拖曳臂式扭杆梁后桥的设计流程和方法

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 设计研究 收稿日期 : 2009 - 01 - 22 拖曳臂式扭杆梁后桥的设计流程和方法 唐晓峰 　(上海汽车集团股份有限公司技术中心 ) 【摘要 】　针对 A0和 A级车常用的拖曳臂式扭杆梁后桥 ,论述其设计流程和设计方法 ;主要涉及整车、子 系统要求、后桥选型、车辆动力学、CAE分析以及试验认证等方面 ;比较完整和系统地讨论了整个开发过程。 【主题词 】　后桥 　汽车　设计 0　引言 拖曳臂式悬架是专为后轮而设计的悬架结 构 ,它的构成非常简单 ———以上下摆动式拖臂实 现车轮与车身或车架的硬性连接 ,并且通过横梁 或支架连接两车轮 ,然后以液压减震器和螺旋弹 簧充当软性连接 ,起到吸震和支撑车身的作用。 拖曳臂悬挂能够实现的是具有更高稳定性的 全拖式独立悬挂的性能 ;同时由于车辆在侧倾时 , 横梁会发生扭转 ,左右车轮会产生相对的运动 ,所 以多数被称为半独立悬挂。 1　拖曳臂式扭杆梁后桥的优点 拖曳臂式扭杆梁后桥的主要优点包括 :从悬 架装配的角度看 ,整个后桥是一体式的 ,容易安装 与拆卸 ;悬架的结构型式非常紧凑 ,只需要很小的 空间 ;这对于油箱、后备胎的布置非常有利 ;减震 器、弹簧都很容易定位和安装 ;不需要任何的控制 臂和杆件 ,零件的管理和存放都比较方便。 从悬架的性能角度看 ,成本比较低 ;车轮到弹 簧减震器的传动比比较合理 ;只有两个对悬架弹 性几乎没有影响的支座 ,见图 1;车轮同向跳动和 方向交叉跳动时 ,几乎不产生前束和轮距变化 ;侧 向力作用下外倾角变化小 ,见图 2;车轮的纵倾中 心正好在支座点 O1 和 O2 处 ,从而减少了制动时 车尾的抬高。 图 1　悬架受力分析 图 2　车轮外倾角的变化 ·61· 上海汽车 　2009104　　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 设计研究 2　拖曳臂式扭杆梁后桥的缺点 由于纵臂的变形产生的侧向力过度转向见图 3,横梁内部产生剪切应力和扭转应力 ,如何解决 在剪切应力和扭转应力下的扭杆梁后桥耐久性问 题是一个难题 ;焊缝处存在高应力。所以 ,后桥的 耐久性对后桥所承载的载荷比较敏感 ;有路面引 起的噪声和振动相对独立悬架来说 ,隔离比较困 难 ;扭杆梁的存在会让左右车轮的运动存在一定 程度的干涉 ,相对独立悬架来说 ,车轮的运动优化 受到一定的限制。 3　选形过程 断面类型 材料厚度(mm) 扭转刚度 (Nm /°) 横梁长度 (mm) 重量 ( kg) 扭转效率 LXX 106 (mm4 ) LZZ 106 (mm4 ) 截面积 (mm2 ) A类 6. 6 1 080 10. 9 4. 38 0. 554 1. 505 1 230 C类 6. 2 1 080 10. 9 2. 34 0. 677 1. 495 1 230 图 3　过度转向 从拖曳臂式扭杆梁后悬架在汽车上出现开 始 ,工程师们一直在进行设计优化 ,扬长避短 ,把 它的先天缺陷尽量减少到最小 ,同时发挥它的最 大长处。目前绝大多数 A和 A0级车辆上使用此 悬架 ,从另外一个侧面也证明了扭杆梁后悬架的 生命力。 3　拖曳臂式扭杆梁后桥的设计要点 如何满足整车的侧倾刚度要求 ,是拖曳臂式 扭杆梁后桥设计的一个非常重要的设计目标。 第一步 ,针对市场营销部门对整车操纵稳定 性的要求 ,把客户的高端愿望转化成工程师的语 言。可以使用美国 MTS公司的 K&C试验台架 ,来 测量竞争车的操纵稳定性指标 ,然后根据竞争车 的数据确定后桥的设计目标。表 1是 3辆竞争车 的侧倾刚度指标 (设定波罗是竞争车 )。 表 1　竞争车的侧倾刚度指标 雅利士 波罗 嘉年华 侧倾刚度 (N /mm) 24. 