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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
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
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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。
表 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
,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
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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
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
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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
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.
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