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汽车扭转梁后桥设计与仿真分析,汽车,扭转,后桥,设计,仿真,分析
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目录目 录摘要abstract第一章 绪论11.1 课题的研究意义及背景11.2 扭转梁后桥的基本综述11.3 课题研究内容及方法2第二章 悬架32.1 悬架的概念32.2悬架的基本类型3第三章 主要参数的确定73.1 所选某车型的基本参数73.2 扭转梁后悬架的刚度计算73.3 扭转梁剪切中心设计计算73.4 弹簧侧倾角刚度的计算113.5 扭转梁侧倾角刚度的计算113.6 扭转梁后独立悬架横梁整体设计123.7本章小结14第四章 扭转梁后桥的设计154.1 CATIA的基本介绍154.2 扭转梁后轴的横梁设计154.3 扭转梁后轴纵臂的设计164.4 扭转梁后轴的其它部分设计174.5 本章小结19第五章 扭转梁后桥结构性能仿真分析205.1 ANSYS软件的介绍205.2 有限元分析205.2.1 静力分析205.2.2 模态分析235.3 本章总结28第六章 论文总结296.1 论文总结296.2 论文展望29参考文献30致谢31II 摘要 汽车扭转梁后桥设计与仿真分析摘 要扭转梁后桥是汽车底盘后悬架的关键组成部件，严重影响着车辆的安全可靠性和操纵稳定性。悬架是车的整体框架即车架和车桥之间所有力连接装置的总称，是汽车底盘的关键的组成部分。因此对汽车底盘的基本研究，是进行设计汽车扭转梁后桥的前期工作的必不可少的条件。本文的主要内容为扭转梁后桥的设计和有限元分析。首先分析了扭转梁后桥的基本概念，并简要介绍了悬架的基本类型，其次对其主要参数进行了计算，最后用CATIA软件进行三维建模，并用ANSYS软件进行有限元分析。关键词：车辆底盘；汽车后悬架；扭转梁后桥；设计；有限元分析IV Abstract Design and simulation analysis of rear axle of car torsional beamAbstractThe 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 绪论 第1章 绪论1.1 课题的研究意义及背景汽车的四大组成部分是发动机、底盘、车身及电器设备。其中底盘直接影响到汽车整车的基本性能。底盘和性能的合理匹配一直都是汽车研究领域的关键核心部分。最近几年，高校和企业也加大了合作力度，知识与产业相结合，增加在汽车底盘领域的研发投入，包括人力，物力和财力的全方位投入，是为了能做到技术上的突破，从而推动中国汽车自主品牌，自主产品的再一次质的飞跃。随着人们生活水平的提高，消费能力的改善，汽车成为每个人生活中不可缺少的一部分，也逐渐成为年轻人彰显个性的符号，人们对汽车的要求已不再仅限于简单的代步。作为驾驶者的话，追求的则是是良好的操纵性，充沛的动力表现，变速箱的合理匹配，精准的转向，不一样的驾驶乐趣。作为乘员，追求的则是良好的舒适性，胎噪，风噪，噪音的处理；合适的乘坐空间，不要太压抑的内饰材质和氛围。而居家用的车辆的要求则是油耗不高，外观不能太丑太另类，起么看的顺眼，等等。随着汽车工业的发展，日益突出的三大问题石油消费、安全、环保等成为了国家和消费者持续关注的方面，国家也为此出台了相应的针对政策。因此，汽车的未来发展的主题必然是安全、舒适、节能、环保。各大车企也在研发新能源车型，市面上已经有一定比例的新能源车型在店里销售，也得到了消费者的广大青睐。中国的庞大的汽车产业作为中国整体经济的重要组成部分，在随着中国整体经济实力不断提升到的同时，也在不断地进步和蓬勃发展。1.2 扭转梁后桥的基本综述扭转梁后桥是半独立的非驱动桥。它具有结构简单、占用空间小，成本低等众多优势，在市场上已经有很好的表现，被广泛应用于汽车底盘后悬架。扭转梁后悬架主要由扭转梁横梁和纵臂焊接而成，两侧设有加强筋或支撑件起到支承和固定作用，相应的弹性元件和减振器起到减震的作用。扭转梁后桥总成是由横梁、纵臂、弹簧元件、减振器底座和制动安装支架等线束支架焊接而成的。它的工作原理是：因为扭转梁是柔性的，所以当左右车轮做向上及向下两个方向的相对运动时，为了减缓其带来的震动，中间扭转梁就会产生朝着相反方向的扭矩。 