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c v 9 后悬扭梁轴总成设计与分析 c v 9 后悬扭梁轴总成设计与分析 机械工程领域 工程硕士陈正康指导教师姚进教授龙思源研高工 轿车后悬架系统位于轿车后部，是支撑轮胎和连接车架的关键部件，后 悬架系统对轿车行驶的平顺性、舒适性、方向的操纵可靠性都有重要的作用， 是影响轿车舒适性最重要的部件之一。轿车后悬扭梁总成是轿车后悬系统的主 要部件，其基本的功用是车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 之间作连接的传力机 构，又是保证汽车行驶安全的重要部件。其质量和性能的好坏直接影响整车的 性能，它与减震器、后弹簧等件组成的后悬架系统共同完成传力、支撑重量、 保证整车安全行驶的功能。 本文分析了国内轿车后悬架研发的存在的问题及发展趋势，论述轿车后悬 扭梁总成的设计方法、分析方法和试验方法，根据经济、适用、舒适、安全可 靠的设计原则和分析比较，确定了c v 9 轿车后悬架的结构为扭梁式半独立悬 架结构，并在分析的基础上确定了c v 9 轿车后悬扭梁总成的结构。阐述了轿 车后悬扭梁总成的作用和基本构成，总结了在后悬扭梁总成零件、分总成、总 成结构设计的基本思路；全面地介绍了后悬扭梁总成的零件、分总成、总成建 模设计和后悬扭梁总成的仿真分析、试验方法，在本公司率先引入了后悬扭梁 总成结构设计、建模、仿真分析等方法，采用这种方法大大提高了设计的成功 率，降低了开发风险，缩短了开发周期。经试验证明，本次设计完全合理，达 到了设计的目标。 通过本课题的研究，提升了公司在后悬扭梁总成设计的水平，开辟了公司 一个新的产品领域，该产品的成功开发将带来良好的经济效益，并为其他产品 的开发找到了新的设计方法，即利用仿真技术的设计方法。 关键词：后悬扭梁轴、结构设计、三维建模、仿真分析 四川大学工程硕士学位论文 d e s i g na n da n a l y s i sf o r c v 9r e a rs u s p e n s i o nr e a rt w i s ta x l e s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：c h e nz h e n gk a n g t u t o r ：j i ny a o l o n gs i y u a n a b s t m c t r e a rs u s p e n s i o ns y s t e ml o c a t e sa tt h er e a l o fc a rb o d y ，w h i c hi sak e yp a r to f s u p p o r t i n gt y r e sa n di sc o n n e c t e dt ot h ef r a m e ，a n dh a sa ni m p o r t a n te f f e c to nt h e r u n n i n gs m o o t ha n dr i d ea n dh a n d l i n g ，a n di so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t st oe f f e c to n c o m f o r to fc a r i t sb a s a lf u n c t i o ni st ot r a n s m i tal o a db e t w e e nf r a m ea n dw h e e l s p i n d l e a l s ot h er e a rt w i s tb e a ma s s e m b l yi sam a i np a r to fr e a rs u s p e n s i o ns y s t e m t oe n s u r er u n n i n gs e c u r i t y ，a n di t s q u a l i t ya n dp e r f o r m a n c ew i l la f f e c tv e h i c l e f u n c t i o nd i r e c t l y t h er e a rs u s p e n s i o ns y s t e mc o n s i s t so fr e a rt w i s tb e a ma n ds h o c k a b s o r b e ra n ds p r i n g i tf i n i s h e st h et a s ko fl o a dt r a n s m i s s i o na n ds u p p o r t sa l lv e h i c l e m a s sa n de n s u r e sr u n n i n gs e c u r i t y t h ea r t i c l ea n a l y z e st