5 34. 3 39 第二步 ,把整车的侧倾刚度转化成拖曳臂式扭 杆梁后桥子系统的侧倾刚度 ,最后把侧倾刚度转化 到横梁的扭转刚度 ,见表 2。因为只有横梁的扭转 刚度才是指导如何选取横梁结构的直接指标。 表 2　横果的扭转刚度指标 雅利士 波罗 嘉年华 侧倾刚度 (N /mm) 24. 5 34. 3 39 悬架刚度 (N /mm) 15. 5 16. 5 17. 8 由弹簧引起的侧倾刚度 (N /mm) 14 14. 9 13 由横梁产生的侧倾刚度 (N /mm) 10. 5 19. 4 26 第三步 ,根据确定的扭杆横梁所要承担的侧 倾刚度来选取横梁断面。目前在市场上扭杆梁断 面主要包括 4种 ,见图 4。 考虑到物料成本的因素 ,舍弃了 B类和 D类 设计 (B类和 D类设计需要特殊的设备和工艺 ,所 以在国内的低成本车型上一般都不会使用 ) ,准备 在 A类和 C类中做一个选择。选择的主要依据是 能够使用最少的材料达到最大的扭转刚度 ,以便 实现轻量化设计的目标。下面是一个选择的 过程。 从表 3中可以看出 ,在同样的截面积和重量 ·71·　上海汽车 　2009104 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 设计研究 图 4　4种主要的上扭杆梁断面形式 情况下 , A类断面产生的扭转刚度是 C类断面的 2 倍。这也就是当选用 C类断面达不到扭转刚度的 时候 ,很多车辆的拖曳臂式扭转梁后桥要增加扭 杆的原因 (如本田飞度 )。 后桥的行驶舒适性同扭杆梁悬架的跳动行 程 ,拖曳臂的长度 ,支座 O1 和 O2 的设计都有关 系。表 4是竞争车的拖曳臂长度对比数据。 表 4　竞争车拖曳臂长对比 车辆 拖曳臂长度 (mm) 菲亚特庞托 欧宝科萨 440 标致 207 450 雷诺塞里奥 420 大众波罗 424 本田飞度 370 从表 4可以看出 ,绝大多数车辆后桥的拖曳 臂长度都在 400～450 mm之间 ,对应的悬架行程 在 180～210 mm之间。本田飞度的拖曳臂长度是 370 mm,对应的后悬架行程是 155 mm,这将对车 辆的行驶舒适性产生一定的影响。 摆臂太短 ,为了保证所需要的车轮上下跳动 行程 S1 和 S2 ,摆动角 + / - X就会变大 ,这就造成 轴距变化Δl 变大。轴距变化Δl 的增大 ,直接影响 车轮上下跳动时造成的后桥前后蹿动 ,后桥的前 后蹿动造成车轮行驶舒适性的下降 ,同时对铰接 点处的橡胶衬套要求提高 ,势必使用复杂昂贵的 液压橡胶衬套 ,直接造成了整车物料成本的增加 (见图 5)。 综合成本和性能等多方面考虑 ,最后我们设 计后桥的拖曳臂长度确定为 440 mm,悬架行程为 图 5　车轮跳动时行程分析 200 mm。 为减小制动下沉量 ,要求纵倾轴尽可能高。 对于拖曳臂式扭杆梁后悬架 ,纵倾中心就是拖曳 臂同车身连接的铰接点。 车辆在制动时将车尾往下拉的力为 Foz : Foz = Fb ×g / d 说明高度 g越大 ,距离 d越小 ,则产生的下拉 作用力就越大。 4　扭杆梁后桥 CAE分析 拖曳臂式扭杆梁后桥疲劳耐久 CAE分析流程 如图 6。 图 6　拖曳臂式扭杆果后桥疲劳耐久 CAE分析流程 在扭杆梁后桥的 CAE分析中 ,很重要的一个 ·81· 上海汽车 　2009104　　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 设计研究 因素是设定载荷。通常情况下 ,对于扭杆梁后桥 设定如下载荷谱 (见表 5)。 表 5　扭杆梁后桥载荷谱 静态或准静态载荷 疲劳载荷 极限载荷 满载 驱动载荷 后轮上受到向后的冲击 (相当于向前行驶 ) 高附着极限制动 制动载荷 前后轮都受到向前 的冲击 (相当于倒车 时受到冲击 ) 轮胎受绕纵 轴力矩的载荷 0. 