图1.1 扭转梁后桥的基本结构汽车悬架是汽车的重要组成部分，既起着在支撑整个车身上方面的重要作用，又得将路面上的各种力传递给车身。悬架系统决定性的影响着车辆的舒适性和可操控性。从而可见，悬架系统设计的基本目标是，在应对不同的道路条件下，保证车辆的可靠性和可操纵性等基本性能。根据传统悬架分类，后桥结构的悬架系统处于独立与非独立之间，通常称为半独立悬架。悬架是框架（或轴承体）和桥（或车轮）之间的所有力连接装置的总称，它可以减轻地面冲击，吸收车轮的振动，传递车轮和道路之间的所有力和力矩，如何做到更好，如何做到舒适性和操控性之间的合理匹配，一直是广大学者研究的课题和方向。目前，在汽车产品的设计过程中，一般都会借助有限元分析软件进行仿真分析。在扭转梁后桥的设计和开发中，主要内容包括模态、刚度、强度、疲劳寿命预测、车辆动力学仿真和结构优化设计。1.3 课题研究内容及方法本文以家用轿车扭转梁后桥为研究内容，综合国内外研究成果和现有资料，研究了扭转梁后桥结构的设计和仿真分析过程等相关内容，并且对整个设计过程进行自我反思和总结，力求获得不断进步。现在市场上汽车的发展趋势是逐渐轻量化，为了顺应这一趋势，我们采用结构简单，制作生产成本较低的设计方案。同时，我们对扭转梁后桥采用钢材料进行制作，这样的话，可以在保证结构疲劳寿命的同时，可以减轻质量，从而实现轻量化的设计目标。本文的设计内容也为以后的底盘的装配工艺和其它相关零部件的研发和设计提供了相应的参考。31 第二章 悬架 第二章 悬架2.1 悬架的概念底盘基本功能的实现是要靠后桥和不同的悬架类型的合理恰当匹配。后桥作为后悬架的组成部分，其密切的关系要求我们，在研究后桥之前，必须对悬架的类型及其优缺点有着详细的了解和认知。悬架系统是一组缓冲器。从宏观上看，悬架是位于车轮和车架的中间。车轮接触地面所受到的力和振动，将由悬架系统进行缓冲作用，从而乘客不会受到特别大的颠簸，乘坐舒适性也随之提升。可见，悬架系统的设计对汽车的舒适性和行驶的稳定性有着直接的关系。与此同时，悬架系统主要控制着车身的上下波动。不同的悬架类型有着不同的实用效果，可见悬架在汽车的实用性方面的不可取代的地位。虽然现代汽车悬架结构形式多种多样，但无论怎样都不会离开根本，最基本的组成部件是弹性元件、导向机构和起减震作用的减振器，以及缓冲块和横向稳定器。每一个零件都有存在的作用，不然对制造厂商而言就是不必要的浪费，缓冲块的作用就是防止减振器在特殊条件下超过设计的压缩行程。弹性元件在一般正常的骑车中使用的是螺旋弹簧，而空气弹簧则用于一些比较先进的汽车中。因为市面上螺旋弹簧的价格相对便宜，并且种类较多，选择空间大，而空气弹簧的价格就相对比较高一点，性能相对也较好一点，一般主要用在高档轿车上。悬挂系统的结构看似简单，但设计过程是非常繁琐的。其主要原因是如果选择将悬架系统的刚度设计过大，则在稳定性方面体现的会好一点，但带来的弊端则是牺牲掉了乘坐舒适性。相反，如果选择将刚度设计的较小，则在乘坐舒适性方面体现的会好一点，但带来的弊端就是控制稳定性差。所以说在操控性和舒适性之间的合理均衡是悬架设计的复杂之处。然而悬架系统设计的关键是悬架系统的弹簧设计。减振器的主要作用是吸收过滤车轮由路面传递的振动。总而言之，要想达到最佳的操纵稳定性和乘坐舒适性，必须要做到减振器的性能参数和弹簧的性能参的设计合理均衡匹配。2.2悬架的基本类型悬架根据最基本的分类方式，按照其基本结构形式进行分类，可分为独立悬架、独立悬架和半独立悬架三大类。（1） 非独立悬架非独立悬架，因词生义，是指两个车轮不能独立移动，两个车轮通过刚性整体桥结构连接。车轮固定在车桥上，通过悬挂系统与车身连接。其优点是，非独立悬架结构比较简单，制造和维护成本相对较少。由于车轮和车桥是刚性连接的，在车辆行驶中车轮定位参数的变化不是特别明显。缺点则是由于整体轴处于弹性元件之下，弹簧所带的质量较大，转向和变道的时候弹簧是有弹性形变的，由于所带质量过大，就无法短时间内完成标准运动，就会有拖赖感，所以将导致操纵稳定性差。此外，由于左右车轮固定在整个车桥上，两侧是连在一起的，所以如果一侧车轮被打动，那么另一侧的车轮也会被带到，做了一些相对独立悬架而言不必要的动作，带来的影响是舒适性也较差。如下图2.1所示，是一种非独立悬架结构示意图。 