汽車扭轉梁后橋設計與仿真分析

汽車扭轉梁后橋設計與仿真分析,汽車,扭轉,改變,后橋,設計,仿真,分析 目錄 目 錄 摘要 Ⅱ abstract Ⅲ 第一章 緒論 1 1.1 課題的研究意義及背景 1 1.2 扭轉梁后橋的基本綜述 1 1.3 課題研究內(nèi)容及方法 2 第二章 懸架 3 2.1 懸架的概念 3 2.2懸架的基本類型 3 第三章 主要參數(shù)的確定 7 3.1 所選某車型的基本參數(shù) 7 3.2 扭轉梁后懸架的剛度計算 7 3.3 扭轉梁剪切中心設計計算 7 3.4 彈簧側傾角剛度的計算 11 3.5 扭轉梁側傾角剛度的計算 11 3.6 扭轉梁后獨立懸架橫梁整體設計 12 3.7本章小結 14 第四章 扭轉梁后橋的設計 15 4.1 CATIA的基本介紹 15 4.2 扭轉梁后軸的橫梁設計 15 4.3 扭轉梁后軸縱臂的設計 16 4.4 扭轉梁后軸的其它部分設計 17 4.5 本章小結 19 第五章 扭轉梁后橋結構性能仿真分析 20 5.1 ANSYS軟件的介紹 20 5.2 有限元分析 20 5.2.1 靜力分析 20 5.2.2 模態(tài)分析 23 5.3 本章總結 28 第六章 論文總結 29 6.1 論文總結 29 6.2 論文展望 29 參考文獻 30 致謝 31 II 摘要 汽車扭轉梁后橋設計與仿真分析 摘 要 扭轉梁后橋是汽車底盤后懸架的關鍵組成部件，嚴重影響著車輛的安全可靠性和操縱穩(wěn)定性。懸架是車的整體框架即車架和車橋之間所有力連接裝置的總稱，是汽車底盤的關鍵的組成部分。因此對汽車底盤的基本研究，是進行設計汽車扭轉梁后橋的前期工作的必不可少的條件。 本文的主要內(nèi)容為扭轉梁后橋的設計和有限元分析。首先分析了扭轉梁后橋的基本概念，并簡要介紹了懸架的基本類型，其次對其主要參數(shù)進行了計算，最后用CATIA軟件進行三維建模，并用ANSYS軟件進行有限元分析。 關鍵詞：車輛底盤；汽車后懸架；扭轉梁后橋；設計；有限元分析 IV Abstract Design and simulation analysis of rear axle of car torsional beam Abstract The rear axle of torsion beam is a key component of the rear suspension of automobile chassis, which seriously affects the safety reliability and operation stability of vehicle.Suspension is the general term for the overall frame of a car, i.e. the powerful connection device between the frame and the bridge, and it is a key component of the automobile chassis.Therefore, the basic research of automobile chassis is an essential condition for the preliminary work of the design of automobile torsion beam rear bridge. The main content of this paper is the design and finite element analysis of torsion beam rear bridge.First analyzes the basic concepts of torsion beam rear axle, and briefly introduces the basic types of suspension, next to its main parameters are calculated, finally, 3 d modeling using CATIA software, using ANSYS finite element analysis software. Key word：Vehicle chassis; rear suspension,;torsion beam rear axle;design and simulation analysis. 第一章 緒論 第1章 緒論 1.1 課題的研究意義及背景 汽車的四大組成部分是發(fā)動機、底盤、車身及電器設備。其中底盤直接影響到汽車整車的基本性能。底盤和性能的合理匹配一直都是汽車研究領域的關鍵核心部分。最近幾年，高校和企業(yè)也加大了合作力度，知識與產(chǎn)業(yè)相結合，增加在汽車底盤領域的研發(fā)投入，包括人力，物力和財力的全方位投入，是為了能做到技術上的突破，從而推動中國汽車自主品牌，自主產(chǎn)品的再一次質的飛躍。 隨著人們生活水平的提高，消費能力的改善，汽車成為每個人生活中不可缺少的一部分，也逐漸成為年輕人彰顯個性的符號，人們對汽車的要求已不再僅限于簡單的代步。