h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n dd e v e l o p i n gt r e n do fi n t e r n a la n d e x t e r n a lc a rs u s p e n s i o ns y s t e m ，d i s c u s s e st h ed e s i g nm e t h o do ft h er e a rt w i s tb e a m a s s e m b l y ，a n a l y t i cm e t h o da n dt e s t i n gm e t h o d a c c o r d i n gt op r i n c i p l eo fe c o n o m i c s ， a p p l i c a b i l i t y ，c o m f o r t , s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y ，i ti sr e q u i r e dt h a tt h ec v 9s u s p e n s i o n s t r u c t u r ei so ft w i s tb e a ma x l et y p es e l f - i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o na n dt h es t r u c t u r eo f c v 9c a l r e a rt w i s tb e a m a s s e m b l yi sd e t e r m i n e db a s e do na n a l y s i s e x p l a i nt h e f u n c t i o na n ds t r u c t u r eo fc a rr e a rt w i s tb e a m a s s e m b l y ，s u m m a r yt h ed e s i g n m e t h o do ft h ep a r ta n ds u b a s s e m b l ya n da s s e m b l yo fr e a rt w i s tb e a ma s s e m b l y ， a n di n t r o d u c et h em e t h o d st oc r e a t em o d e l ，s i m u l a t ea n dt e s tr e a rt w i s tb e a m n 璺! 星墨垫鲨塑璺壁堡盐兰坌堑 _ _ _ - 一一。 a s s e 加b l y p r o p o s e s t r u c t u r ed e s i g na n db u i l dm o d e la n dc a r r y o u ts i m u l a t i o n a n a l y s i si ns i c h u a n j i a n a ni n d u s t r yc o ，l t d ，t or e d u c et h ed e v e l o p i n gr i s k ，s h o r t e n t h ed e s i g np e r i o dl a r g e l y t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g ni sr e a s o n a b l e ，a n d a c h i e v e st h ed e s i g nt a r g e t t h r o u g hs t u d y i n gt h ep r o j e c t ，i m p r o v e r e a rt w i s tb e a ma s s e m b l yd e s i g n ，p r o v i d e an e wp r o d u c t f o rj i a n a nc o m p a n y t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to fc v 9p r o d u c t b r i n g sac e r t a i ns o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s ，a n dan e wd e s i g nm e t h o d ，s i m u l a t i o n t e c h n i c a ld e s i g n ，f o ro t h e rp r o d u c t s k e yw o r d s ：r e a rs u s p e n s i o nt w i s tb e a ma x l e ，s t r u c t u r ed e s i g n ，b u i l d3 d m o d e l ，s i m u l a t i o na n a l y s i s i i i 四川大学工程硕士学位论文 论文声明 本文声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其它教育机构 的学位证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归四川大学所有，特此声明。 