图2.1 非独立悬架示意图（2） 独立悬架独立悬架，因词生义，意味着这两个车轮是可以独立完成各自的运动。独立悬架一般正常情况下是与断开的轴共同使用的，因此当车轮的一侧因打动而带来的移动就不会影响另一侧的车轮的运动状态，互不干扰。在独立悬架系统的底盘中，左右车轮是通过各自的弹性元件下悬挂连接在车身下面的。独立悬架设计中连接的轴为断开轴，质量则会因此较轻点。与此同时，每个车轮可以独立运动，从而改善了车轮的表面附着力。除此之外，独立悬架结构的中间区域对发动机的基本布局起到非常好的作用，通常情况下，如果降低汽车发动机的安装高度，这将降低汽车整体重心的高度，重心降低了风阻低了，空气的下压力也大了，从而车辆的稳定性会得到很好的提高和改善。独立悬架的轴是断裂的轴，因此左右车轮可以互不干扰的完成各自的移动。左右两侧的车轮的运动状态都是由路况决定的，独立的运动就不会造成互相影响的情况，车体倾斜度也随之减小。虽然独立悬架结构复杂，制造成本高，维修维护复杂繁琐，但其凭借具有的优良的行驶稳定性和乘坐舒适性等其他优点，许多汽车制造商还是会选择独立悬架进行生产制造。独立悬架的分类方式是各式各样的，如果按照书本上传统的分类方法，根据连杆的结构对其进行分类的话目前市场上有多连杆式、麦弗逊式、双叉臂式等有独立悬架类型。独立悬架的示意图，如下图2.2所示。 图2.2 独立悬架的示意图（3） 半独立悬架半独立悬架是最具有代表性的拖曳臂式悬架。从车轮两侧的刚性连接来看的话，是属于一种非独立悬架。但从悬架性能的角度来看，这种悬架结构又具有独立悬架的基本特性。由于两者都有联系，并且兼顾，从而这种结构的悬架就被细分为半独立悬架。拖曳臂式悬架是由硬部件和软部件组合而成的。硬结构指的则是纵向臂和梁，可以在身体的固定点上下摆动。软部件是指弹簧和减振器。各斯其职，每个部件起到不同的作用，刚性结构的作用是承担荷载和传递力，而柔性连接则是负责减轻冲击和吸收振动。纵向臂和梁焊接在一起来连接左右两侧的车轮，这种结构因为具有全桥式的特点，从而使车轮在汽车行驶过程中的内外移动不大。同时，在一定力的作用下，梁会发生扭转，使两侧的车轮相对自由地在相对较小的空间内运动。虽然曳力臂的结构相对简单，构件也不是很多，但根据其构件的不同形状可分为全臂悬架和半拖曳臂悬架两种。整个拖曳臂式纵臂一端，一端安装在车体上，另一端与车轮连接。全拖曳悬架的纵向臂沿轿车车厢的纵向布置的，它是车轮和车体连接的重要组成部分。在行驶过程中，车辆的纵向臂起到承受来自各个方向的载荷的作用。图2.3 半独立悬架的示意图全拖拽式悬架主要用于前驱动式后桥系统中，由于其较好的全拖曳臂式结构，典型的全拖曳臂结构在法系车中运用的相对多一点。半拖曳臂式悬架各部分的连接方式是拖臂前段与前车架连接，后端与车轮连接，支架臂是可以在车身连接点上下移动的。半拖臂悬挂系统已广泛应用于前驱车型和后驱车型中。本文研究的扭转梁后桥主要有纵臂和横梁组成，其是拖曳臂悬架最重要的部分，其结构设计非常特殊。纵臂设计的要求是具有一定的刚度，因为它要受到来自各个方向的力和载荷，通常是封闭的环形截面。横梁的设计的重要性也是很大的，其中横梁的位置与车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性密切相关的。从汽车底部看，横梁的位置通常位于汽车车身的硬点和车轮的中心点之间。当横梁位置接近车身的硬点时，车辆的乘坐舒适性有所提高，但操纵稳定性就会较差；如果梁离车轮的中心近一点，则车辆的通过性及操纵性会更好，但缺点是梁的扭转性能就会不发挥作用，这样情况下，其功能则接近非独立悬架的基本功能。从结构设计的角度分析的话，拖曳臂悬架具有许多优点，其结构需要不多的零件，不需要如连杆这样的其他部件，也非常容易完成弹簧和减震器的安装和拆卸工作。拖曳臂悬架因其简单的结构，较低的生产成本而被广泛应用于中低端车辆的法系车中。 第三章 主要参数的确定 第3章 主要参数的确定3.1 所选某车型的基本参数驱动形式42前轮轴距 2610 mm轮距前/后 1485 /1475 mm最大爬坡度 35%整车质量 1305kg最高车速 171km/h 最小转弯直径 11m 最大转矩/转速 146/4600Nm/rpm最大功率/转速 85/5800kw/rpm轮胎型号 185/65R15T手动5挡汽车起步时发动机转速变速器最大传动比主减速器传动比。