作為駕駛者的話，追求的則是是良好的操縱性，充沛的動力表現(xiàn)，變速箱的合理匹配，精準的轉向，不一樣的駕駛樂趣。作為乘員，追求的則是良好的舒適性，胎噪，風噪，噪音的處理；合適的乘坐空間，不要太壓抑的內(nèi)飾材質和氛圍。而居家用的車輛的要求則是油耗不高，外觀不能太丑太另類，起么看的順眼，等等。 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，日益突出的三大問題石油消費、安全、環(huán)保等成為了國家和消費者持續(xù)關注的方面，國家也為此出臺了相應的針對政策。因此，汽車的未來發(fā)展的主題必然是安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保。各大車企也在研發(fā)新能源車型，市面上已經(jīng)有一定比例的新能源車型在店里銷售，也得到了消費者的廣大青睞。中國的龐大的汽車產(chǎn)業(yè)作為中國整體經(jīng)濟的重要組成部分，在隨著中國整體經(jīng)濟實力不斷提升到的同時，也在不斷地進步和蓬勃發(fā)展。 1.2 扭轉梁后橋的基本綜述 扭轉梁后橋是半獨立的非驅動橋。它具有結構簡單、占用空間小，成本低等眾多優(yōu)勢，在市場上已經(jīng)有很好的表現(xiàn)，被廣泛應用于汽車底盤后懸架。扭轉梁后懸架主要由扭轉梁橫梁和縱臂焊接而成，兩側設有加強筋或支撐件起到支承和固定作用，相應的彈性元件和減振器起到減震的作用。扭轉梁后橋總成是由橫梁、縱臂、彈簧元件、減振器底座和制動安裝支架等線束支架焊接而成的。它的工作原理是：因為扭轉梁是柔性的，所以當左右車輪做向上及向下兩個方向的相對運動時，為了減緩其帶來的震動，中間扭轉梁就會產(chǎn)生朝著相反方向的扭矩。 圖1.1 扭轉梁后橋的基本結構 汽車懸架是汽車的重要組成部分，既起著在支撐整個車身上方面的重要作用，又得將路面上的各種力傳遞給車身。懸架系統(tǒng)決定性的影響著車輛的舒適性和可操控性。從而可見，懸架系統(tǒng)設計的基本目標是，在應對不同的道路條件下，保證車輛的可靠性和可操縱性等基本性能。 根據(jù)傳統(tǒng)懸架分類，后橋結構的懸架系統(tǒng)處于獨立與非獨立之間，通常稱為半獨立懸架。懸架是框架（或軸承體）和橋（或車輪）之間的所有力連接裝置的總稱，它可以減輕地面沖擊，吸收車輪的振動，傳遞車輪和道路之間的所有力和力矩，如何做到更好，如何做到舒適性和操控性之間的合理匹配，一直是廣大學者研究的課題和方向。目前，在汽車產(chǎn)品的設計過程中，一般都會借助有限元分析軟件進行仿真分析。在扭轉梁后橋的設計和開發(fā)中，主要內(nèi)容包括模態(tài)、剛度、強度、疲勞壽命預測、車輛動力學仿真和結構優(yōu)化設計。 1.3 課題研究內(nèi)容及方法 本文以家用轎車扭轉梁后橋為研究內(nèi)容，綜合國內(nèi)外研究成果和現(xiàn)有資料，研究了扭轉梁后橋結構的設計和仿真分析過程等相關內(nèi)容，并且對整個設計過程進行自我反思和總結，力求獲得不斷進步?，F(xiàn)在市場上汽車的發(fā)展趨勢是逐漸輕量化，為了順應這一趨勢，我們采用結構簡單，制作生產(chǎn)成本較低的設計方案。同時，我們對扭轉梁后橋采用鋼材料進行制作，這樣的話，可以在保證結構疲勞壽命的同時，可以減輕質量，從而實現(xiàn)輕量化的設計目標。本文的設計內(nèi)容也為以后的底盤的裝配工藝和其它相關零部件的研發(fā)和設計提供了相應的參考。 31 第二章 懸架 第二章 懸架 2.1 懸架的概念 底盤基本功能的實現(xiàn)是要靠后橋和不同的懸架類型的合理恰當匹配。后橋作為后懸架的組成部分，其密切的關系要求我們，在研究后橋之前，必須對懸架的類型及其優(yōu)缺點有著詳細的了解和認知。 懸架系統(tǒng)是一組緩沖器。從宏觀上看，懸架是位于車輪和車架的中間。車輪接觸地面所受到的力和振動，將由懸架系統(tǒng)進行緩沖作用，從而乘客不會受到特別大的顛簸，乘坐舒適性也隨之提升。可見，懸架系統(tǒng)的設計對汽車的舒適性和行駛的穩(wěn)定性有著直接的關系。與此同時，懸架系統(tǒng)主要控制著車身的上下波動。不同的懸架類型有著不同的實用效果，可見懸架在汽車的實用性方面的不可取代的地位。雖然現(xiàn)代汽車懸架結構形式多種多樣，但無論怎樣都不會離開根本，最基本的組成部件是彈性元件、導向機構和起減震作用的減振器，以及緩沖塊和橫向穩(wěn)定器。每一個零件都有存在的作用，不然對制造廠商而言就是不必要的浪費，緩沖塊的作用就是防止減振器在特殊條件下超過設計的壓縮行程。彈性元件在一般正常的騎車中使用的是螺旋彈簧，而空氣彈簧則用于一些比較先進的汽車中。因為市面上螺旋彈簧的價格相對便宜，并且種類較多，選擇空間大，而空氣彈簧的價格就相對比較高一點，性能相對也較好一點，一般主要用在高檔轎車上。 懸掛系統(tǒng)的結構看似簡單，但設計過程是非常繁瑣的。其主要原因是如果選擇將懸架系統(tǒng)的剛度設計過大，則在穩(wěn)定性方面體現(xiàn)的會好一點，但帶來的弊端則是犧牲掉了乘坐舒適性。相反，如果選擇將剛度設計的較小，則在乘坐舒適性方面體現(xiàn)的會好一點，但帶來的弊端就是控制穩(wěn)定性差。