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汽车后扭力梁悬架系统的动态性能优化方法李军;李兆军;杨九洲;衡星【摘要】考虑悬架与汽车其他组件相互作用相互影响的情形,运用有限元法建立汽车后扭力梁悬架系统的动力学方程.在此基础上,通过动态灵敏度分析方法分析影响悬架动态性能的系统结构参数,然后,以汽车后扭力梁悬架系统的结构参数为设计变量,横梁与纵臂连接处的动态响应峰值最小为目标函数,给定频率范围为约束条件,构建汽车后扭力梁悬架系统优化模型,确定汽车后扭力梁悬架系统动态性能优化方法.最后通过实例分析对动态性能优化方法进行验证.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】5页(P31-34,39)【关键词】有限元;后扭力梁悬架;动态性能;灵敏度;优化【作者】李军;李兆军;杨九洲;衡星【作者单位】广西大学机械工程学院,广西南宁 530004;广西大学机械工程学院,广西南宁 530004;广西大学机械工程学院,广西南宁 530004;广西大学机械工程学院,广西南宁 530004【正文语种】中文【中图分类】U4610 前言汽车后扭力梁悬架是汽车的一个重要组成部分，其动态性能的好坏直接影响到整车的舒适性和安全性，因而对汽车后扭力梁悬架的动态性能进行优化是十分必要的[1]。
目前，国内外对汽车后扭力梁悬架的优化研究主要是根据悬架的静态、动态表现对悬架局部位置进行结构参数的调整。
如陈松、廖抒华等学者根据强度分析结果对悬架薄弱位置进行了尺寸参数的调整[2-3]；蒋荣超以质量和疲劳寿命为优化目标，以一阶扭转频率和扭转刚度为约束，条件对悬架进行了优化[4]；娄臻亮提出了一种把性能及其稳健性水平纳入多响应的优化方法，以重量最低为优化目标，综合考虑悬架的多项性能指标得到悬架的优化解域[5]，等等。
然而，在路面激励、发动机激励等外激励作用下，汽车后扭力梁悬架的动态性能十分复杂，因而，为了对汽车后扭力梁悬架的动态性能进行优化，有必要建立能够全面反映悬架系统的动态性能与其结构参数、材料参数及外激励参数之间内在关系的动力学方程，揭示悬架系统的振动机理，进而确定悬架系统动态性能优化方法。
华晨汽车工程研究院汽车扭力梁式后悬架系统的匹配设计刘立峰（1），赵亮（2），张电（3）（1.2.华晨汽车工程研究院，沈阳3.辽宁曙光汽车集团，丹东）摘要：通过Benchmark分析建立设计目标，使用Altair软件进行剪切中心计算和刚强度模态分析，使用ADAMS软件建立柔性体扭力梁进行仿真分析，依据分析结果优化CAD设计方案，最后通过台架和道路试验对设计方案进行验证。
关键词：扭力梁式后悬架，Benchmark，设计目标，剪切中心，Altair，ADAMSMatching Design of Rear Twist beam Suspension System of VehicleLifeng Liu（1），Liang Zhao（2），Dian Zhang（3）(Automobile Engineering Research Institute of Brilliance，SHENYANG 110141)Abstract: Establishing design target by the analysis of the Benchmark, completing the analysis of the shear center stiffness strength and modal with Altair software, Using ADAMS to establish twist beam flexible body model and complete the kinematics analysis, According to the analysis results to optimize the design of the structure, Finally verifying this design scheme by the bench test and road test.Keyword: Rear twist beam suspension, Benchmark, Design target, Shear center, Altair, ADAMS引言:扭力梁式悬架最早应用于1974年的大众海风牌汽车，历经近40年的改进设计，主体结构仍未发生本质性的变化，主要由承受侧向力矩、垂向载荷的横梁和左右可上下摆动的纵臂、弹簧托盘、减震器下支座、衬套安装套管焊合而成，通过弹簧、减震器、衬套来实现车轮与车身之间的柔性连接，达到支撑车身和减震的作用，左右车轮介于独立悬架的不直接相连与非独立悬架的刚性连接之间，故这种悬架也称为半独立悬架，横梁还兼起横向稳定杆的作用。
悬架系统匹配设计一、悬架系统概述悬架是现代汽车上重要总成之一，它把车架与车轴弹性地连接起来。
其主要任务是传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车架的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车平顺地行驶。
悬架主要由弹性元件、导向机构和减振器组成（在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆）。
弹性元件用来传递垂直力，并缓和由不平路面引起的冲击和振动，其种类有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、油气弹簧及橡胶弹簧等。