3.2 扭转梁后悬架的刚度计算已知：已知整车装备质量：m =1130kg，取簧上质量为1228kg；轴荷分配：前轴轴荷762kg，后轴轴荷723kg。空载后轴单轮轴荷为48%：满载后轴单轮轴荷为48%：悬架满载刚度： （31）空载刚度 （32）3.3 扭转梁剪切中心设计计算扭转梁剪切中心的位置是与影响车辆转向特性的重要因素。当剪切的中心位置在连接衬套与车轮中心之间的连接线的上方时，车辆会呈现不足转向的趋势；当剪切中心位置刚好在连接衬套与车轮中心连线上时，车辆会出现中性转向趋势；当剪切中心位置在连接衬套与车轮中心连线的下方时，车辆会出现过度转向趋势。扭转梁剪切中心、衬套中心和轮心点他们三者共同定位了扭转梁的侧倾中心位置。在汽车正向的设计过程中，通过给定的已经确定的扭转梁侧倾中心高度，可以通过以下介绍的几种方法计算出扭转梁剪切中心的位置。 图3.1 扭转梁剪切中心已知参数包括以下：（1）车轮静半径R,一般在静载下就已经进行设计；（2）车辆后轮距B，在设计初期阶段给出；（3）侧倾中心高度H，在设计初期阶段给出；（4）衬套点p1，（x1,y1,z1）；（5）轮心点 p2，(x2,y2,z2)。3.1.2剪切中心点p0（x,y,z）的设计计算（1） x值。x值对横梁在扭转梁前衬套与轮心点之间的位置起到了决定性的作用，如果横梁越靠近前衬套，侧倾中心高度就越接近水平面，其特点则会更加接近单纵臂独立悬架的特点；如果越接近轮心点，侧倾中心高度就会越远离水平面，其就会更加趋向于非独立悬架的特性。X=ib ，b是衬套与轮心在x方向上的距离，一般取i=0.280.48。（2）y值。因为扭转梁是左右对称的，所以y值取0。（3）z值 。依据多体计算动力学欧拉四元素法可计算p4点绕转轴n旋转角后p4的位置，转轴n为衬套点与剪切中心点连线方向的单位矢量。也可以采用原理基本一致的作图法做出来。设车轮接地点p4(x2,yz,z2-R)，衬套点P1(x1,y1,z1)，矢量s4=p4-p1，具体如下图所示。图3.2 扭转梁后悬架剪切中心示意图其有如下关系 （33）根据上图公式可推导出侧倾中心高度的计算公式 ： （34）根据上面的三个公式可求出Z值 。如下所示的关系示意图，是三种比较常见的能表示扭转梁横梁的开口截面与剪切中心位置的。图3.3 扭转梁横梁开口截面剪切中心位置 从上图3.3能够看出，剪切中心位置是位于开口方向的另一侧，因此在扭转梁后桥的结构设计过程中，可结合动力学的特性，剪切中心的位置及相关的布置要求来决定扭转梁后桥横梁的开口方向及布置位置，常用开口方向为向下的。但也有开口方向是向前和向后的。查阅相关资料，归纳总结了以下3种计算截面剪切中心位置的方法 。（1）横梁截面参数如下图3.4所示 。图 3.4 扭转梁横梁型截面参数那么剪切中心到圆心的距离e为 ： （35）式中，Jwx是横梁截面对X轴的主扇性惯性矩，Ix是横梁截面对X轴的惯性距 。 （36）（2）U型横梁截面参数。U型截面的顶端有一直边，焊接的基本性能要比V型好，扭转效率高，其剪切中心可根据上述的公式计算出来。 图3.5 扭转梁横梁型截面参数（3） V型截面+扭杆结构参数如下图所示。如果当扭杆截面圆心位于V型横梁型心时，V型截面+扭杆的横梁组合的剪切中心可以视为V型横梁的剪切中心；当扭杆截面圆心与V型横梁剪切中心有较大差别时，需要分别计算出V型横梁的剪切中心及扭杆的剪切中心，再通过力矩平衡原理求出组合截面的剪切中心。在实际设计中，为了获得较大的扭转刚度及较好的应力分配，通常将扭杆截面圆心设计在V型截面的型心上。 图3.6 扭转梁横梁V型截面+扭杆结构参数3.4 弹簧侧倾角刚度的计算 根据多体计算动力学欧拉四元素法，可计算出轮心点 p2 （x2,y2,z2） 和弹簧下点 p3 （x3,y3,z3） 绕转轴n旋转角z方向上的位移量，从而确定其杠杆比。转轴n为衬套点与剪切中心点之间的连线的方向的单位矢量。杠杆比 ： （37）式中 （38）根据上述几个公式可以计算得出弹簧侧倾刚度 ： （39）式中，Ks是弹簧刚度，单位为N/mm；B是车辆后轮距，单位为mm。3.5 扭转梁侧倾角刚度的计算悬架侧倾角刚度是指簧上质量产生单位侧倾角时悬架给车身的弹性恢复力矩，它对簧上质量的侧倾角也有影响。如果汽车的乘坐侧倾角刚度过小，车辆的舒适感和稳定性就会有所欠缺；如果汽车的侧倾角刚度过大，那么就会造成胎侧偏角加大。