研究生签字： 导师签字： 逃：查：生 c v 9 后悬扭梁轴总成的设计与分析 1 前言 1 1 课题背景与意义 近几年，我国的经济发展取得了举世瞩目的成就，各行各业都得到了飞速 发展。汽车工业也不例外，特别是轿车渐渐进入家庭，使得轿车需求不断增加， 使汽车业成为公认的发展较快的行业，据统计2 0 0 5 年轿车产量2 7 6 7 7 万辆， 销量为：2 7 8 7 4 万辆，分别增长2 4 4 2 ，和2 4 3 1 ，2 0 0 6 年1 月8 月我国的 汽车产销量分别为4 6 3 8 4 万辆和4 5 3 4 2 万辆，同比增长2 5 3 7 和2 4 5 8 ，其 中乘用车销量分别为3 3 2 5 9 万辆和3 2 2 5 9 万辆，同比增长3 3 3 2 和3 1 7 7 ， 2 0 0 6 年中国乘用车销量将突破5 0 0 万辆n 3 ，轿车销量将达到3 8 0 万辆砼1 ，中国已 超过德国，成为继美国、日本之后的全球第三大汽车消费国，汽车工业已上升为 我国工业第五大支柱产业。在今后一个时期内，汽车工业将成为中国国民经济 增长和社会进步的重要动力之一，中国的汽车工业正面临着前所未有的战略发 展机遇，面临巨大市场机会，然而在中国的轿车市场，合资生产的品牌占据了 轿车总量9 0 的份额，中国自主品牌的生产数量占据不到1 0 ，与发达国家相比 生产规模小，生产效率低，生产、技术都较落后口3 ，缺乏自己的核心技术，缺乏 创新能力，在国际竞争中还没有任何优势可言。根据国家统计局、国家经贸委、 国家海关总署、中国社会经济调查研究中心、中国汽车工业协会、国民经济景 气监测中心、全国及海外1 1 0 0 多种国内外相关报纸杂志的基础信息以及各省市 相关统计单位等公布和提供的大量资料的研究表明，轿车业将来的发展方向将 是以规模、质量和低成本取得优势。因此，我国轿车零部件行业必须加快步伐， 自主创新，主动抓住机遇，积极迎接挑战，不断提升产品技术含量和开发能力， 努力提高生产管理水平，降低产品制造成本，走出一条强企之路。各整车厂为 了提高产品质量，降低产品成本，提高市场占有率，改变自己无品牌的现状， 纷纷把精力放在由原来引进品牌和技术转向消化吸收国外技术的自主研发上。 零部件厂商也应顺应市场，在提高零部件产品的质量，降低产品成本，提高市 场占有率，走自主研发的道路上工夫，跟上整车厂的步伐。整车研发方式的改 变，对轿车零部件行业提出了较高的要求，轿车零部件企业必须面对市场，才 会立于不败之地。轿车需求的不断增加，意味着轿车悬架等零部件需求的增加， 轿车悬架产品将有巨大的潜在市场，搞好悬架零部件的开发不仅是市场的需求 四f | 大学工程硕士学位论文 也是企业自身发展的需要。 四川建安工业有限责任公司隶属中国兵器装备集团公司，从1 9 8 9 年开始公 司涉足汽轿车行业，】以研究、开发、生产轿车前、后悬架( 非驱动后桥) 等零 部件，微型车桥、轻型车桥为主。目前已经成为国内最大的专业微型车车桥生 产基地和轿车前、后悬架( 非驱动后桥) 等零部件生产基地，已于1 9 9 7 年建立 省级技术中心。2 0 0 5 年产销轿车前、后悬架( 菲驱动后桥) 2 0 万套，已具有年 产的3 0 万套轿车前、后悬架( 非驱动后桥) 能力。微车盾桥2 0 0 5 年产销6 0 万 台套以上，在国内微型汽车后驱动桥的市场占有率达到5 5 以上。其产品主要 为奇瑞公司、长安公司、长安铃木公司、上汽通用五菱汽车公司、哈飞汽车公 司、昌河汽车公司、东风汽车公司等企业配套。驱动桥几乎覆盖了所有的微型 汽车和部分轻型车生产企业。轿车前、后悬架( 非驱动瑟桥) 产品覆盖国内主 要经济型轿车生产企业。 现公司拥有机加、铸造、冲压、焊接、热处理、表处理和台架试验等各种 设备2 0 0 0 余台( 套) ，其中在后驱动桥核心零件双曲面锥齿轮的生产上拥 有从德国、美国引进的国际水平的k f 2 5 0 机组和格里森( g l e a s o n ) 机组生产 线及美国m m 公司检测设备，有多燕种轿车前后悬架冲压、焊接、机加一体化 生产线多条，有后驱动桥的差速器壳体和减速器壳体专用机加生产线及半轴的 机加与热处理生产线。在产品质量控制上，除采用耨技恭、薪设备外，还通过 了汽车行业t s l 6 9 4 9 质量标准体系认证。其发展圉标是：继续扩大在微型汽车 驱动桥上的国内领先优势、并不断向轿车悬架和轻型汽车驱动桥等领域扩展， 向轿车零部件、悬架的设计开发扩展。 随着我国轿车行业的飞速发展，公司认识到现在悬架的开发水平与国外同 类企韭相比还比较落后，不适应新的发展，计算机辅助设计( 三维概念设计) 还处于初级阶段，对所设计的产品不能很好地进行概念建模和c a e 分析，设计 没有形成阕环，致使产品设计风险大，成本高，周期长，效率低。