扭转梁式半独立后悬架系统开发 上汽乘用车

设计研究 收稿日期: 2010- 12- 06 扭转梁式半独立后悬架系统开发 王 东 江 翁 汤晓飞 张金萍 (上海汽车集团股份有限公司技术中心, 上海 201804) =摘要> 在扭转梁式半独立后悬架系统开发时, 需要设计师平衡各种利弊因素, 通过优化方法来达到预 先设定的性能。扭转梁的剪切中心、横梁截面、扭转刚度以及悬架运动特性的确定是这种类型悬架设计的关键 点。 =Abstract> The eng ineers shou ld ba lance the advantage and disadvantage factors and use the optim ize methods to meet the perform ance target in the development of torsion beam type sem -i inde- pendent rear suspension. The confirm ation o f shear center position, beam section type, torsion stiffness and k inem atics performance are the key po in t o f the design of this type o f suspension. =关键词 > 悬架 半独立 横梁截面 运动特性 do:i 1013969/ j1 issn. 1007-4554. 2011. 02. 07 0 引言 扭转梁式半独立后悬架系统发明于上世纪 70 年代, 但直到今天这种经典结构仍然有着强大的 生命力,被广泛用于前轮驱动的中小型家庭轿车 的后悬架系统中。虽然在近 40年的发展中, 各大 汽车厂商对扭转梁式半独立悬架进行着不断地升 级和优化,但其主要构成仍旧由 4部份组成: 用于 承受主要垂向和侧向力矩扭转横梁; 焊接在扭转 横梁左右两侧的纵向摆臂; 布置于纵向摆臂前端 用于连接车身的弹性元件及连接支架; 弹簧减振 器系统 (如图 1所示 )。 半独立式结构的后悬架系统具有以下优 点 [ 1] :悬架结构简单,重量轻; 在整车装配时, 无须 后轮定位, 减少装配工时; 占用空间小,容易获得 较大的尾部空间;弹簧减振器系统便于匹配布置; 有利于控制车轮相对于弹簧减振的运动比率; 扭 图 1 典型扭转梁式半独立后悬架系统 转横梁特性可以替代稳定杆的功用; 悬架运动过 程中, 前束和轮距变化微小; 侧向力工况下, 外倾 角变较小; 直线稳定性好, 后轮胎损耗小; 通过的 合理设定弹性衬套的特性, 可降低制动点头。 但是半独立式结构的悬架系统也有以下不利 因素:扭转横梁产生扭转应力和剪切应力, 在焊接 #27# 上海汽车 20111 02 设计研究 连接处有较高应力, 允许后轴承受的载荷受到扭 转梁强度的限制;为保证行驶稳定性,两侧纵向摆 臂弹性衬套连点受力复杂; 两侧车轮相互影响;舒 适性差。 1 扭转梁式半独立式后悬架系统开发 在扭转梁式半独立后悬架系统开发时, 需要 设计师平衡各种利弊因素, 通过优化方法来达到 预先设定的性能,以满足市场竞争的要求。系统 的主要开发步骤如图 2表示。 图 2 扭转梁式半独立后悬架系统开发流程 整个开发过程是一个循序渐进的动态过程, 通常需要经过多轮仿真分析和结构模拟才能获得 结构合理性能可靠的悬架系统。 1. 1 悬架系统几何硬点设定 悬架系统的几何硬点确定了系统中关键零部 件的空间位置,布置形式及基本运动特性。概念设 计的初始阶段,通过悬架几何硬点的布置,就可初步 设定悬架特性参数。