假使这些侧倾发生在后轮的话，汽车则会出现转增加过多的可能。正常情况下，一般的要求是在侧向惯性力为0.4G时，轿车车身侧倾角为2.63之间。货车车身侧倾角6.5左右。悬架侧倾角刚度可看成是，前后悬架侧倾角刚度独立组合而成的，前后悬架侧倾角刚度的分配会给前、后轮的侧偏角大小带来一些偏差，从而造成转向特性的偏差，所以设计过程中需考虑的悬架侧倾角刚度在前后轴上的分配关系。汽车前轴的轮胎侧偏角刚度比后轴的轮胎侧偏角刚度稍微大些，可以满足汽车转向特性稍有不足的特殊要求，。对于一般的轿车，前后悬架侧倾角刚度比值一般为1.41.8。扭转梁后悬架的侧倾角刚度Cr主要由弹簧和扭转梁共同决定的。正常情况下，簧刚度及位置是由悬架空间布置及总布局舒适性的确定来决定的，确定后可以得出结论，Ct = Cr - Cz.扭转梁侧倾角刚度计算示意图如下图3.7所示 。图3.7 扭转梁侧倾角刚度计算示意图根据欧拉四元素法可计算出轮心点z向（车辆坐标系）的位移P2Z与横梁扭转角度b的关系 ： （310）横梁受扭转产生的力矩为 ： （311）根据简化的模型，设轮心处z方向的力为F2，衬套处z方向的力为F1 ，横梁对纵臂Z方向的力为F5，横梁对纵臂绕Y轴方向的力矩为Mb则根据力和力矩平衡方程有： （312）设悬架一侧的线刚度为： （313）则扭转梁侧倾角刚度Ct为： （314）3.6 扭转梁后独立悬架横梁整体设计根据公式可以计算出扭转梁所需要的扭转刚度Kt，单位为N.mm/rad。扭转梁扭转刚度主要由横梁提供，结构模型忽略纵臂刚度、衬套刚度和横 梁加强板的影响，计算结果一般偏小，偏差20。根据悬架左右车轮的扭转角度及扭转梁横梁约束扭转刚度的大小，选择恰当的横梁截面型式，常用的四种横梁截面结构如下图3.8所示。其中，A、B、C类是钢板冲压而成，D类是圆管液压而成。图3.8 常用横梁截面结构横梁截面型式确定后,根据扭转梁横梁的约束扭转刚度的大小，可以初步计算出横梁截面的结构参数。根据横梁的约束条件，采用薄壁杆件理论中的约束扭转，来求解横梁的约束扭转刚度。U型截面也是采用同样的方法进行计算出扭转刚度。薄壁型横梁的扭转刚度 ： （315）式中，Lo是横梁的长度，单位为mm；G是剪切模量，单位为MPa；Jd是自由惯性矩；是约束扭转特征系数。扭杆的扭转刚度为 ： （316）式中，Gp是扭杆的切变模量，单位为MPa；lp是扭杆的长度，单位为mm；D是扭杆外径，单位为mm；d是扭杆内径，单位为mm。V型横梁扭杆截面的扭转梁的扭转刚度 Kt=Kb+Kp （317）式中,设定Kb/Kp ，取值范围为0.82，确保横梁、扭杆的应力分布均匀，扭转效率高。扭转梁横梁结构参数设计根据扭力梁扭转刚度计算公式可得出多组数据，再根据下述条件选择合适的扭力梁结构尺寸，最后根据一般强度要求及总质量选择一组合适的数据。 主要参数为：厚度t、夹角、圆角半径R、横梁边长b、扭杆外径D及内径d。 图3.9 扭力梁横梁截面参数3.7 本章小结厚度t对横梁的扭转刚度影响很大，根据刚度要求选择合适值，一般会在46mm之间选择，如果取值越大，横梁约束扭转刚度越大；夹角对横梁的扭转刚度影响较小，一般选择60左右，取值越大，横梁约束扭转刚度就会越大；圆角半径R对横梁的扭转刚度影响较小，一般选择20mm 左右 ，取值越大，横梁约束扭转刚度就会越大；横梁边长b对横梁的扭转刚度影响较大，一般取值较纵臂直径大10mm左右，以保证焊接工艺；由确定扭杆扭转刚度后，即可设计扭杆外径D及内径d，一般要求空心扭杆厚度3mm。 第四章 扭转梁后桥的设计 第四章 扭转梁后桥的设计4.1 CATIA的基本介绍CATIA是由法国达索飞机公司精心开发的高端三维绘图软件。CATIA软件凭借自身强大的表面设计功能，在飞机、船舶和汽车以及其他大型机械设计领域得到了业内一致的好评和赞赏。CATIA的核心在于，曲面造型功能为用户提供了相当丰富的建模工具，来支持各个领域的各方面的建模需求。还有用户可以独特的曲线曲面功能可来达到自身行业对表面平整度的特殊要求。4.2 扭转梁后轴的横梁设计扭转梁后桥总成一般是由横梁、纵臂、弹簧元件、减振器托盘和制动安装支架等线束支架焊接而成的。扭转梁后桥的关键核心部件是中间的横梁，其结构形式主要由U型或V型梁稳定杆、U型或V型冲压件、H型梁加稳定杆、封闭管成型梁四种类型组成。前三种梁通常是作为扭转梁张不是闭合的，也就是说是张开的。