所以說在操控性和舒適性之間的合理均衡是懸架設計的復雜之處。然而懸架系統(tǒng)設計的關鍵是懸架系統(tǒng)的彈簧設計。減振器的主要作用是吸收過濾車輪由路面?zhèn)鬟f的振動。總而言之，要想達到最佳的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性，必須要做到減振器的性能參數(shù)和彈簧的性能參的設計合理均衡匹配。 2.2懸架的基本類型 懸架根據(jù)最基本的分類方式，按照其基本結構形式進行分類，可分為獨立懸架、獨立懸架和半獨立懸架三大類。 （1） 非獨立懸架 非獨立懸架，因詞生義，是指兩個車輪不能獨立移動，兩個車輪通過剛性整體橋結構連接。車輪固定在車橋上，通過懸掛系統(tǒng)與車身連接。其優(yōu)點是，非獨立懸架結構比較簡單，制造和維護成本相對較少。由于車輪和車橋是剛性連接的，在車輛行駛中車輪定位參數(shù)的變化不是特別明顯。缺點則是由于整體軸處于彈性元件之下，彈簧所帶的質量較大，轉向和變道的時候彈簧是有彈性形變的，由于所帶質量過大，就無法短時間內(nèi)完成標準運動，就會有拖賴感，所以將導致操縱穩(wěn)定性差。此外，由于左右車輪固定在整個車橋上，兩側是連在一起的，所以如果一側車輪被打動，那么另一側的車輪也會被帶到，做了一些相對獨立懸架而言不必要的動作，帶來的影響是舒適性也較差。如下圖2.1所示，是一種非獨立懸架結構示意圖。 圖2.1 非獨立懸架示意圖 （2） 獨立懸架 獨立懸架，因詞生義，意味著這兩個車輪是可以獨立完成各自的運動。獨立懸架一般正常情況下是與斷開的軸共同使用的，因此當車輪的一側因打動而帶來的移動就不會影響另一側的車輪的運動狀態(tài)，互不干擾。在獨立懸架系統(tǒng)的底盤中，左右車輪是通過各自的彈性元件下懸掛連接在車身下面的。獨立懸架設計中連接的軸為斷開軸，質量則會因此較輕點。與此同時，每個車輪可以獨立運動，從而改善了車輪的表面附著力。除此之外，獨立懸架結構的中間區(qū)域對發(fā)動機的基本布局起到非常好的作用，通常情況下，如果降低汽車發(fā)動機的安裝高度，這將降低汽車整體重心的高度，重心降低了風阻低了，空氣的下壓力也大了，從而車輛的穩(wěn)定性會得到很好的提高和改善。獨立懸架的軸是斷裂的軸，因此左右車輪可以互不干擾的完成各自的移動。左右兩側的車輪的運動狀態(tài)都是由路況決定的，獨立的運動就不會造成互相影響的情況，車體傾斜度也隨之減小。雖然獨立懸架結構復雜，制造成本高，維修維護復雜繁瑣，但其憑借具有的優(yōu)良的行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性等其他優(yōu)點，許多汽車制造商還是會選擇獨立懸架進行生產(chǎn)制造。獨立懸架的分類方式是各式各樣的，如果按照書本上傳統(tǒng)的分類方法，根據(jù)連桿的結構對其進行分類的話目前市場上有多連桿式、麥弗遜式、雙叉臂式等有獨立懸架類型。 獨立懸架的示意圖，如下圖2.2所示。 圖2.2 獨立懸架的示意圖 （3） 半獨立懸架 半獨立懸架是最具有代表性的拖曳臂式懸架。從車輪兩側的剛性連接來看的話，是屬于一種非獨立懸架。但從懸架性能的角度來看，這種懸架結構又具有獨立懸架的基本特性。由于兩者都有聯(lián)系，并且兼顧，從而這種結構的懸架就被細分為半獨立懸架。拖曳臂式懸架是由硬部件和軟部件組合而成的。硬結構指的則是縱向臂和梁，可以在身體的固定點上下擺動。軟部件是指彈簧和減振器。各斯其職，每個部件起到不同的作用，剛性結構的作用是承擔荷載和傳遞力，而柔性連接則是負責減輕沖擊和吸收振動?？v向臂和梁焊接在一起來連接左右兩側的車輪，這種結構因為具有全橋式的特點，從而使車輪在汽車行駛過程中的內(nèi)外移動不大。同時，在一定力的作用下，梁會發(fā)生扭轉，使兩側的車輪相對自由地在相對較小的空間內(nèi)運動。雖然曳力臂的結構相對簡單，構件也不是很多，但根據(jù)其構件的不同形狀可分為全臂懸架和半拖曳臂懸架兩種。整個拖曳臂式縱臂一端，一端安裝在車體上，另一端與車輪連接。全拖曳懸架的縱向臂沿轎車車廂的縱向布置的，它是車輪和車體連接的重要組成部分。在行駛過程中，車輛的縱向臂起到承受來自各個方向的載荷的作用。 圖2.3 半獨立懸架的示意圖 全拖拽式懸架主要用于前驅動式后橋系統(tǒng)中，由于其較好的全拖曳臂式結構，典型的全拖曳臂結構在法系車中運用的相對多一點。半拖曳臂式懸架各部分的連接方式是拖臂前段與前車架連接，后端與車輪連接，支架臂是可以在車身連接點上下移動的。半拖臂懸掛系統(tǒng)已廣泛應用于前驅車型和后驅車型中。本文研究的扭轉梁后橋主要有縱臂和橫梁組成，其是拖曳臂懸架最重要的部分，其結構設計非常特殊。縱臂設計的要求是具有一定的剛度，因為它要受到來自各個方向的力和載荷，通常是封閉的環(huán)形截面。橫梁的設計的重要性也是很大的，其中橫梁的位置與車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性密切相關的。 從汽車底部看，橫梁的位置通常位于汽車車身的硬點和車輪的中心點之間。