扭转梁式半独立悬架的主要 硬点包含:车轮中心、纵向摆臂与车身的连接点、弹 簧上下连接点、减振器上下连接点等,如图 3所示。 由于半独立悬架系统在运动过程中扭转横梁 会产生扭转变形, 所以需合理建立等效模型及加 载约束来实现运动仿真。半独立式后悬架系统的 运动学模型可以通过 CAT IA /DMU模块进行建立。 整个半独立式后悬架系统 CAT IA /DMU模型 包括: 车身、左右半梁、减振器上下体、弹簧上下 体、左右衬套 13个刚体, 刚体约束关系见图 4 CATIA /DMU模型拓扑图 [ 2] ; 刚体数统计、系统自 图 3 扭转梁式半独立悬架系统主要连接硬点 由度计算见表 1。CAT IA /DMU模型拓扑图 (图 4) 的约束关系见表 2。 表 1 半独立式后悬架系统 CATIA /DMU模型刚体 刚体名称 数量 总量 衬套 1 2 半梁 1 2 减振器上体 1 2 减振器下体 1 2 弹簧上体 1 2 弹簧下体 1 2 车身 1 1 图 4 CATIA /DMU模型拓扑图 1. 2 扭转梁剪切中心 剪切中心位置与车辆转向特性关系密切相 关。当剪切中心位于连接衬套与车轮中心连线的 上方时, 车辆有不足转向趋势; 当剪切中心恰巧位 于连接衬套与车轮中心连线上时, 车辆有中性转 向趋势;当剪切中心位于连接衬套与车轮中心连 线的下方时, 车辆有过度转向趋势。具体分析见 图 5。 下述可以确定扭转梁的剪切中心位置: #28# 上海汽车 20111 02 设计研究 表 2 半独立后悬架系统 CAT IA /DMU自由度计算 连接物体名称 连接方式 单侧限制自由度数 限制自由 度总数 半梁和衬套 球铰 ( 4、5 ) 3 6 衬套和车身 移动副 ( 1、2 ) 5 10 减振器上体和车身 万向节铰链 ( 11、12) 4 8 减振器下体和半梁 球绞 ( 13、14) 3 6 减振器上体和下体 移动副 ( C、D ) 5 10 弹簧上体和车身 万向节铰链 ( 9、10) 4 8 弹簧下体和半梁 球绞 ( 7、8 ) 3 6 弹簧上体和下体 移动副 (A、B ) 5 10 半梁和半梁 旋转副 ( 6 ) 5 5 (左 )衬套和 (右 )衬套 耦合副 ( 3 ) 1 1 70 悬架系统自由度数 悬架系统自由度 = ( 13- 1 ) @ 6- 70= 2 图 5 剪切中心与车辆转向关系 D = R @ T @ [A 1 + A 2 + A 3] M M = ( b @ T /12) @ [T 2 + b2 + (T 2 - b2 ) /cos( 2A) ] + 2 @ b @ T @ [R @ co sA+ ( b /2) @ sinA] 2 + R 3 @T @ [ ( P /2 - A) - 1 /2 @ sin(2A) ] A1 = b 2 @R @ cosA+ b3 /2 @ sinA A2 = 2 @ b @ R @ [R @ cosA+ b /2 @ sinA] @ ( P/2 - A) A3 = 2 @ R3 @ [ co sA- (P /2 - A) @ sinA] 扭转梁的剪切中心应尽可能布置在接近于纵 向摆臂的中间位置以减小整车的侧倾转向特性。 1. 3 扭转横梁横截面的设计和优化 扭转横梁是半独立后悬架系统中的核心部 件。扭转横梁平行于后车轴但并不重合, 两端焊 接在左右纵向摆臂上。扭转横梁一般选用优质的 弹簧钢,所以可将其视为一个具有一定扭转刚度 的弹簧,它的功能与独立悬架上使用的稳定杆相 似, 主要目的是用来提高过弯时的车身稳定性。 当汽车轮处于颠簸路面行驶时, 理论上横梁不发 生扭转, 因为左右车轮都会上下运动吸收震动,横 梁也会随之上下整体移动。