对于这种开式扭转梁，由于生产工艺和生产流程相对不是很复杂，则设计比较简单。由于是由冷冲压来成形，那么其所受的约束边界较小，那么设计的可变性大了，也就是灵活性好。为了可以达到要求的强度，可以通过设计形状、修边线、板厚等多个方面来完成，设计过程也不是很复杂，难度也不是很大。闭合扭转梁是由空心管冲孔，在强度、刚度和弯曲模量相同的条件下，其重量会大大减小。具有稳定杆的V形梁，因为加了稳定杆，那么总体的重量就会变大，而如果没有稳定杆的V梁，为了达到扭转梁的基本结构性能要求，则需要加5.5mm左右的钢板。闭合扭转梁的厚度一般在2.9mm左右，因此相比较而言，其质量就会小点。本文研究的扭转梁后桥的横梁设计目标是要保证结构完整，,并结合上文的参数计算和分析，总结得选择采用V型截面梁是本设计的最优选择。上文中已经概括总结了横梁的基本类型和基本性能。在项目设计中，横梁的设计对扭转梁后轴的技术可行性、整体性能和生产成本有着非常关键的影响。横梁设计中的一个关键性因素就是横梁截面。在设计过程中，为了达到设计的标准和要求，需要进行许多次设计计算和调整。CATIA三维绘图软件的参数化设计，调整截面形状，就可以快速调整横梁的结构及基本框架，提升了扭转梁后桥的设计速度。经过综合计算分析和总结比对，本扭转梁后桥的设计的制作材料为高强度钢。在上一章我们对其参数都进行了计算，分析和总结得出，钢管的长度为d=1180 mm，钢管的厚度为3.2mm。截面形状和中心位置，直接关系到扭转刚度和应力分布。在这段的简单设计后，很难获得最理想的截面形状。所以需要我们不断调整和研究来完成任务书的设计目标。如图4.1所示，即为横梁的三维设计。 图4.1 横梁设计4.3 扭转梁后轴纵梁的设计纵臂是扭转梁后桥总成中最关键的部件之一，其结构形式直接关系影响到整个扭转梁的后桥的全部结构性能，而典型的纵臂设计方法则是管状纵臂设计和方盒形纵臂设计。如图所示，（a）是一种典型的方盒形纵臂设计。（b）管状纵臂设计。 图4.2 a方盒形纵臂设计 b管状纵臂设计管状纵臂的设计优点是零件数量相对较少，也不需要进行焊接，其结构性能变现也是很好的。缺点是钢管物料价格高，随之生产成本也会变高。通常生产制作情况下，需要在局部空间布局区域来进行打孔，从而增加与其它连接部分之间的间隙，也降低了管状纵向臂的冲压难度。在设计过程中，是很难保证形状表面的公差在一定合理确定的区间内。盒形纵臂的设计的组成部分是由两块冲压件。其优点是冲压工艺过程比较容易，原料价格低，生产成本少，缺点是零件的数量增加了，从原来的两个部分变为四个部分，那么带来的问题则是在一般装配中，部件增多了，要想使其连接为一个整体，那么焊接的长度就会增加，工序以及工作量就会随之增加。影响长度的因素，为了达到所要求的焊接效率，则需要添加焊接设备，导致前期的生产资金投入会增加。该项目的纵臂考虑了上述两种方法的优缺点，采用了方盒形纵臂设计技术进行形状加工，根据上一章的计算和分析获得的相关数据和总结分析归纳的基本结论及约束条件，绘制了如下的三维模型。 图4.3 纵臂设计4.4 扭转梁后轴的其它部分设计根据后桥刚度和空间布局的要求，分别设计了弹簧支座和减振器托架以及其他辅助支架。为了适应空间缝隙产品的技术可行性，产品设计已经过多次调整。最后，确定了扭转梁后桥的总体设计方案。设计的扭转梁后桥总成由横梁、纵臂、弹簧座支架、减振器托架、车轮托架，横梁纵臂加强板和其他线束支架焊接而成的。一般正常的设计流程中，扭转梁后轴总成各部分的厚度需要通过CAE优化软件进行灵敏度分析和相关计算分析来确定。在本项目中，为了抓紧设计的进度，节省CAE资源，设计的部分厚度作为扭转梁后桥设计的参考，类似于工程的设计，前期设计的基本数据，既参考与本项目相类似的扭转梁后桥来确定该设计的零件板厚，每个零件采用与另一个项目相对应的零件的相同的板厚。在以后的仿真分析过程中，如果厚度设计不合理，将进行进一步的改进工作。图4.4 减振器设计图图4.5 减震器下座支撑图 综上，我们已经对横梁、纵臂、减震器及其他的一些结构件进行了设计，整合上面所绘制的三维图，对各零部件进行整理，绘制了扭转梁后桥的整体三维模型图。 图4.6 扭转梁后桥的整体设计图4.5 本章小结本章研究了在设计扭转梁后桥时如何选择悬架类型，同时，对产品设计的一般过程进行了分析和研究，重点是对扭转梁后桥的各个组成部分进行了详细设计过程。