由于市场的 要求，必须在开发上与整车开发同步。随着人们生活水平的提高，对轿车经济 性，安全性，舒适性，操纵稳定性的要求越来越离，这对悬架提出了更高的要 求，开发设诗也必须满足这一要求。透川建安工业有限资任公司作为重庆长安 集团公司的悬架、后桥研发基地，必须与长安公司在研发上同步，依靠自身实 力自主开发，所开发的悬架、后桥需全面考虑整车的可靠性。仅仅依靠原来的 2 c v 9 后悬扭梁轴总成的设计与分析 开发模式己不能满足要求，需从整个悬架系统，全面地进行后悬架的研究开发、 分析、验证，公司选择半独立悬架的主要部分：传力装置一c v 9 后悬扭梁总成 的开发作为突破口，全面引进和学习国际先进研究开发技术，全面掌握c v 9 后 悬扭梁总成的研究开发流程，以求达到选择一个最优设计方案，达到最佳设计 效果的目的。 在上述的背景下，公司开展了与国外设计公司合作，一起开发c v 9 后悬扭 梁总成的项目。本文将以c v 9 后悬扭梁总成的设计为重点，论述其设计方法， 分析方法和试验方法。 1 2 我国轿车悬架开发存在的问题 由于我国轿车发展才刚起步，轿车悬架的开发还处于初级阶段，还不具备 开发轿车关键零部件的能力，特别是轿车的悬架的开发能力，国内停留在引进 技术，照国外图纸施工或实物测绘上，这会带来许多问题，由于国内材料和发 达国家的材料在性能上存在一定的差异，照搬过来会出现比如出现强度不够， 发生疲劳断裂，传力部件发生弯曲等这样或那样的的问题，一旦出现了问题， 由于不懂得设计原则和试验验证方法，找不到真正的问题的原因，无法从根本 上解决出现的问题，只能花费大量的人力、物力和财力摸索。要了解问题的真 正原因，必须实现悬架自主开发，学习国外的先进设计开发技术，把学到的技 术用到实际设计中，了解悬架各部分的功能和作用及工作原理，掌握悬架开发 开发流程、分析流程、试验方法，经过渐进式的合作开发，实现自主开发设计 的目的，走上原创设计的路子。目前我国轿车悬架制造企业的规模都较小，生 产能力也强弱不均，技术力量参差不齐。但不论是大一些的企业还是小型企业 其产品设计水平和工艺制造水平都相对落后，产品不能很好地与整车相匹配， 性能试验也不能很好地模拟实际状况进行，严重地影响整车的性能和安全，是 顾客所不能接受的，这充分表现了技术含量较低，不能完全满足使用要求h 。 我国轿车悬架制造业要在市场竞争中占一席之地，必须引进具有国际先进 水平的产品技术，制造出具有国际先进水平或领先水平的产品。在引进产品技 术的基础上，引进国外先进的产品设计方法，引进具有国际先进水平研发手段， 在设计方法和手段，分析手段上向国外先进水平靠拢，形成具有国际竞争力的 轿车悬架开发能力。从而走出一条零部件开发领先于整车开发的新路，满足轿 四川大学工程硕士学位论文 车市场发展的需要。 悬架的开发能力与国外发达国家相比差距较大，没有形成自己的核心竞争 力，主要表现在以下几个方面： 1 ) 基础数据库严重缺乏 在国外发达国家，轿车工业发展了若干年，已形成了成熟的设计开发技术， 积累了丰富的经验，经过多年的积累已形成了完整的悬架基础数据库( 减震器、 弹簧、传力部件数据库等) 、结构数据库( 各种悬架结构) 。开发过程中能充分 利用成功的经验。各种不同的悬架结构适合于不同的工况和不同档次的轿车， 悬架结构库中包含不同的结构形式、安装形式，这些是悬架设计的基础和参考 依据。由于目前我国轿车行业刚刚起步，轿车研发刚刚开始，轿车悬架的研发 基本上处于空白状态，没有形成完整的开发体系，也没有成功的事例和经验， 因而没有相应的悬架基础数据库、悬架结构数据库，这也是制约国内悬架开发 因素。 2 ) 没有完整的材料数据库 国外发达国家经过多年的积累，欧、美( 包括英国) 等国家的汽车企业和 设计公司已建立了完整的数据库体系，设计资源可共享，设计平台和数据库之 间可任意交换信息。由于不同的汽车工况需不同的性能的材料，国产钢材的技 术性能与欧美国家的钢材的技术性能存在很大的差异，我们不能共享国外材料 数据库。材料工业是汽车的基础工业，钢是汽车材料的使用大户，2 0 0 5 年中国 在汽车上将消耗8 0 0 万吨钢材、配套用钢材4 0 5 万吨，到2 0 1 0 年中国整车用钢 将达到1 1 0 0 万吨，配套及维修用钢材将达到6 4 5 万吨。汽车工业的发展使钢材 的需求以每年1 0 的速度增长；虽然国内钢材的需求量大，但对钢基础性能的数 据统计跟不上钢需求的增长，国内数据库与国外数据库存在很大的差距，国内 的汽车另部件企业、和大部分整车厂都没有建立相应完整的数据库。由于市场 的竞争因素，国内钢厂对外也不提供相应的钢材性能信息，大部分企业在材料 数据库上还是空白。以前的悬架开发大部分是照国外的图纸施工，不用这些数 4 c v 9 后悬扭梁轴总成的设计与分析 据库。随着汽车工业的发展，自主开发设计越来越成为进行竞争的主要武器。 要自主开发，除不断学习国外的设计经验外，必须建立自己完整的材料数据库， 材料数据库是自主研发必备的。 