由于钢板弹簧在悬架中可兼作导向机构用，可使悬架结构简化，且保养维修方便、制造成本低，所以货车悬架中一般都采用钢板弹簧作为弹性元件。
钢板弹簧是汽车悬架中作为汽车当中应用最广泛的弹性元件，它是由若干等宽但不等长的合金弹簧片组成的一根近似等强度的弹性梁，钢板的弹簧的第一片一般是主片，其两端弯成卷耳内装青铜、粉沫治金组成的衬套，以便用弹簧销与固定在车架的支架或吊耳作铰接连接。
钢板弹簧一般用U型螺栓固定在车桥上。
中心螺栓用以连接各片弹簧片，并保证装配时各片的相对位置。
中心螺栓距两卷耳的距离可相等也可以不等。
主片卷耳受力最严重，是薄弱处，为改善主片卷耳的受力情况，常将第二片末端也弯成卷耳，包在主片的外面（也称包耳）。
有些悬架中的钢板弹簧两端不做成卷耳，而采用其它的支承方式（比如滑块式）。
连接各构件，除了中心螺栓以外，还有若干个弹簧夹，其主要作用是当钢板弹簧反向变形时，使各片不致于相互分开，以免主片单独承载，此处，为了防止各处横向错动。
弹簧夹用铆钉铆接在下之相连的最下边弹簧的端部，弹簧的夹的两边用螺栓连接，在螺栓上有套管顶住弹簧片的两边，以免将弹簧片夹得过紧。
中螺栓套管和弹簧片之间有一定的间隙（不少于（1.5mm）。
以保证弹簧变形可以相互滑移。
钢板弹簧在载荷作用下变形时，各片有相对滑移而产生摩擦，可以促进车架的振动的衰退。
但各片的干摩擦，将使车轮所受的冲击在很大程度上传给车架，即降低了悬架的缓和冲击能力,并使弹簧片加速磨损，这是相当不利的，为了减少弹簧片之间的摩擦，在装组合钢板弹簧时，各片间需涂上石墨润滑脂，并应定期的保养。
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第1章绪论悬架的重要性现代汽车除了保证其基本性能，即行驶性、转向性和制动性等之外，目前正致力于提高安全性与舒适性，向高附加价值、高性能和高质量的方向发展。
对此，尤其作为提高操纵稳定性、乘坐舒适性的轿车悬架必须进行相应的改进。
舒适性是汽车最重要的使用性能之一。
舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。
图1-1为扭转梁后悬架示意图图1-1 扭转梁后悬架悬架的功能悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。
其主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩；缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。
汽车在不平路面上行驶时，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直振动。
为了迅速衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减振器，并使之具有合理的阻尼。
利用减振器的阻尼作用，使汽车振动的振幅连续减小，直至振动停止。
悬架的设计要求为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求由簧上质量与弹性元件组成的振动系统的固有频率应在合适的频段，并尽可能低。
前、后悬架固有频率的匹配应合理，对乘用车，要求前悬架固有频率略低于后悬架的固有频率，还要尽量避免悬架撞击车架（或车身）。
在簧上质量变化的情况下，车身高度变化要小，因此，应采用非线性弹性特性悬架。
要正确地选择悬架方案和参数，在车轮上、下跳动时，使主销定位角变化不大、车轮运动与导向机构运动要协调，避免前轮摆振；汽车转向时，应使之稍有不足转向特性。
悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能，对悬架提出的设计要求有：（1）保证汽车有良好的行驶平顺性。
华晨汽车工程研究院
汽车扭力梁式后悬架系统的匹配设计
刘立峰（1），赵亮（2），张电（3）
（1.2.华晨汽车工程研究院，沈阳3.辽宁曙光汽车集团，丹东）
摘要：通过Benchmark分析建立设计目标，使用Altair软件进行剪切中心计算和刚强度模态分析，使用ADAMS软件建立柔性体扭力梁进行仿真分析，依据分析结果优化CAD设计方案，最后通过台架和道路试验对设计方案进行验证。
关键词：扭力梁式后悬架，Benchmark，设计目标，剪切中心，Altair，ADAMS
Matching Design of Rear Twist beam Suspension System of Vehicle
Lifeng Liu（1），Liang Zhao（2），Dian Zhang（3）
(Automobile Engineering Research Institute of Brilliance，SHENYANG 110141)
Abstract: Establishing design target by the analysis of the Benchmark, completing the analysis of the shear center stiffness strength and modal with Altair software, Using ADAMS to establish twist beam flexible body model and complete the kinematics analysis, According to the analysis results to optimize the design of the structure, Finally verifying this design scheme by the bench test and road test.
