扭力梁安装支座动力学仿真分析

　　关键词：扭力梁安装支座 纵梁舷外支架 开裂

　　1 前言

　　动力学仿真分析是在计算机上建立简化到一定程度的模型，输入驾驶员对汽车的各种操纵信号，解算出系统的时域响应和频域响应，以此来表征汽车的操 纵稳定性能。仿真分析花费时间短，费用少，可在计算机上重复进行，可对各种设计方案进行快速优化对比，并且可实现试验条件下不能进行的恶劣工况下的分析， 因此该方法日益被人们采用。

　　纵梁舷外支架与扭力梁安装支座是连接后悬扭力梁与车体的重要部件，如图1、2 所示，它们的强度是否满足要求是设计的关键。在强度计算中，纵梁舷外支架与扭力梁安装支座的加载情况与实际车况是否一致是强度分析是否准确的重要因素之 一。为此，本文将讨论两种计算扭力梁安装支座处受力情况的方法，并指出纵梁舷外支架开裂的主要原因。

图1 纵梁舷外支架

图2 扭力梁安装支座

       2 动力学仿真模型的建立与仿真分析对比

       2.1 整车动力学模型下的仿真分析

       前悬架转向系统模型由前悬架、横向稳定杆和转向系统组成。前悬架系统为麦弗逊悬架，转向系体统为齿轮齿条转向系统。稳定杆系统两端端部连杆分别 以球铰连接悬架下臂，左右稳定杆之间由转动副连接并作用一个表达其稳定杆扭转刚度的扭簧，左右稳定杆分别与车身以弹性衬套连接，端部连杆与稳定杆间以等速 万向节连接。

       后悬架为扭力梁式悬架系统，包含柔体扭力梁、阻尼器、悬架弹簧等部件，其中柔体文件*.mnf 是在Hyperworks 软件中完成，扭力梁安装支座与车体间的螺栓用刚度较大的衬套代替，衬套的受力情况即为螺栓的受力状态。后悬架刚柔混合动力学模型见图4。

       整车动力学模型除包括前悬架及转向系统、后悬架系统外，还包括发动机系统、制动系统、车身系统、及试验台如图3 所示。

图3 Adams/ride 下整车动力学模型

图4 Adams/car 下后悬架刚柔混合动力学模型

       整车仿真分析过程是在Adams/ride 中进行，振动试验台的后悬架振幅15mm，频率为0-15Hz，模拟整车在正弦波路面行驶，针对扭力梁安装支座四个螺栓处的受力情况进行输出。通过图5 可知，静止状态下，四个螺栓受力分配不均;在正弦波路面上行驶过程中，扭力梁安装支座前外螺栓和后内螺栓处受力方向始终相反，前内螺栓和后外螺栓处受交变载荷作用。

图5 Adams/ride 下整车动力学仿真四个螺栓的垂直方向Z 受力情况

       注：req_rear_front_inner_L 后悬架系统扭力梁安装支座左侧前内螺栓

　       　req_rear_front_outer_L 后悬架系统扭力梁安装支座左侧前外螺栓

　       　req_rear_rear_inner 后悬架系统扭力梁安装支座左侧后内螺栓

　       　req_rear_rear_outer 后悬架系统扭力梁安装支座左侧后外螺栓

       2.2 后悬刚柔混合动力学模型下的仿真分析

　　在Adams/car 中，针对后悬架总成装配试验台架进行静平衡分析，所需参数为整车满载质量、质心高、轴距、轮距、左/右轮荷、前/后轴荷、前后制动比等。

图6 Adams/car 下后悬动力学模型的静止状况下四个螺栓的垂直方向Z 受力情况

       2.3 仿真分析结果对比

       将扭力梁安装支座处的四个螺栓在Adams/ride 中整车动力学模型进行仿真分析和在Adams/car 中后悬刚柔混合动力学模型进行仿真分析，两种仿真分析结果如下：

　　表1 仿真分析结果对比

       经对比分析可知，两种方法均可得出如下结论：静止状态下，扭力梁安装支座内侧螺栓处受向上的拉力作用，外侧螺栓处受向下的压力作用，四个螺栓处受力 方向不一致，大小不均匀，均是扭力梁安装支座后内螺栓受力最大。两种方法的分析结果基本一致，因此可用后悬架动力学模型在Adams/car 中的仿真分析代替整车动力学模型在 Adams/ride 中的仿真分析，对扭力梁安装支座在不同工况下的受力情况进行输出。

　　3 Adams/car 下不同工况下扭力梁安装支座的受力情况

　　对后悬架总成进行上跳3g、右侧向1g，加速0.5g 三种工况进行动力学仿真扭力梁安装支座的受力情况分析，通过三种工况仿真分析可知，纵梁舷外支架的内侧螺栓处与外侧螺栓处始终受相反方向的力作用，且将扭 力梁安装支座与扭力梁连接点处的力传递到螺栓处后的最大力放大3～5 倍。

      4 结论与建议

       4.1 可用单独的后悬架动力学模型模拟整车状态下扭力梁安装支座的受力情况，从而可以省略其它系统动力学模型的建立。

       4.2 纵梁舷外支架开裂的主要原因是受力面内外侧受力方向始终不一致、大小不均匀，使得支架始终处于扭曲状态，连接面受到弯矩作用。即扭力梁安装支座结构设计不合理，是造成纵梁舷外支架开裂最根本原因。

       4.3 建议：改进扭力梁安装支座结构;变动纵梁舷外支架及增加冲压件车体新增焊接件;更改螺栓布置使得螺栓受力相对均匀。如图10-12，参考serena 或307 结构，消除力臂，将扭力梁安装支座与扭力梁的连接点从四个螺栓外移到四个螺栓中心，进而消除大的翻转力矩。

　　参考文献

　　[1] Hiroyuki Shimatani,Satoshi Murata,Kei Watanabe.Development of Torsion Beam Rear Suspension with Toe Control Links[J].SAE 1999-01-0045.

　　[2] 汽车理论[M]. 余志生. 北京：机械工业出版社，1996.

　　[3] MSC.ADAMS 技术与工程分析实例[M]. 陈军 北京：中国水里水电出版社，2008.

　　[5] 汽车设计[M]. 王望予. 北京：机械工业出版社，1989