材料基础数据库包括世界各国的材料，数据也包含了材料种类、牌号、化 学成分、机械性能、推荐使用情况等项目，更重要的是在材料基础数据库中有 设计必需的材料的动力学性能参数，如应力一应变曲线( 见图示1 - 1 ) ，应力曲线 ( s n 曲线见图示卜2 ) ，应变曲线( 图示卜3 ) ，这些性能参数和图表是分析的 输入，也是设计选用的依据。 s t r 应力一应变 图i - i ：材料的应力一应变曲线 s nd a t ep l o t l i f e ( c y c l e s ) 图i - 2 ：国外材料的应力曲线( s - n 曲线) 四川大学工程硕士学位论文 s t r a i nl i f ep 1 0 t 气 、 ，憋 _ 釜s 高l 。一 、 、 、 、 、 。- - - - - 一 气 - - - l i e oi e ii e 2i e 3 i e ，4 。罩量5 ：i e 6 i e 7i e 8 i e 9 l i f e 图i - 3应变曲线 3 ) 无轿车后悬架性能参数和试验结果数据库： 对专业的国外设计公司和专业的试验公司，都有自己若干轿车悬架的性能 参数和试验结果数据库，用于设计和试验时对比参考，为设计出更好的悬架打 基础和寻找依据。其中还有很多后悬架应力分析结果数据库和驾驶操纵分析结 果数据库，数据库里收集了各种后悬扭梁的应力分析数据和应力试验数据或对 各种后悬扭梁进行应力分析和疲劳试验的数据，有很多种轿车后悬扭梁的性能 参数。收集了各种后悬扭梁的驾驶操纵分析数据和试验数据或对各种后悬扭梁 进行分析和试验，建立相应的结果的数据库以备设计时参考。在这方面国内还 是空白。 4 ) 开发模式落后 我国轿车悬架制造企业的开发模式主要由测绘、引进两种组成。各企业中， 测绘是它们的主要开发模式，特别是一些小型企业或民营企业由于自身的技术 6 屯暑ph二工乓c州帕工p c v 9 后悬扭梁轴总成的设计与分析 含量低，开发资金的不足，生产的轿车悬架质量低，对整个轿车零部件市场冲 击很大，一般来说，这些企业生产的产品质量与原配套企业生产的产品相比其 质量较差，轿车配上这类悬架容易发生故障，严重时会引起车毁人亡的重大事 故，轿车舒适性、安全性得不到保障，所以，这种开发模式是无法从根本上提 高产品开发水平的。一些企业技术力量相对要好些，但它们也同样是测绘模仿， 并且这些企业一般不具有较为完善的开发体系和流程，也不具有较完善的试验 手段，无论它们多努力，它们自身的技术原因和我国基础工业( 如原材料等) 的问题，制造的轿车悬架与国外同类公司始终存在很大的差距。 目前，国内具有一定规模的大中型企业近年来为了提高产品知名度和市场 竞争力。多数采用引进项目的方式，包括引进产品图样，工艺过程技术，产品 制造过程中的品质检测与控制技术及加工设备等，有的在引进项目的同时引进 了国外发达国家的开发流程。2 0 0 5 年四川建安工业有限责任公司与国外公司联 合开发c v 9 后悬扭梁总成项目，目的是引进国外公司先进的开发流程，设计方 法和先进的制造加工及检测控制手段。总的来说，这种开发模式有利提升企业 产品档次，产品档次和质量能很快步入世界先进行列，也有利于缩短产品开发 周期，降低设计、制造成本，提高技术含量，缩短与国外同行的差距，提高在 国际市场中的竞争力。 5 ) 技术创新能力不够 我国轿车悬架零部件企业长期没有重视技术创新能力b 1 ，通常在引进国外技 术时花的高达6 0 以上经费在设计图纸，工艺专利上，但即使花费了高额费用， 购入后往往也只有使用权，并无知识产权，或引进了产权，也没有引进知识。 多数轿车悬架企业对引进的技术只停留在消化阶段，尤其对软件消化吸收的速 度很慢，对引进的硬件设备只停留在使用上。这样长期重硬件引进而轻软件引 进，重引进而轻消化吸收和创新，是导致引进、落后、再引进恶性循环的根源。 在人员的培养上也没有充分的重视，我国轿车悬架开发人员对悬架结构原理和 运行机理研究不太深入，一般只能测绘、仿制，不会分析，在引进国外技术时，没 有对开发人员进行培养。使开发人员在实际中对出现的故障不能做出准确的判 断，缺乏轿车悬架开发必要的基础，很难达到深入的研究，因此，从根本上无 法创新，只能照搬、照套，问题始终存在。 由此看来，我国汽车车桥开发队伍急需一大批高素质的专业人才，科技人 7 四川大学慧程硕士学觎论文 员需不断学习，更新知识，学习用国外先进技术，提升自身业务小平以适应技 术创新能力的需求。 6 ) c a d c a e c a m 应用落后 计算机辅助设计( c a d ：c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术般指以计算机 作为辅助工具的各种应用技术哺1 ；是以计算机外围设备及其系统软件为基础，包 括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析( f e a ) 及优化设计、数控加 工编程( n c p ) 、仿真模拟分析及产品数据管理( p d m ) 等内容。随着i n t e r n e t 嬲络和并符，高性熊计算机及事务处理的普及，异缝、协同、虚拟设计及实时 仿真在某些行业得到广泛应用川。