Keyword: Rear twist beam suspension, Benchmark, Design target, Shear center, Altair, ADAMS
引言:
扭力梁式悬架最早应用于1974年的大众海风牌汽车，历经近40年的改进设计，主体结构仍未发生本质性的变化，主要由承受侧向力矩、垂向载荷的横梁和左右可上下摆动的纵臂、弹簧托盘、减震器下支座、衬套安装套管焊合而成，通过弹簧、减震器、衬套来实现车轮与车身之间的柔性连接，达到支撑车身和减震的作用，
左右车轮介于独立悬架的不直接相连与非独立悬架的刚性
连接之间，故这种悬架也称为半独立悬架，横梁还兼起横向
稳定杆的作用。
优点：结构简单，零件少，成本低，占用空间小，可获
得较大尾部空间，易于安装和拆卸，减震器和弹簧容易匹配，
车轮定位变化小，轮胎磨损扭小，扭转梁式半独立悬架广泛
应用在中小型前置前驱车的后悬架上，也有小型四驱车用扭
转梁后悬架的例如：SUZUKI SX4。
缺点：焊缝处存在较高的应力，对焊接工艺要求高，耐
久性能差；后轴承载能力不高；左右车轮上下跳动时相互影
响，舒适性有限； 车轮定位设计自由度少，操纵稳定性改
善不容易。
图1 某车型后扭力梁总成
小结：扭转梁后悬挂成本低、占用空间少，有利于营造宽敞的后排空间；固定的四轮定位参数、较少的橡胶衬套使其保养成本极低。
调教得当的话，在良好路面非极限驾驶过程中，具有较好的舒适性和操控性，所以扭转梁式后悬挂非常适合城市中家用车及代步车使用。
新款的速腾已经用扭力梁代替了多连杆后悬架，节省下来的成本，使用在配置升级、加大尺寸、内外饰品质提升上、造型换代，更容易吸引和打动用户。
扭力梁悬架的开发流程
图2 扭力梁开发流程图
1.Benchmark 分析和标杆车车型选择
2.设计目标
图3 benchmark车型 图4 设计目标
3.CAD 模型建模和优化
3.1剪切中心的计算方法
剪切中心就是当力作用这一点是，横梁只受到弯矩而没有受到转矩，当力作用在除剪切中心其它任何点时，横梁有弯矩和转矩；
其实原理很简单，当横梁截面受到某个方向上的力时，该横截面上会产生剪切流,从而导致剪力，为了使横梁不受到转矩，利用力的平衡就可以求出剪切中心的位置；
使用Hypermesh 中hyperbeam 分析扭力梁的剪切中心。
图5剪切中心
3.2侧倾中心高度计算方法，横梁位置、开口方向的选择
图6侧倾中心计算方法 图7横梁位置 图8横梁开口方向
横梁位置靠前布置，梁悬架偏舒适性；横梁位置接近轮心布置，悬架偏操纵稳定性；横梁位置居中布置，悬架舒适性和操控性能均衡；
3.3 横梁截面形状的选择 开口截面，扭转常数计算公式：
闭口截面，扭转常数计算公式： 式中，A 截面中线所围成的面积； U 截面中线的长度；t 材料厚度。
图9横梁截面形状
扭转刚度K 为： 式中，G 材料剪切模量；L 作用长度，即杆件的长度。
a.开口薄壁件的扭转常数较小，其中U 型截面比V
型截面具有更大的扭转刚度；
3
31Ut J =U
t A J 24=L
GJ
K
=
b.闭口薄壁件的扭转常数较大，冲压成型变截面结构，可以生成变扭转常数的横梁，横梁中部冲压较多，减少面积降低扭转常数，使其充分发挥扭转梁的柔性；端部冲压较少，或保持原截面不冲压，以尽可能增大扭转常数，增大端部刚度，保证稳定性。
3.4 扭转梁与车身连接衬套安装角度对后轴随动转向的影响及角度的选择
a.减小衬套轴向刚度，在侧向力作用时，扭转梁与
车身连接点沿衬套轴向位移，低衬套轴向刚度F3增加不