當橫梁位置接近車身的硬點時，車輛的乘坐舒適性有所提高，但操縱穩(wěn)定性就會較差；如果梁離車輪的中心近一點，則車輛的通過性及操縱性會更好，但缺點是梁的扭轉性能就會不發(fā)揮作用，這樣情況下，其功能則接近非獨立懸架的基本功能。從結構設計的角度分析的話，拖曳臂懸架具有許多優(yōu)點，其結構需要不多的零件，不需要如連桿這樣的其他部件，也非常容易完成彈簧和減震器的安裝和拆卸工作。拖曳臂懸架因其簡單的結構，較低的生產(chǎn)成本而被廣泛應用于中低端車輛的法系車中。 第三章 主要參數(shù)的確定 第3章 主要參數(shù)的確定 3.1 所選某車型的基本參數(shù) 驅動形式4×2前輪 軸距 2610 mm 輪距前/后 1485 /1475 mm 最大爬坡度 35% 整車質量 1305kg 最高車速 171km/h 最小轉彎直徑 11m 最大轉矩/轉速 146/4600Nm/rpm 最大功率/轉速 85/5800kw/rpm 輪胎型號 185/65R15T 手動5擋 汽車起步時發(fā)動機轉速 變速器最大傳動比 主減速器傳動比。 3.2 扭轉梁后懸架的剛度計算 已知：已知整車裝備質量：m =1130kg，取簧上質量為1228kg；軸荷分配：前軸軸荷762kg，后軸軸荷723kg。 空載后軸單輪軸荷為48%： 滿載后軸單輪軸荷為48%： 懸架滿載剛度： （3－1） 空載剛度 （3－2） 3.3 扭轉梁剪切中心設計計算 扭轉梁剪切中心的位置是與影響車輛轉向特性的重要因素。當剪切的中心位置在連接襯套與車輪中心之間的連接線的上方時，車輛會呈現(xiàn)不足轉向的趨勢；當剪切中心位置剛好在連接襯套與車輪中心連線上時，車輛會出現(xiàn)中性轉向趨勢；當剪切中心位置在連接襯套與車輪中心連線的下方時，車輛會出現(xiàn)過度轉向趨勢。 扭轉梁剪切中心、襯套中心和輪心點他們?nèi)吖餐ㄎ涣伺まD梁的側傾中心位置。在汽車正向的設計過程中，通過給定的已經(jīng)確定的扭轉梁側傾中心高度，可以通過以下介紹的幾種方法計算出扭轉梁剪切中心的位置。 圖3.1 扭轉梁剪切中心 已知參數(shù)包括以下： （1）車輪靜半徑R,一般在靜載下就已經(jīng)進行設計；（2）車輛后輪距B，在設計初期階段給出；（3）側傾中心高度H，在設計初期階段給出；（4）襯套點p1，（x1,y1,z1）；（5）輪心點 p2，(x2,y2,z2)。 3.1.2剪切中心點p0（x,y,z）的設計計算 （1） x值。x值對橫梁在扭轉梁前襯套與輪心點之間的位置起到了決定性的作用，如果橫梁越靠近前襯套，側傾中心高度就越接近水平面，其特點則會更加接近單縱臂獨立懸架的特點；如果越接近輪心點，側傾中心高度就會越遠離水平面，其就會更加趨向于非獨立懸架的特性。X=ib ，b是襯套與輪心在x方向上的距離，一般取i=0.28～0.48。 （2）y值。因為扭轉梁是左右對稱的，所以y值取0。 （3）z值 。依據(jù)多體計算動力學歐拉四元素法可計算p4點繞轉軸n旋轉θ角后p4’的位置，轉軸n為襯套點與剪切中心點連線方向的單位矢量。也可以采用原理基本一致的作圖法做出來。設車輪接地點p4(x2,yz,z2-R)，襯套點P1(x1,y1,z1)，矢量s4=p4-p1，具體如下圖所示。 圖3.2 扭轉梁后懸架剪切中心示意圖 其有如下關系 （3－3） 根據(jù)上圖公式可推導出側傾中心高度的計算公式 ： （3－4） 根據(jù)上面的三個公式可求出Z值 。 如下所示的關系示意圖，是三種比較常見的能表示扭轉梁橫梁的開口截面與剪切中心位置的。 圖3.3 扭轉梁橫梁開口截面剪切中心位置 從上圖3.3能夠看出，剪切中心位置是位于開口方向的另一側，因此在扭轉梁后橋的結構設計過程中，可結合動力學的特性，剪切中心的位置及相關的布置要求來決定扭轉梁后橋橫梁的開口方向及布置位置，常用開口方向為向下的。但也有開口方向是向前和向后的。 查閱相關資料，歸納總結了以下3種計算截面剪切中心位置的方法 。 （1）Ｖ橫梁截面參數(shù)如下圖3.4所示 。 圖 3.4 扭轉梁橫梁Ｖ型截面參數(shù) 那么剪切中心到圓心的距離e為 ： （3－5） 式中，Jwx是橫梁截面對X軸的主扇性慣性矩，Ix是橫梁截面對X軸的慣性距 。 （3－6） （2）U型橫梁截面參數(shù)。U型Ⅱ截面的頂端有一直邊，焊接的基本性能要比V型好，扭轉效率高，其剪切中心可根據(jù)上述的公式計算出來。 圖3.5 扭轉梁橫梁Ｕ型截面參數(shù) （3） V型截面+扭桿結構參數(shù)如下圖所示。如果當扭桿截面圓心位于V型橫梁型心時，V型截面+扭桿的橫梁組合的剪切中心可以視為V型橫梁的剪切中心；當扭桿截面圓心與V型橫梁剪切中心有較大差別時，需要分別計算出V型橫梁的剪切中心及扭桿的剪切中心，再通過力矩平衡原理求出組合截面的剪切中心。在實際設計中，為了獲得較大的扭轉剛度及較好的應力分配，通常將扭桿截面圓心設計在V型截面的型心上。 圖3.6 扭轉梁橫梁V型截面+扭桿結構參數(shù) 3.4 彈簧側傾角剛度的計算 根據(jù)多體計算動力學歐拉四元素法，可計算出輪心點 p2 （x2,y2,z2） 和彈簧下點 p3 （x3,y3,z3） 繞轉軸n旋轉θ角z方向上的位移量，從而確定其杠桿比。轉軸n為襯套點與剪切中心點之間的連線的方向的單位矢量。 