它是计算机系统在工程和产品设计的各个阶 段和过程中，为设计人员提供快速有效的工具和手段，以达到最佳的设计效果 的种技术。汽车工业是最先用c a d 技术的行业之一，目前在发达国家的汽车 行业中，c a d ) 技术已得到了普遍应用，并取得了巨大的经济效益，利用c a d 技术新的轿车产品的开发周期已缩短至2 3 年，另部件的开发周期已缩短至 7 1 0 个月，汽车c a d 系统的软硬件都已达到较高水平，并仍在向智能化，集 成化和标准纯的方离发展磷3 。一些发达国家麴公司早就把q 国愆燃触迟技术 用在实际产品开发和生产中，福特公司9 0 年代初已全面实行产品开发的 c a d c a d 兰，应用达1 0 0 。美国通用汽车公司应用c a d 技术的情况与福特类似， 德国各大汽车公司普遍采用c a d c a e c a m 技术。 然丽，我国汽车零部件企业豹c a d 3 应用大部分只是停留在计算机二维绘图 阶段，产品设计还局限于几何尺寸设计。在产品设计过程中，计算机技术、先 进软件及在三维建模的基础上对轿车悬架的有限元分析、动态仿真还极为落后。 四川建安工业有限责任公司虽然在1 9 9 7 年就建立了省级技术中心，拥有先进的 计算机设备，但却缺乏对轿车悬架进行力学分析、动力学特性分析、与整车匹 配分析、有限元分析的软侔和人才。在与国外企业和灏内企业竞争孛处于十分 不利的地位，这成了制约企业快速发展的主要因素。因此，c a d c a l v l c a e 的 应用对企业的发展来说就显得尤为重要。 ， 1 3 我国轿车零部件开发的发展趋势 随着c a d 在工程设计中的应用和轿车工业的发展，多数企韭认识到掌握开 发手段的重要性，运用现代技术研发产品的必要，使汽车零部件设计技术飞跃 8 c v 9 后悬扭粱轴总成的设计与分析 发展，设计过程的到了一定程度的改观。汽车零部件结构参数及性能参数等的 优化选择与匹配，强度核算与寿命预测，产品有关方面的模拟计算或仿真分析、 设计方案的选择及定型，设计图纸的绘制均可在计算机上进行】。现在汽车零部 件行业已在国内甚至全球范围内展开了剧烈的竞争，缩短产品的设计时间、降 低成本、提升质量、提高市场竞争力，日益成为汽车零部件制造企业考虑的首 要问题。因此很多企业也采取了一些措施，引进了世界先进的开发技术，引进 世界先进的汽车零部件开发流程，运用现代的开发模式解决设计开发中出现的 问题。另外，随着高速公路的发展及汽车车速的提高，行驶安全性、操纵稳定 性、舒适性已成为汽车设计及试验研究的最重要课题，一些先进的悬架如空气 悬架和电控悬架也逐渐运用在轿车中，同时也注意传统悬架的匹配性。过去， 我国轿车市场相对稳定，消费者需求变化少，整车企业不需要开发过多的车型， 对零部件品种的需求变化不大；为了加强对零部件企业的控制，节约成本，整 车厂采取纵向一体化的发展模式。因此，我国轿车零部件工业形成了依附整车 企业的发展模式u 们，直接导致国内轿车零部件企业的开发水平落后，跟不上轿 车的发展。近年来，轿车整车企业加强了与国外的合作，零部件逐步趋于全球 化采购，很多整车企业开始主动或被动地考虑扩大采购市场渠道，以解决国内 零部件质量不稳定的问题。因此轿车零部件企业必须适应市场的发展，提高自 身的设计能力。 1 4 论文主要研究内容 1 ) 分析悬架系统开发的国内外现状及发展趋势，及开发c v 9 后悬扭梁总 成的背景。 2 ) 阐述后悬架系统在轿车中的作用、分类、组成及后悬扭梁轴总成与后悬 架的关系，简要介绍了轿车后悬扭梁轴总成的设计方法、分析方法、试验方法 及轿车后悬扭梁轴总成构成和将要达到的技术要求。 3 ) 阐述c v 9 后扭梁轴总成的总体设计方法，关键零件的构型式和选择方法。 4 ) c v 9 后悬扭梁总成的进行建模分析，阐述c v 9 后悬扭梁总成的零件建 模和总成建模。 5 ) 对c v 9 后悬扭梁总成的设计进行仿真验证：在建模的基础上进行有限 元分析和操纵稳定分析仿真，并按分析仿真的结果修改模型，使设计形成闭环。 9 四川大学工程硕士学位论文 6 ) 简述实物验证方法，对c v 9 后悬扭梁总成的设计进行实物验证，进行 台架试验和道路试验。 7 ) 对本课题进行了总结。 1 0 c v 9 后悬扭粱轴总成设计与分析 2 轿车后悬扭梁总成结构与设计方法 2 1 轿车后悬扭梁总成的组成 轿车后悬架系统位于轿车后部( 图2 1 ) ，是轿车的最主要部件之一，是车架 与车桥( 轮胎) 之间的所有传力连接装置的总和，它的功用是把路面作用于轮 胎上的垂直反力、纵向反力合、侧向反力，以及这些反力所造成的力矩都传到 车架上，以保证车正常行驶i l 。悬架 的功能较多，实现的过程比较复杂， 但最主要的功能是：在装载变化、车 速变化、行驶转弯等情况下，必须使 车轮与轴线保持正确的配合，保证车 的稳定性，保证车行驶方向的可操作 性，轿车后悬架质量：性能的好坏直 接影响整车的操纵性、安全性、经济 性、平顺性、舒适性。其中，舒适性 与车身的固有振动特性有关，而车身 图2 - 1 轿车后悬架在轿车中的位置 的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以，轿车悬架是保证乘坐舒适性的重 要部件。