足转向趋势；
b.由于衬套径向刚度的存在，在侧向力作用时，衬套
径向压缩，使后轴产生过度转向，高径向刚度F2可减少过
度转向趋势。
c.适度降低F1径向刚度，可以缓冲路面对车身的冲击
，提高车辆的乘坐舒适性。
图10扭力梁衬套刚度曲线及结构
扭转梁与车身连接衬套的轴线与车辆Y的安装角度过大、过小都无法有效的把沿衬套轴向位移转化为扭转梁的不足转向特性，最优的衬套安装方向与衬套各向刚度有关联，一般衬套安装角度设计在24-26度之间。
A1=24°32′ ±30 ′
A0= 25°±30 ′
3.5 纵臂长度的选择及影响
摆臂设计的太短，为了满足悬架上下跳动行程，会使纵臂上下摆动角度变大，造成轴距变化量增大，影响舒适性及造成轮胎磨损严重。
一般纵臂长度都设计在400-450mm之间，对应悬架行程在180-210mm之间。
3.6 扭转梁常用材料选择
扭转梁本体材料：承受较大的工作载荷，冲压成型与纵臂焊接，影响着扭转梁总成的强度、刚度与模态，一般采用5～6mm的热轧高强度低碳钢板B510\SPFH590\TL1114。
纵臂材料：管材一般采用3.5-4mm的16Mn\Q345无缝钢管或有缝焊管Ф60-70mm，板材一般采用3.5-4mm 的SAPH440。
弹簧托盘材料：螺旋弹簧托架受力很大，一般用3mm的SAPH440\QStE420TM 。
减震器支架材料：一般SAPH400\QStE420TM。
图11扭力梁常用材料清单
4 . 选型计算
根据选择的截面形状、横梁位置、计算得到的剪切中心，计算扭转梁的刚度及提供后悬架的侧倾角刚度。
图12扭力梁扭转刚度计算
5、侧倾梯度、不足转向梯度计算
图13侧倾梯度、不足转向梯度计算
6 . ADAMS 仿真分析（with FBG）
图12扭力梁后悬架ADAMS模型 图14侧向力前束变化图 15侧向力外倾变化
图16反向跳动前束变化 图17反向跳动外倾变化 图18侧倾中心高度
7.台架试验
a:扭转台架试验：频率1Hz，±60mm左右同时加载（相位差为180°），加载次数≥11×10^4次，焊缝或本体开裂≤10mm，加载力变化≤1%，在试验中若发现橡胶衬套、减震器、弹簧等零部件提前损坏或失效，应及时更换其零件。
b:弯曲台架试验：频率1Hz，加载力±5KN, 加载次数≥6×10^4次，焊缝或本体开裂≤40mm，若发现橡胶衬套、减震器、弹簧等零部件提前损坏或失效，应及时更换其零件。
图19扭力梁台架试验台图 图20路谱信号
8. 道路试验
路试中扭力梁最大受力工况是搓板路，主应力是弯曲方向，车速50-60公里时（频率23.1-27.7Hz），与扭力梁一阶振动模态相近易发生耦合共振。
总结：
本文提出了扭力梁匹配设计流程和关键设计因素及其作用原理；使用柔性体扭力梁，提高了ADAMS仿真准确性。
某车型采用了50%横梁位置、U型截面、开口向下的扭力梁，具有较高的侧倾中心且兼顾较好的各向刚度，前束、外倾、侧倾变化，通过计算扭转刚度和不足转向梯度等在设计目标范围内，满足整车性能要求。
通过台架和道路试验对扭力梁疲劳进行验证，道路试验中提高了试验速度，避开扭力梁一阶模态的振动频率，解决了扭力梁在道路试验中焊缝早期开裂的问题。
参考文献：
【1】 莱姆佩尔.悬架元件及底盘力学 吉林：吉林科学技术出版社，1991：（146-181）.
【2】 刘维信.汽车设计 北京：清华大学出版社，2001：（431-535）.
【3】 刘艳华.轿车扭力梁后悬架的开发研究 沈阳：沈阳大学学报，2006 .。