当汽车转弯发生转向 侧倾时, 由于弯道外侧的悬架压缩,内侧的悬架舒 张,两边悬架反向运动扭转横梁。由于横梁具备 一定弹性刚度, 所以在被扭转时会产生一个反方 向的弹力, 从而克服车身侧倾。横梁的性能主要 取决于横梁截面形状, 材料厚度及横梁的长度。 表 3为类半圆形、U型、V型横梁截面分析对比。 综合考虑性能、重量等因素, U型横梁截面设计为 满足国内市场的需求的最优选型。 表 3 不同截面扭转横梁特性对比 截面形状 材料厚度 ( mm ) 扭转刚度 ( Nm /b) 扭转横梁 长度 ( m ) 质量 ( kg) 扭转效率 (K @L2 /M) 7 46. 1 1. 06 10. 9 4. 73 6 37. 2 1. 08 10. 7 4. 05 6 19. 1 1. 08 9. 9 2. 25 1. 4 系统扭转刚度及侧倾刚度校核 在半独立后悬架系统中, 横梁提供全部的扭 转刚度。如图 6所示, 扭转梁的扭转刚度可以通 过下述公式算: c= [A rcTan ( a /R ) ] @180 /p i KS usp = (1 000 @R ) /c 其中: c为扭转梁的扭转角; a为轮心垂向 1 kN力作用下轮心处 Z方向的变形量; R为连接 衬套中心到车轮中心的距离; T 为后轮距 (两侧车 #29# 上海汽车 20111 02 设计研究 轮中心的距离 )。 图 6 扭转梁主要参数定义 在获得扭转刚度后, 可根据下述公式进一步 计算获得悬架刚度 [ 3] : 1 KTo tal = 1 KS usp + 1 KTyre 从公式可以判断出横梁与纵向摆臂连接点位 置的不同, 其性能也有所差别。如果横梁连接在 靠近纵向摆臂与车身连接点处, 那么表现出来的 性能主要以舒适性为主, 因为这样的连接使得扭 转梁尽可能接近全拖式独立悬架的性能; 如果连 接点偏向摇臂中间, 那么主要表现出来的是抗侧 倾以及操控性; 如果扭转梁的连接点接近车轮中 心,那么表现出来的特性是以通过性和承载性为 主,因为它更接近整体桥的设计。 1. 5 有限元结构设计优化 在确定了空间结构布置和横梁截面选型之 后,进入零件的具体设计阶段。通过有限元分析 手段, 可以仿真模拟零件在不同力输入工况下的 刚度强度。图 7给出了有限元分析的流程。 为充分模拟各种实际情况下零件的受力, 根 据经验,分别对半独立后悬架系统中的各个零件 进行 18次疲劳分析工况的仿真模拟, 使得潜在风 险在设计初期就得到有效预防。 通过几轮反复的有限元分析以及成型模拟, 最终获得在可强度接受的范围内的扭转梁结构模 型。 1. 6 扭转梁式半独立后悬架系统运动特性分析 及优化 通过 ADAMS /CAR模块建立扭转梁式半独立 后悬架的弹性运动学模型可以用于系统的弹性运 图 7 有限元分析的流程 动学分析,完成悬架特性参数的优化以满足整车对 悬架特性的需求。为了使模型更接近实际,可以使 用任何有限元软件如 HYPERMESH、NASTRAN、AN- SYS等直接生成扭转梁的模态中性文件 (MNF),导 入扭转横梁的模态中性文件,调整柔性体到准确位 置, 施加柔性体与刚性体之间的约束。ADAMS / CAR建模型时运动学模式,下减振器上体和车身衬 套,减振器下体与扭转梁衬套采用万向节铰模拟,扭 转梁与车身衬套采用旋转铰模拟,减振器上体与下 体通过圆柱副模拟 (如图 8)。 图 8 ADAMS /CAR中扭转梁式后桥模型 悬架运动学分析是描述车轮上下跳动时车轮 定位参数的变化过程。