同时，轿车悬架做为车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 之间作连接的传力 机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件 编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。 在设计的初期阶段要根据轿车整车的要求选择悬架类型，确定了悬架的类型 才能很好的进行设计。轿车的后悬架系统常用的有非独立式后悬架系统( 如图 2 - 2 示) 、如图2 - 3 所示的半独立式后悬架系统、和独立式后悬架系统( 如图 2 - 4 示) 等几种结构形式i l2 | ，不同的形式适应不同的车型和不同的受力情况， 适应于不同档次的轿车。下面分别介绍这几种悬架的基本结构形式和特点，以 便在具体设计时选用。 1 ) 非独立悬架系统 是最常见的悬架结构形式，此类悬架的车轮装在一根整体刚性车轴的两端， 当一边车轮跳动时，影响另一侧车轮也作相应的跳动，使整个车身振动或倾斜， 汽车的平稳性和舒适性较差，但结构简单，易于制造，成本相对较低，由于现 四川大学工程硕士学位论文 代人对车子乘坐舒适性及操纵安定性的要求愈来愈高，所以非独立悬架主要用 于微车和客车的驱动性后悬架，经济性轿车的后悬架。现在轿车多采用发动机 前置前驱布置方式，非独立悬架的传力装置在轿车结构中担当行驶系的非断开 式支持桥。最简单的非断开式支持桥是采用无缝钢管等组焊的横梁结构，如图 2 2 所示。该结构简单，造价低廉且轮胎的磨损较轻，接地性好，车轮跳动时轮 距及车轮定位都不会改变。该结构的支持桥在加装横向传力杆后，轮胎承受地 面侧向反力时的受力情况见图2 5 。这种结构的支持桥主要用于排量在1 3 l 以 下的微型轿车。 图2 2 无缝钢管组焊的非独立悬架 图2 - 3 半独立后悬架系统 1 2 c v 9 后悬扭梁轴总成设计与分析 图2 - 4 双横臂式独立后悬架系统 图2 - 5 轮胎承受地面侧向反力时的受力简图 2 ) 独立悬架系统： 是现代轿车常见的悬架结构形式之一，原因就在于独立悬架的优点：非弹 簧重量轻，车轮的触地性良好，乘坐舒适性及操纵稳定性大幅提升；另外因为 独立悬架左右两轮可自由运动，轮胎与地面的自由度大，所以操纵稳定性会比 较好，但相对的较不利的是轮胎损耗。 独立悬架的车轴分成两段，每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架( 或车身) 下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受波及，汽车的平稳性和舒适性 四川大学工程硕士学位论文 好。这些优点造成现今的车辆大多采用独立悬架系统，但这种悬架构造较复杂， 承载力小，装配调试困难。现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架系统，并已 成为一种发展趋势。独立悬架系统又有多种结构形式，常见的有多连杆式独立 悬架系统、麦克弗逊式独立悬架系统、拖曳臂式独立悬架系统、还有双叉臂式 悬架系统( 见图2 6 a ) 。而这些独立悬架系统各有优缺点，设计悬架系统时， 一般不会只用一种结构形式，而会取长补短，结合及修改不同悬架的系统而发 展出新的悬架系统【1 3 j 。其中麦克弗逊式独立悬架就是其中一种将螺旋弹簧与减 a b cd 图2 - 6 独立悬架的几种结构形式 振器组合在一起而成的悬架系统，这种独立悬架系统在小型和中型车辆中用得 最广泛，结构相对简单，构件少，重量轻，可减轻非悬挂重量，麦克弗逊式是 绞结式滑柱与下横臂组成的悬架形式，减振器可兼做转向主销，转向节可以绕 着它转动。特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化。这种悬架 构造简单，布置紧凑，前轮定位变化小，具有良好的行驶稳定性。 另外，为了提高轿车的舒适性，现代轿车悬架的垂直刚度值设计得较低，用 通俗话来讲就是很“软”，这样虽然乘坐舒适了，但轿车在转弯时，于离心力的 作用会产生较大的车身倾斜角，直接影响到操纵的稳定性。为了改善这一状态， 1 4 c v 9 后悬扭梁轴总成设计与分析 许多轿车的前后悬架增添横向稳定杆，当车身倾斜时，两侧悬架变形不等，横 向稳定杆就会起到类似杠杆作用，使左右两边的弹簧变形接近一致，以减少车 身的倾斜和振动，提高轿车行驶的稳定性。每一种悬架的设计之初，原厂会针 对车辆的大小、乘坐空间、成本预算、悬架重量以及车辆的市场诉求，发展出 不同的悬架系统，如后拖曳臂附扭力杆的悬吊设计，因为这种悬架构造简单、 成本低，因应一般人的需求已经足够。 3 ) 半独立悬架系统： 此种悬架形式广泛运用于各种轿车商务车和s u v 车，它的特点刚性不如非 独立悬架的高，柔性不如独立悬架好，但正好满足既具有刚性又具有受力时的 扭转柔性要求，是m p v 商务、s u v 车和中档轿车常常采用的结构形式。