杠桿比 ： （3－7） 式中 （3－8） 根據(jù)上述幾個公式可以計算得出彈簧側傾剛度 ： （3－9） 式中，Ks是彈簧剛度，單位為N/mm；B是車輛后輪距，單位為mm。 3.5 扭轉梁側傾角剛度的計算 懸架側傾角剛度是指簧上質量產(chǎn)生單位側傾角時懸架給車身的彈性恢復力矩，它對簧上質量的側傾角也有影響。如果汽車的乘坐側傾角剛度過小，車輛的舒適感和穩(wěn)定性就會有所欠缺；如果汽車的側傾角剛度過大，那么就會造成胎側偏角加大。假使這些側傾發(fā)生在后輪的話，汽車則會出現(xiàn)轉增加過多的可能。正常情況下，一般的要求是在側向慣性力為0.4G時，轎車車身側傾角為2.6°～3°之間。貨車車身側傾角≤6.5°左右。懸架側傾角剛度可看成是，前后懸架側傾角剛度獨立組合而成的，前后懸架側傾角剛度的分配會給前、后輪的側偏角大小帶來一些偏差，從而造成轉向特性的偏差，所以設計過程中需考慮的懸架側傾角剛度在前后軸上的分配關系。汽車前軸的輪胎側偏角剛度比后軸的輪胎側偏角剛度稍微大些，可以滿足汽車轉向特性稍有不足的特殊要求，。對于一般的轎車，前后懸架側傾角剛度比值一般為1.4~1.8。扭轉梁后懸架的側傾角剛度Cr主要由彈簧和扭轉梁共同決定的。正常情況下，簧剛度及位置是由懸架空間布置及總布局舒適性的確定來決定的，確定后可以得出結論，Ct = Cr - Cz. 扭轉梁側傾角剛度計算示意圖如下圖3.7所示 。 圖3.7 扭轉梁側傾角剛度計算示意圖 根據(jù)歐拉四元素法可計算出輪心點z向（車輛坐標系）的位移ΔP2Z與橫梁扭轉角度Δθb的關系 ： （3－10） 橫梁受扭轉產(chǎn)生的力矩為 ： （3－11） 根據(jù)簡化的模型，設輪心處z方向的力為F2，襯套處z方向的力為F1 ，橫梁對縱臂Z方向的力為F5，橫梁對縱臂繞Y軸方向的力矩為Mb則根據(jù)力和力矩平衡方程有： （3－12） 設懸架一側的線剛度為： （3－13） 則扭轉梁側傾角剛度Ct為： （3－14） 3.6 扭轉梁后獨立懸架橫梁整體設計 根據(jù)公式可以計算出扭轉梁所需要的扭轉剛度Kt，單位為N.mm/rad。扭轉梁扭轉剛度主要由橫梁提供，結構模型忽略縱臂剛度、襯套剛度和橫 梁加強板的影響，計算結果一般偏小，偏差≤20％。根據(jù)懸架左右車輪的扭轉角度及扭轉梁橫梁約束扭轉剛度的大小，選擇恰當?shù)臋M梁截面型式，常用的四種橫梁截面結構如下圖3.8所示。其中，A、B、C類是鋼板沖壓而成，D類是圓管液壓而成。 圖3.8 常用橫梁截面結構 橫梁截面型式確定后,根據(jù)扭轉梁橫梁的約束扭轉剛度的大小，可以初步計算出橫梁截面的結構參數(shù)。根據(jù)橫梁的約束條件，采用薄壁桿件理論中的約束扭轉，來求解橫梁的約束扭轉剛度。U型截面也是采用同樣的方法進行計算出扭轉剛度。 薄壁Ｖ型橫梁的扭轉剛度 ： （3－15） 式中，Lo是橫梁的長度，單位為mm；G是剪切模量，單位為MPa；Jd是自由慣性矩；是約束扭轉特征系數(shù)。 扭桿的扭轉剛度為 ： （3－16） 式中，Gp是扭桿的切變模量，單位為MPa；lp是扭桿的長度，單位為mm；D是扭桿外徑，單位為mm；d是扭桿內(nèi)徑，單位為mm。 V型橫梁＋扭桿截面的扭轉梁的扭轉剛度 Kt=Kb+Kp （3－17） 式中,設定λ＝Kb/Kp ，取值范圍為0.8~2，確保橫梁、扭桿的應力分布均勻，扭轉效率高。扭轉梁橫梁結構參數(shù)設計根據(jù)扭力梁扭轉剛度計算公式可得出多組數(shù)據(jù)，再根據(jù)下述條件選擇合適的扭力梁結構尺寸，最后根據(jù)一般強度要求及總質量選擇一組合適的數(shù)據(jù)。 主要參數(shù)為：厚度t、夾角α、圓角半徑R、橫梁邊長b、扭桿外徑D及內(nèi)徑d。 圖3.9 扭力梁橫梁截面參數(shù) 3.7 本章小結 厚度t對橫梁的扭轉剛度影響很大，根據(jù)剛度要求選擇合適值，一般會在4～6mm之間選擇，如果取值越大，橫梁約束扭轉剛度越大；夾角α對橫梁的扭轉剛度影響較小，一般選擇60°左右，取值越大，橫梁約束扭轉剛度就會越大；圓角半徑R對橫梁的扭轉剛度影響較小，一般選擇20mm 左右 ，取值越大，橫梁約束扭轉剛度就會越大；橫梁邊長b對橫梁的扭轉剛度影響較大，一般取值較縱臂直徑大10mm左右，以保證焊接工藝；由λ確定扭桿扭轉剛度后，即可設計扭桿外徑D及內(nèi)徑d，一般要求空心扭桿厚度＞3mm。 第四章 扭轉梁后橋的設計 第四章 扭轉梁后橋的設計 4.1 CATIA的基本介紹 CATIA是由法國達索飛機公司精心開發(fā)的高端三維繪圖軟件。CATIA軟件憑借自身強大的表面設計功能，在飛機、船舶和汽車以及其他大型機械設計領域得到了業(yè)內(nèi)一致的好評和贊賞。CATIA的核心在于，曲面造型功能為用戶提供了相當豐富的建模工具，來支持各個領域的各方面的建模需求。還有用戶可以獨特的曲線曲面功能可來達到自身行業(yè)對表面平整度的特殊要求。 4.2 扭轉梁后軸的橫梁設計 扭轉梁后橋總成一般是由橫梁、縱臂、彈簧元件、減振器托盤和制動安裝支架等線束支架焊接而成的。扭轉梁后橋的關鍵核心部件是中間的橫梁，其結構形式主要由U型或V型梁穩(wěn)定桿、U型或V型沖壓件、H型梁加穩(wěn)定桿、封閉管成型梁四種類型組成。 前三種梁通常是作為扭轉梁張不是閉合的，也就是說是張開的。