在此, 不考虑悬架的弹性, 将它简单化成多连杆机构, 得到车轮定位参数与 车轮跳动量之间的关系; 弹性运动学模型是在运 动学模型的基础上还要考虑各个刚体橡胶连接件 的弹性作用, 描述车轮受侧向力、纵向力和回正力 矩时车轮定位参数的变化趋势。 #30# 上海汽车 20111 02 设计研究 悬架运动学特性在使用中首先反映在车轮定 位参数的变化趋势上, 实际的独立悬架在行使弯 路时, 车轮会同车身一起侧倾。如果考察轮胎的 侧偏角度, 若承载较高的外倾车轮相对地面趋向 于正的外倾方向, 会导致该侧轮胎的侧偏性能降 低,所以一般悬架设计具有一定的负外倾。当汽 车作曲线行驶时,受到侧向力作用下,外侧车轮相 对于地面的外倾角一般向正的方向变化, 这将不 利于轮胎保持足够的侧向附着力, 从而影响到汽 车的操纵稳定性,使车辆具有过度转向的趋势,后 悬架系统的侧向力与外倾变化关系如图 9。为了 消除这一负面影响, 汽车后轮悬架一般设计成车 轮上跳时外倾角向负值方向变化, 而下落时向正 值方向变化, 后扭转梁悬架的车轮跳动与外倾角 的关系曲线如图 10, 同时需要控制外倾角绝对数 值不宜过大。 图 9 侧向力与外倾角的关系曲线 图 10 车轮跳动与外倾角的关系曲线 车轮前束角的作用主要是弥补外倾角所带来 的不利影响, 减少轮胎的磨损。扭转梁悬架侧向 力和回正力矩作用下一般会出现轻微的过度转向 趋势 (如图 11和图 12),而侧向力作用下产生适当 的后束有利于提高车辆的抗干扰能力; 而通过车 辆侧倾过程中外侧车轮受压上跳而产生前束, 内 侧车轮下跳而产生后束, 这将增加后桥顺从性,进 而使车辆整体效应上具有不足转向趋势 (如图 13 和图 14),有利于改善汽车的操纵稳定性。 图 11 侧向力与前束角的关系曲线 图 12 回正力矩与前束角的关系曲线 在汽车悬架的设计中, 要求轮距变化应尽量 小,以减少轮胎磨损, 同时减少轮距变化引起的轮 胎侧偏角及侧向力输入, 保持车辆的直线行驶能 力,减少滚动阻力,防止对汽车操纵稳定性产生不 利影响。另外,车轮上跳时曲线变化率逐渐增大, 由于压缩时轮胎所受的垂直力比较大, 轮胎的磨 损主要取决于该行程, 因此该车辆的轮距变化规 律有助于控制轮胎的磨损 (如图 15)。 为了满足对车辆侧倾的良好控制及更合理的 #31# 上海汽车 20111 02 设计研究 图 13 车轮跳动与前束角的关系曲线 图 14 侧倾角与前束角的关系曲线 图 15 车轮跳动与轮距变化的关系曲线 前后轴荷转移, 根据整车开发中侧倾梯度目标的 需要, 设计后悬架的侧倾高度及悬架的侧倾刚度 (如图 16)与前悬架匹配达到有效控制车辆侧倾 控制及不足转向特性。 为了满足车辆平顺性的要求, 前后悬偏频应 在悬架行程内具有特定的配比关系。如图 17车 图 16 侧倾角与侧倾刚度的关系曲线 轮跳动与悬架偏频关系表明悬架的偏频没有明显 的突变过程, 并和前悬架行程内偏频匹配, 能够同 时满足不同载荷状态下的平顺性要求。 图 17 车轮跳动与悬架偏频关系 2 结语 本文主要针对轿车扭转梁式半独立后悬架提 出了通用开发流程,详细介绍了扭转梁剪切中心, 扭转横梁截面,扭转刚度的设计和计算, 并给出了 利用多体系统动力学软件建立扭转梁悬架运动仿 真模型的方法。 参考文献 1 J. RE IMPELL, H. STOLL, J. W. BETZLER. The autom otive chassis: eng ineering p rincip les [ J]. SAE, 2006. 2 洪嘉振.计算多体系统动力学 [ M ] . 北京:高等教育出版 社, 2003. 3 刘惟信.汽车设计 [M ] . 北京:清华大学出版社, 2001. #32# 上海汽车 20111 02