在制作材料的选择时，对高强度钢以及其他钢材进行了分析和研究，从而实现了扭转梁后桥轻量化设计目标。通过分析扭转梁后桥的设计输入条件和查阅相关资料和书籍，对其进行了基本参数的计算，研究，分析和设计，从而建立了扭转梁后桥的初步设计方案，用CATIA软件建立扭转梁后桥的三维模型。设计不是但要满足设计语言的基本要求，还要考虑产品空间布局的合理性，每一个设计都是为了生产制作最合格的产品，必须进入生产线制作出来，这就需要我们设计时必须考虑到该设计生产过程的可执行性。 第五章 扭转梁后桥的结构性能仿真分析 第五章 扭转梁后桥结构性能仿真分析5.1 Ansys软件的介绍随着有限元分析理论的不断发展，为了更好的使用有限元分析理论进行工程的分析求解，ANSYS开发的目的是为了更加合理的利用有限元法对工程进行分析求解。ANSYS是使用较为普遍的有限元软件之一，可对被分析的对象进行动态、静态和热传导等分析。还可以采取对分析对象输入相关属性、添加约束以及之后，由其相关的后处理模块进行应力、应变和温度等分析，从而获得相关的分析成果。ANSYS使用广泛，不仅可以进行动态、静态以及热传导分析，还能够对结构进行应力、应变分析从而得到相关的应力云图，分析出最终结果。ANSYS能够进行各种各样的分析。在使用ANSYS软件对不同的类别操作分析时。应当由简到难，从一般的线性与静力分析再到较为繁琐与复杂的瞬态分析。不管进行什么样的分析，都必须要按照规定的流程来操作。这些分析类型包括：线性分析、静态分析以及瞬态和分线性分析，并且这些分析都具有类似的过程。该过程包括以下三个步骤：1、首先建立有限元的模型。该模型为零件的三维模型，可以在ANSYS软件中建立也可以由专业建模软件建立完成后再导入ANSYS软件中。模型建立完成后需要对模型所使用材料的相关属性进行定义。把建好的模型划分为有限个独立的单元，并对单元进行节点的划分。2、对该模型施加一定的载荷以及边界条件并求解。3、最后一步是对查看求解后的结果，如查看应力云图，并通过观察该图像得出分析的结论，并且检查最后分析出的结论是否准确无误。ANSYS软件具有多样化的分析模式，如果想应用ANSYS操作一些基本的分析，大致可以分成三个操作步骤：首先在ANSYS软件中建立出相关的零件模型，也可以由专业建模软件建立完成后再导入ANSYS软件中；把建好的模型划分为有限个独立的单元；并对单元进行节点的划分；计算出需要施加在所分析模型上的载荷。并确定好零件模型受力时的约束面；求解；分析完成后，检查分析报告有无出错。判定模型是否符合使用要求。5.2 有限元分析ANSYS有限元软件是一个多功能多用处的有限元法计算机设计程序，其中的静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响不是很明显的问题。ANSYS程序中的静力分析既可以进行非线性分析，而还可以进行线性分析，如塑性、膨胀、大变形、大应变及接触分析。本次设计我们对本文所设计的扭转梁后桥的横梁和纵臂进行模态分析。5.2.1静力分析通过ANSYS有限元软件对本文所设计出的主传动轴进行静力分析，通过计算，验证所设计主轴的强度和刚度是否能够满足本文零件设计的使用要求。 输入材料，扭转梁后桥所采用的材料为45#钢，密度为7850kg/m3，弹性模量205GPa,泊松比为0.3；并进行网格划分。所划分的网格的单元边长5mm。一共159918个节点，77996个单元，单元类型为三角形。图5.1 导入模型图5.2 网格划分 本文扭转梁后桥的载荷和约束条件的施加方法为；以扭转梁纵臂的钢套和减震器的支座为支撑点对其进行约束；查阅相关资料，所选车型扭转梁后桥所受的载荷为7106N,作用于扭转梁横梁上。静力分析后得到其位移变形图和等效应力云图。图5.3 施加载荷图5.4 位移变化图从扭转梁后桥的位移变形云图可以看出，后桥在承受扭矩的工况下，最大变形位于横梁的中间部分，最大变形为0.08mm,符合零件的刚度使用要求。图5.5 等效应力云图从扭转梁后桥的等效应力云图可以看出，后桥在承受扭矩的工况下，最大应力位于后桥的横梁的中间部分，且呈现均匀分布的趋势，最大的应力幅值为12MPa，此应力幅值远小于45#钢的屈服强度355MPa，所以后桥的强度符合设计要求。5.2.2 模态分析结构固有的一种特性我们称之为模态。