對于這種開式扭轉梁，由于生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)流程相對不是很復雜，則設計比較簡單。由于是由冷沖壓來成形，那么其所受的約束邊界較小，那么設計的可變性大了，也就是靈活性好。為了可以達到要求的強度，可以通過設計形狀、修邊線、板厚等多個方面來完成，設計過程也不是很復雜，難度也不是很大。閉合扭轉梁是由空心管沖孔，在強度、剛度和彎曲模量相同的條件下，其重量會大大減小。具有穩(wěn)定桿的V形梁，因為加了穩(wěn)定桿，那么總體的重量就會變大，而如果沒有穩(wěn)定桿的V梁，為了達到扭轉梁的基本結構性能要求，則需要加5.5mm左右的鋼板。閉合扭轉梁的厚度一般在2.9mm左右，因此相比較而言，其質量就會小點。 本文研究的扭轉梁后橋的橫梁設計目標是要保證結構完整，,并結合上文的參數(shù)計算和分析，總結得選擇采用V型截面梁是本設計的最優(yōu)選擇。上文中已經(jīng)概括總結了橫梁的基本類型和基本性能。在項目設計中，橫梁的設計對扭轉梁后軸的技術可行性、整體性能和生產(chǎn)成本有著非常關鍵的影響。 橫梁設計中的一個關鍵性因素就是橫梁截面。在設計過程中，為了達到設計的標準和要求，需要進行許多次設計計算和調(diào)整。CATIA三維繪圖軟件的參數(shù)化設計，調(diào)整截面形狀，就可以快速調(diào)整橫梁的結構及基本框架，提升了扭轉梁后橋的設計速度。經(jīng)過綜合計算分析和總結比對，本扭轉梁后橋的設計的制作材料為高強度鋼。 在上一章我們對其參數(shù)都進行了計算，分析和總結得出，鋼管的長度為d=1180 mm，鋼管的厚度為3.2mm。截面形狀和中心位置，直接關系到扭轉剛度和應力分布。在這段的簡單設計后，很難獲得最理想的截面形狀。所以需要我們不斷調(diào)整和研究來完成任務書的設計目標。 如圖4.1所示，即為橫梁的三維設計。 圖4.1 橫梁設計 4.3 扭轉梁后軸縱梁的設計 縱臂是扭轉梁后橋總成中最關鍵的部件之一，其結構形式直接關系影響到整個扭轉梁的后橋的全部結構性能，而典型的縱臂設計方法則是管狀縱臂設計和方盒形縱臂設計。 如圖所示，（a）是一種典型的方盒形縱臂設計。（b）管狀縱臂設計。 圖4.2 a方盒形縱臂設計 b管狀縱臂設計 管狀縱臂的設計優(yōu)點是零件數(shù)量相對較少，也不需要進行焊接，其結構性能變現(xiàn)也是很好的。缺點是鋼管物料價格高，隨之生產(chǎn)成本也會變高。通常生產(chǎn)制作情況下，需要在局部空間布局區(qū)域來進行打孔，從而增加與其它連接部分之間的間隙，也降低了管狀縱向臂的沖壓難度。在設計過程中，是很難保證形狀表面的公差在一定合理確定的區(qū)間內(nèi)。盒形縱臂的設計的組成部分是由兩塊沖壓件。其優(yōu)點是沖壓工藝過程比較容易，原料價格低，生產(chǎn)成本少，缺點是零件的數(shù)量增加了，從原來的兩個部分變?yōu)樗膫€部分，那么帶來的問題則是在一般裝配中，部件增多了，要想使其連接為一個整體，那么焊接的長度就會增加，工序以及工作量就會隨之增加。影響長度的因素，為了達到所要求的焊接效率，則需要添加焊接設備，導致前期的生產(chǎn)資金投入會增加。 該項目的縱臂考慮了上述兩種方法的優(yōu)缺點，采用了方盒形縱臂設計技術進行形狀加工，根據(jù)上一章的計算和分析獲得的相關數(shù)據(jù)和總結分析歸納的基本結論及約束條件，繪制了如下的三維模型。 圖4.3 縱臂設計 4.4 扭轉梁后軸的其它部分設計 根據(jù)后橋剛度和空間布局的要求，分別設計了彈簧支座和減振器托架以及其他輔助支架。為了適應空間縫隙產(chǎn)品的技術可行性，產(chǎn)品設計已經(jīng)過多次調(diào)整。最后，確定了扭轉梁后橋的總體設計方案。 設計的扭轉梁后橋總成由橫梁、縱臂、彈簧座支架、減振器托架、車輪托架，橫梁縱臂加強板和其他線束支架焊接而成的。一般正常的設計流程中，扭轉梁后軸總成各部分的厚度需要通過CAE優(yōu)化軟件進行靈敏度分析和相關計算分析來確定。在本項目中，為了抓緊設計的進度，節(jié)省CAE資源，設計的部分厚度作為扭轉梁后橋設計的參考，類似于工程的設計，前期設計的基本數(shù)據(jù)，既參考與本項目相類似的扭轉梁后橋來確定該設計的零件板厚，每個零件采用與另一個項目相對應的零件的相同的板厚。在以后的仿真分析過程中，如果厚度設計不合理，將進行進一步的改進工作。 圖4.4 減振器設計圖 圖4.5 減震器下座支撐圖 綜上，我們已經(jīng)對橫梁、縱臂、減震器及其他的一些結構件進行了設計，整合上面所繪制的三維圖，對各零部件進行整理，繪制了扭轉梁后橋的整體三維模型圖。 圖4.6 扭轉梁后橋的整體設計圖 4.5 本章小結 本章研究了在設計扭轉梁后橋時如何選擇懸架類型，同時，對產(chǎn)品設計的一般過程進行了分析和研究，重點是對扭轉梁后橋的各個組成部分進行了詳細設計過程。在制作材料的選擇時，對高強度鋼以及其他鋼材進行了分析和研究，從而實現(xiàn)了扭轉梁后橋輕量化設計目標。通過分析扭轉梁后橋的設計輸入條件和查閱相關資料和書籍，對其進行了基本參數(shù)的計算，研究，分析和設計，從而建立了扭轉梁后橋的初步設計方案，用CATIA軟件建立扭轉梁后橋的三維模型。