesh建立有限元模型，模型包括車身側(cè)鈑金模型和底盤側(cè)減振器支座模型，車身側(cè)模型只截取后輪罩部分，前端邊界距離后輪罩100mm，后端邊界距離后輪罩100mm，上端邊界距離后輪罩300mm，車寬邊界距離后輪罩150mm，如圖11所示，車身側(cè)網(wǎng)格以CQUAD4單元為主，CTRIA3單元不超過單元總數(shù)的5%，減振器支架網(wǎng)格尺寸為（5×5）mm，其它零件為（10×10）mm，車身安裝點包含兩種狀態(tài)，分別為優(yōu)化方案和更改前，如圖10所示。底盤側(cè)減振器支座采用一階六面體單元（C3D8R）和一階四面體單元（C3D4）。車身側(cè)邊界約束123456自由度，減振器支座中心點施加8300N作用力，作用力沿減振器軸線方向。采用Nastran求解器計算，提取后減振器支架的應力，結(jié)果如圖12所示，減振器支架的最大應力由146Mpa降低到53Mpa，降幅64%，說明優(yōu)化方案可有效降低安裝點應力，降低鈑金開裂風險。

6 ? ?結(jié)論

車身后減振器安裝點鈑金側(cè)開裂是乘用車耐久試驗常見故障之一，此問題在七座后獨立懸架車型更易出現(xiàn)，主要有三個原因：一、七座車增加的第三排重量主要由后軸承擔;二、后獨立懸架車型緩沖塊集成在減振器內(nèi)，會顯著增加減振器安裝點的載荷;三、七座車優(yōu)先滿足第三排人機空間要求，難以設(shè)計三角支撐的加強結(jié)構(gòu)。

設(shè)計了一種減振器安裝點結(jié)構(gòu)，在后視圖上減振器安裝點落在減振器中心軸線上，鈑金安裝平面豎直向上。這種結(jié)構(gòu)可以顯著降低車身側(cè)鈑金應力水平，避免鈑金出現(xiàn)耐久開裂問題。

參考文獻：

[1]宗輝，徐辰強，王剛等. 某SUV輪罩開裂問題的分析及設(shè)計改進[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015，53 （6）： 73-76.

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[3]賀勁剛，徐彪，路貽莎. 某SUV白車身后輪罩區(qū)域優(yōu)化設(shè)計[J]. 汽車科技，2018， （3）： 8-15.

[4]劉利，鄒素平，丁祎. 某車型后輪罩加強結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計[A]. 2015中國汽車工程學會年會議論文集[C]， 2015： 887-890.

[5]劉鴻文. 材料力學[M]. 北京： 高等教育出版社，2012：141-146.

專家推薦語

梁 ? 軍

東風汽車公司技術(shù)中心

車身部副總師 ?研究員級高級工程師

本文通過對輪罩減震器支架開裂失效問題進行了詳細的分析，通過仿真發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的直接原因是受到應力集中的影響，又通過結(jié)構(gòu)受力分析和采用簡化結(jié)構(gòu)應力分析模型找到結(jié)構(gòu)失效的深層次的原因是載荷變大和結(jié)構(gòu)受力不符合力學設(shè)計基本原則，從而能夠制定出有效結(jié)構(gòu)應對方案，在極限載荷工況下輪罩減震器支架的最大應力小于材料的屈服應力，滿足疲勞耐久要求。

文章對減震器安裝支架的結(jié)構(gòu)進行了受力分析，提出了安裝支架的合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，即減震器支座安裝面與減振器作用力保持在同一平面且減振器安裝點布置在減振器中心軸線上，可避免了減震器支架受到X方向的彎矩，可有效降低支架應力水平，從而保證此部位的結(jié)構(gòu)耐久要求。

全文條理清晰，論證合理，具有很好的參考意義。