模态只和其形状，约束形式以及材料的特性有关联，与其他的输入没有关系。模态分析其主要目的就是为了给设计提供指导，了解结构的共振区域，验证仿真模型是否正确，为后面的瞬态分析和谱分析打基础。 通过经典力学理论可以得知，物体的动力学通用方程为： （51） 在式中，M 是质量矩阵；C是阻尼矩阵；K是刚度矩阵；x是位移矢量； F（t）是力矢量； 是速度矢量；是加速矢量。无阻尼模态分析是经典力学的特征值问题，动力学问题运动方程如下。 （52）结构的自由振动是简谐振动，就是位移是正弦函数，即 代入得 （53）模态分析是特征值和特征向量的求解。打开Workbench17.0界面，导入模型进行网格划分。在网格分析后对扭转梁后桥进行施加载荷与约束，选择完要约束和施加载荷的两个面，点击Solve。结果后处理时，在Solution工具栏选择DeformationToal命令，会出现Total Deformation选项。点击evaluate All Results命令，进行模态分析。图5.6 选择材料 图5.7 导入模型图5.8 网格划分对扭转梁后桥的横梁和纵臂进行自由模态分析，确定了前六阶的固有频率与振型，但是由于高阶模态分析容易引起一定的计算误差与不确定性，而且过高频率相对来说很难被激励，对后桥性能的影响很少，所以分析中只提取扭转梁后桥的前六阶的固有频率与振型。模态分析结果如下所示，图5.9到图5.14是一到六阶振型的分析结果。图5.9 一阶模态 图5.10 二阶模态 图5.11 三阶模态 图5.12 四阶模态 图5.13 五阶模态 图5.14 六阶模态分析结果如下第一阶的固有频率为86.427 Hz，第二阶的固有频率为92.29 Hz，第三阶的固有频率为92.853 Hz，第四阶的固有频率为174.39 Hz，第五阶的固有频率为253.47 Hz，第六阶的固有频率为255.32 Hz。上述六阶模态分析所得的频率为表5.2 固有频率模态一阶二阶三阶四阶五阶六阶频率/Hz86.42792.2992.853174.39253.47255.32通过上述ANSYS有限元分析，进行了六阶的模态分析，查阅资料得减震器的固有频率为2.95Hz左右,上诉所求的扭转梁后桥的频率避开了这一区间，所以不会产生共振。5.3 本章总结本章运用ASNSY Work bench 对扭转梁后桥进行了静力分析，模态分析等操作。其中包括了材料的选择与导入，网格划分，对模型施加约束与载荷等。然后对扭转梁后桥进行了模态分析。从变形情况可以看出在施加压力和载荷后的基本情况，图中的红色区域为应变最大的地方，也是产生噪音的集中的地方。通过对其静力分析，发现在施加载荷后会在横梁的中端即红色区域会发生一定的位移变形。改进措施是增加红色区域横梁的厚度，增加中间加强筋的直径，保证足够的强度和刚度，从而保证扭转梁后桥的基本工作性能和要求。 第六章 论文总结 第六章 论文总结6.1 论文小结扭转梁后桥是汽车后悬架，也是汽车底盘的重要组成部分。它的所以结构的设计和结构性能仿真分析是车辆系统研究的重要之处，也是大多数制造商研究和关注的焦点。本文对扭转梁后桥的设计方案进行了仔细的分析，研究和琢磨。本文研究并且介绍了扭转梁后桥以及其详细的设计过程，从基本的参数计算，到结构设计，而后有限元对结构性能分析，从而得出结论，提出改进方案。我将论文的研究内容和主要成果总结如下。（1）首先通过查阅相关资料和咨询相关研究人员，获得了扭转梁横梁和纵臂的基本参数，以及根据制造厂商所提出的技术要求进行了初步的概念设计。然后对扭转梁后桥的相关特性进行了了解和分析，并对悬架的结拜呢类型和特性进行了概括和总结，并且分析了扭转梁后桥关键部件的基本工作形式。特殊钢材材料的而选择和设计满足了本文一开始所提的轻量化设计的基本要求。明确了这些基本之后，根据前期的分析和总结，以及对CATIA软件的基本了解之后，建立了扭转梁后桥的基本三维模型。（2）扭转梁后桥是半独立非驱动桥，是综合独立悬架和非独立悬架基本特点的一种特殊存在的非独立悬架。因为其两个悬架之间有具有一定弹性形变的扭转梁连接。其实现有汽车与行业的研究人员和工作者对汽车扭转梁后桥以及后悬架都有了充分的研究和了解。而本文所做的是对现有技术的总结，概括和设计优化过程。本文所采用的进本参数
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