設計不是但要滿足設計語言的基本要求，還要考慮產(chǎn)品空間布局的合理性，每一個設計都是為了生產(chǎn)制作最合格的產(chǎn)品，必須進入生產(chǎn)線制作出來，這就需要我們設計時必須考慮到該設計生產(chǎn)過程的可執(zhí)行性。 第五章 扭轉梁后橋的結構性能仿真分析 第五章 扭轉梁后橋結構性能仿真分析 5.1 Ansys軟件的介紹 隨著有限元分析理論的不斷發(fā)展，為了更好的使用有限元分析理論進行工程的分析求解，ANSYS開發(fā)的目的是為了更加合理的利用有限元法對工程進行分析求解。ANSYS是使用較為普遍的有限元軟件之一，可對被分析的對象進行動態(tài)、靜態(tài)和熱傳導等分析。還可以采取對分析對象輸入相關屬性、添加約束以及之后，由其相關的后處理模塊進行應力、應變和溫度等分析，從而獲得相關的分析成果。ANSYS使用廣泛，不僅可以進行動態(tài)、靜態(tài)以及熱傳導分析，還能夠對結構進行應力、應變分析從而得到相關的應力云圖，分析出最終結果。 ANSYS能夠進行各種各樣的分析。在使用ANSYS軟件對不同的類別操作分析時。應當由簡到難，從一般的線性與靜力分析再到較為繁瑣與復雜的瞬態(tài)分析。不管進行什么樣的分析，都必須要按照規(guī)定的流程來操作。這些分析類型包括：線性分析、靜態(tài)分析以及瞬態(tài)和分線性分析，并且這些分析都具有類似的過程。該過程包括以下三個步驟：1、首先建立有限元的模型。該模型為零件的三維模型，可以在ANSYS軟件中建立也可以由專業(yè)建模軟件建立完成后再導入ANSYS軟件中。模型建立完成后需要對模型所使用材料的相關屬性進行定義。把建好的模型劃分為有限個獨立的單元，并對單元進行節(jié)點的劃分。2、對該模型施加一定的載荷以及邊界條件并求解。3、最后一步是對查看求解后的結果，如查看應力云圖，并通過觀察該圖像得出分析的結論，并且檢查最后分析出的結論是否準確無誤。ANSYS軟件具有多樣化的分析模式，如果想應用ANSYS操作一些基本的分析，大致可以分成三個操作步驟：①首先在ANSYS軟件中建立出相關的零件模型，也可以由專業(yè)建模軟件建立完成后再導入ANSYS軟件中；把建好的模型劃分為有限個獨立的單元；并對單元進行節(jié)點的劃分；②計算出需要施加在所分析模型上的載荷。并確定好零件模型受力時的約束面；求解；③分析完成后，檢查分析報告有無出錯。判定模型是否符合使用要求。 5.2 有限元分析 ANSYS有限元軟件是一個多功能多用處的有限元法計算機設計程序，其中的靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響不是很明顯的問題。ANSYS程序中的靜力分析既可以進行非線性分析，而還可以進行線性分析，如塑性、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。本次設計我們對本文所設計的扭轉梁后橋的橫梁和縱臂進行模態(tài)分析。 5.2.1靜力分析 通過ANSYS有限元軟件對本文所設計出的主傳動軸進行靜力分析，通過計算，驗證所設計主軸的強度和剛度是否能夠滿足本文零件設計的使用要求。 輸入材料，扭轉梁后橋所采用的材料為45#鋼，密度為7850kg/m3，彈性模量205GPa,泊松比為0.3；并進行網(wǎng)格劃分。所劃分的網(wǎng)格的單元邊長5mm。一共159918個節(jié)點，77996個單元，單元類型為三角形。 圖5.1 導入模型 圖5.2 網(wǎng)格劃分 本文扭轉梁后橋的載荷和約束條件的施加方法為；以扭轉梁縱臂的鋼套和減震器的支座為支撐點對其進行約束；查閱相關資料，所選車型扭轉梁后橋所受的載荷為7106N,作用于扭轉梁橫梁上。靜力分析后得到其位移變形圖和等效應力云圖。 圖5.3 施加載荷 圖5.4 位移變化圖 從扭轉梁后橋的位移變形云圖可以看出，后橋在承受扭矩的工況下，最大變形位于橫梁的中間部分，最大變形為0.08mm,符合零件的剛度使用要求。 圖5.5 等效應力云圖 從扭轉梁后橋的等效應力云圖可以看出，后橋在承受扭矩的工況下，最大應力位于后橋的橫梁的中間部分，且呈現(xiàn)均勻分布的趨勢，最大的應力幅值為12MPa，此應力幅值遠小于45#鋼的屈服強度355MPa，所以后橋的強度符合設計要求。 5.2.2 模態(tài)分析 結構固有的一種特性我們稱之為模態(tài)。模態(tài)只和其形狀，約束形式以及材料的特性有關聯(lián)，與其他的輸入沒有關系。模態(tài)分析其主要目的就是為了給設計提供指導，了解結構的共振區(qū)域，驗證仿真模型是否正確，為后面的瞬態(tài)分析和譜分析打基礎。 通過經(jīng)典力學理論可以得知，物體的動力學通用方程為： （5－1） 在式中，[M] 是質量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；{x}是位移矢量；{ F（t）}是力矢量； 是速度矢量；是加速矢量。 無阻尼模態(tài)分析是經(jīng)典力學的特征值問題，動力學問題?運動方程如下。 （5－2） 結構的自由振動是簡諧振動，就是位移是正弦函數(shù)，即 代入得 （5－3） 模態(tài)分析是特征值和特征向量的求解。 打開Workbench17.0界面，導入模型進行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格分析后對扭轉梁后橋進行施加載荷與約束，選擇完要約束和施加載荷的兩個面，點擊Solve。 結果后處理時，在Solution工具欄選擇Deformation——Toal命令，會出現(xiàn)Total Deformation選項。點擊evaluate All Results命令，進行模態(tài)分析。 圖5.6 選擇材料 圖5.7 導入模型 圖5.8 網(wǎng)格劃分 對扭轉梁后橋的橫梁和縱臂進行自由模態(tài)分析，確定了前六階的固有頻率與振型，但是由于高階模態(tài)分析容易引起一定的計算誤差與不確定性，而且過高頻率相對來說很難被激勵，對后橋性能的影響很少，所以分析中只提取扭轉梁后橋的前六階的固有頻率與振型。模態(tài)分析結果如下所示，圖5.9到圖5.14是一到六階振型的分析結果。 圖5.9 一階模態(tài) 圖5.10 二階模態(tài) 圖5.11 三階模態(tài) 圖5.12 四階模態(tài) 圖5.13 五階模態(tài) 圖5.14 六階模態(tài) 分析結果如下 第一階的固有頻率為86.427 Hz，第二階的固有頻率為92.29 Hz，第三階的固有頻率為92.853 Hz，第四階的固有頻率為174.39 Hz，第五階的固有頻率為253.47 Hz，第六階的固有頻率為255.32 Hz。 上述六階模態(tài)分析所得的頻率為 表5.2 固有頻率 模態(tài) 一階 二階 三階 四階 五階 六階 頻率/Hz 86.427 92.29 92.853 174.39 253.47 255.32 通過上述ANSYS有限元分析，進行了六階的模態(tài)分析，查閱資料得減震器的固有頻率為2.95Hz左右,上訴所求的扭轉梁后橋的頻率避開了這一區(qū)間，所以不會產(chǎn)生共振。 5.3 本章總結 本章運用ASNSY Work bench 對扭轉梁后橋進行了靜力分析，模態(tài)分析等操作。其中包括了材料的選擇與導入，網(wǎng)格劃分，對模型施加約束與載荷等。然后對扭轉梁后橋進行了模態(tài)分析。從變形情況可以看出在施加壓力和載荷后的基本情況，圖中的紅色區(qū)域為應變最大的地方，也是產(chǎn)生噪音的集中的地方。通過對其靜力分析，發(fā)現(xiàn)在施加載荷后會在橫梁的中端即紅色區(qū)域會發(fā)生一定的位移變形。改進措施是增加紅色區(qū)域橫梁的厚度，增加中間加強筋的直徑，保證足夠的強度和剛度，從而保證扭轉梁后橋的基本工作性能和要求。 第六章 論文總結 第六章 論文總結 6.1 論文小結 扭轉梁后橋是汽車后懸架，也是汽車底盤的重要組成部分。它的所以結構的設計和結構性能仿真分析是車輛系統(tǒng)研究的重要之處，也是大多數(shù)制造商研究和關注的焦點。本文對扭轉梁后橋的設計方案進行了仔細的分析，研究和琢磨。本文研究并且介紹了扭轉梁后橋以及其詳細的設計過程，從基本的參數(shù)計算，到結構設計，而后有限元對結構性能分析，從而得出結論，提出改進方案。我將論文的研究內(nèi)容和主要成果總結如下。 （1）首先通過查閱相關資料和咨詢相關研究人員，獲得了扭轉梁橫梁和縱臂的基本參數(shù)，以及根據(jù)制造廠商所提出的技術要求進行了初步的概念設計。然后對扭轉梁后橋的相關特性進行了了解和分析，并對懸架的結拜呢類型和特性進行了概括和總結，并且分析了扭轉梁后橋關鍵部件的基本工作形式。特殊鋼材材料的而選擇和設計滿足了本文一開始所提的輕量化設計的基本要求。明確了這些基本之后，根據(jù)前期的分析和總結，以及對CATIA軟件的基本了解之后，建立了扭轉梁后橋的基本三維模型。 （2）扭轉梁后橋是半獨立非驅動橋，是綜合獨立懸架和非獨立懸架基本特點的一種特殊存在的非獨立懸架。因為其兩個懸架之間有具有一定彈性形變的扭轉梁連接。其實現(xiàn)有汽車與行業(yè)的研究人員和工作者對汽車扭轉梁后橋以及后懸架都有了充分的研究和了解。而本文所做的是對現(xiàn)有技術的總結，概括和設計優(yōu)化過程。本文所采用的進本參數(shù)所對應的車型在市面上已經(jīng)很普遍了。對于扭轉梁后橋的研究和技術分析已經(jīng)相對很成熟了。所以以后想做關于技術方面的工作，還是要不斷的跟著老師做項目，自己也不斷地學習和進步，要能夠靜下心來，有那種刻苦鉆研的精神，才能有一個質的飛躍吧。 6.2 論文展望 由于現(xiàn)有資源的限制吧，我們能做的只是獲取相關數(shù)據(jù)，繪制三維模型圖，然后進行有限元分析。因為我們沒有生產(chǎn)制作的設備，要想真正完成制作，還是需要跟相關廠家進行合作。我們能做到的僅僅只是一些設計和研究，要想完成在關于領域的制作還是需要進一步的研究，分析和探索的。 參考文獻 參考文獻 [1] 陳家瑞，汽車構造（下冊）[M]，北京：人民交通出版社，2005.9：221-235 [2] 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