75 g侧向加速的 转弯 ,外侧车轮 模拟轮胎侧面撞倒 路沿 上跳 0. 75 g侧向加速的转弯 ,内侧车轮 下跳 0. 95 g侧向加速的转弯 ,外侧车轮 轮胎受绕垂 轴力矩的载荷 0. 95 g侧向加速的 转弯 ,内侧车轮 加载在轮心于垂轴 成 30°方向的力时的 载荷 5　扭杆梁后桥的试验 如果在产品开发过程中有参考样车或者开发 用工程样车 ,那么可以直接采集试验场道路路谱 , 经过过滤和迭代之后 ,使用多轴向的耐久试验台 对后悬架进行耐久试验。 目前通用的 16 通道耐久性试验台是美国 MTS公司出品的 MTS 329多通道整车耐久试验 台。MTS329试验台可以自由地控制每个车轮的 6 个自由度运动 ,可以同时加载垂直力、侧向力、纵 向力、制动和驱动转矩、转向力等。通常情况下 , 整车道路耐久试验的里程是 415 km左右 ,历时大 约 5个月。而采用经过过滤和迭代的道路路谱来 做多轴向整车耐久试验的话 ,大约只需要 1个月 , 这就大大压缩了试验时间和整车开发时间。但 是 ,使用多通道整车耐久试验的缺点就是整车多 轴向耐久台非常昂贵 ,在国内目前也只有少数几 个大公司有这种设备 ,这在客观上限制了这种试 验方法的使用范围。 目前在国内各大零部件公司使用的拖曳臂式 扭杆梁后桥的耐久试验都为经过简化的单轴向正 弦加载循环耐久试验。整个试验过程主要涉及 5 个试验 ,见表 6。 表 6　拖曳臂式扭杆梁后桥耐久试验 试验项目 试验标准 目标值 后桥总成侧向力 疲劳试验 F1 = ±210 kN F3 = - 415 ±3. 5 kN 频率 10 ±5 Hz 循环 10万次后无裂 缝 后桥总成纵向力 疲劳试验 F2 = ±415 kN F3 = - 415 ±315 kN 频率 10 ±5 Hz 循环 315 万次后无 裂缝 后桥总成弹簧盘 疲劳试验 F3 = - 415 ±315 kN 频率 10 ±5 Hz 循环 315 万次后无 裂缝 后桥总成减震器支架 疲劳试验 F4 = + 110 ±2 kN 频率 10 ±5 Hz 循环 30万次后无裂 缝 后桥总成反向扭转 疲劳试验 S = 98 mm 频率 215 ±015Hz 循环 20万次后无裂缝 　　注 : F1为侧向力 ; F2为纵向力 ; F3为弹簧力 ; F4为减震器载荷。 在试验中 ,使用韦布统计分析的方法来预测后 桥总成的寿命。通常情况下 ,通过进行多个样本的 试验 ,也能够很好地考核后桥的耐久性能 ,等效地替 代昂贵复杂的多轴向整车疲劳耐久试验。 6　结语 对于拖曳臂式扭杆梁后桥的设计开发需要关注 的重点 :确定整车对于后桥的要求 ;根据后桥的子系 统要求选择合适的设计 ;结合整车动力学分析 , 平衡好整车操纵性和行驶性之间的关系 ; CAE分析中 载荷、材料特性和加载方式的设定 ,做到 CAE虚拟分 析和实际试验相结合 ;试验方法的设计。 参考文献 1　D ip l. 2Ing. Jornsen Reimpell. The Automotive Chassis: Engi2 neering Princip les. Butterworth - Heinemann, 20031 Abstract The design p rocess and method of the trailing arm type torsion bar girder rearaxle aim ing at the ve2 hicle of A0 and A grade is discussed, which inclu2 ding the vehicle requirement, subsystem require2 ment, rearaxle selection, vehicle dynam ics, CAE a2 nalysis and test authentication. ·91·　上海汽车 　2009104