特点是当 其中一个车轮受地面的力上跳时，另一车轮因扭梁具有自适应能力而不会受到 上跳车轮太大的影响，也由于扭梁发生扭转后产生的扭力而使跳起的车轮很快 复位，因此对整车的稳定起到很大的作用，便于操作稳定性的控制。结构也简 单，组成的零件少，易于制造，成本相对较低。由后悬扭梁总成和弹簧减震器 组成的悬架系统就是这种结构形式，即( 如图2 3 示) 的结构形式。另外，这 种结构具有抵抗由于车身侧倾而引起的轴转向效应；车轮外倾角在两轮同向跳 动时无变化，而当两轮反向跳动时其车轮外倾角的变化介于非独立悬架和斜臂 图2 - 7 后扭梁总成受力力图 式独立悬架、麦克弗逊式悬架之间，在车轮受到侧向力的作用下车轮外倾角的 变化也不大；其横梁两端由在x ，y ，z 三个方向具有不同刚度且沿侧向力y 的 刚度最大的胶套支撑，具有抗侧向力的能力。当汽车转弯时，内、外后轮所承 四川大学工程硕士学位论文 受的地面侧向反力y 。，y ：。，由支承套的吸收且有力矩( y 。+ y 。) r = f , b ，该力 矩有产生过度转向的趋势。 轿车后悬架系统的组成：以半独立悬架系统为例，包括弹性元件，减振器 和传力装置三大部分1 13 】( 如图2 - 7 示) ，这三部分分别起缓冲、减振和力的传 递作用。从轿车上来讲，弹性元件多指螺旋弹簧，它只承受垂直载荷，缓和及 抑制不平路面对车体的冲击，具有占用空间小，质量小，结构简单，无需润滑 的优点，但本身没有减振作用。减振器指液力减振器或压缩空气减振器，是为 了加速衰减车身的振动，保持车身的平稳。传力装置是后悬架系统中最重要和 结构最复杂的部分，是悬架系统的主要部分，承受由地面传到轮胎的纵向力， 侧向力及力矩和车身传来的纵向力，侧向力及力矩，并保证车轮相对于车架( 或 车身) 有确定的相对运动规律 9 1 。也是底盘系统最重要的受力部件，一般由复杂 形状的冲压件或机械加工件组合焊接而成，零件的精度要求高。后悬架系统的 传力装置一般指上下摆臂总成、非驱动后桥总成( 如后悬扭梁总成) 、拉杆、 转向节等刚架结构元件。不同的悬架系统传力装置的组成和结构是不同的，图 2 - 8 所示的悬架系统的主要传力装置就是后悬扭梁总成。 图2 - 8 后悬扭粱组成的悬架 后悬扭梁总成的结构形式很多，但每一种结构形式一般都由横梁、纵臂( 左 右对称各一) 、弹性元件支承机构( 弹簧支座，左右对称各一) 、减震元件支承 机构组件( 减震器支架，左右对称各一) 、轮胎支架组件( 左右对称各一) 、橡 1 6 c v 9 后悬扭梁轴总成设计与分析 胶衬套总成( 左右对称各一) 、车架连接件组件( 左右对称各一) 、扭杆等零部 件组成【2 0 ) ( 见图2 1 1 、图2 。1 2 、图2 1 3 所示) 其中横梁和纵臂是后悬扭梁总成 的主要件，横梁是两纵臂的连接件，横梁的结构形式一般为“u ”型或“v 型， 有时“u ”型或“v ”型中还有一扭杆，以满足扭转刚性的要求( 1 9 1 。在特殊的 情况下也有“t ”型和“l ”型的，但这两种形式都很少用。当一个后轮碰到 不平的路面时，车轮上跳，“u ”型或“v ”型横梁扭转，这就允许后轮产生不 完全的独立运动。纵臂是弹簧和减震器油管及制动拉索的支撑部件，也是通过 图2 - 11 后悬扭梁总成的结构 橡胶衬套总成与车架相连的连接部件，弹性元件支承机构、减震元件支承机构 和轮胎支架一般以焊接的方式固定在纵臂上，并通过车架上的相应机构与车架 和轮胎相连。 四川大学工程硕士学位论文 图2 - 12 后悬扭梁总成的结构 2 2 轿车后悬扭梁总成的作用 后悬扭梁总成是轿车半独立悬架系统的传力装置，它的性能介于独立悬架和 非独立悬架之间，既有非独立悬架的刚性，又有独立悬架柔性的优点。它的作 用是连接轮胎和制动器，连接车架和悬架系统的减震器与螺旋弹簧，使之成为 一个完整的悬架系统，传递从车轮来的力和力矩，它的性能直接关系到整个悬 架的性能，由此可见后悬扭梁总成是整个后悬架系统的核心部分。了解了后悬 扭梁总成的作用，设计时必须把整个悬架的其他相关零件一起考虑而不是单独 考虑后悬扭梁总成的设计，考虑相关件的性能，并且存在相关件的匹配问题， 在分析时必须把构成悬架的相关件一起分析，这些相关件包括弹簧、减震器、 橡胶衬套、轮胎等，这些件都与后悬扭梁轴有装配关系，只有这些相关件匹配 了才能形成一个好的悬架系统。 c v 9 后悬扭梁轴总成设计与分析 图2 - 1 3 有扭杆的后悬扭梁总成 1 横梁：2 连接板：3 减震器：4 纵臂：7 安装支架：8 、9 扭杆 这将使设计变的复杂，所以设计时首先要了解整车的受力情况，其中整车的满 载在后悬架上的分配是十分重要的，知道了受力情况才能对悬架的结构形式作 出选择，并便于设计分析，只有这样才有可能设计出性能好的后悬扭梁总成， 才会得到满足舒适性、安全性要求的悬架系统。 2 3 结构设计方法 目前在国内还没有能力开发设计后悬扭梁类产品，缺乏设计流程，设计手 段，无法评估一个产品的优劣，基本上处于来图施工阶段，在某些被认为具有 一定开发手段的企业和设计单位往往也只是对样件进行测绘，机械地把尺寸、 材料照搬，当材料尺寸和牌号发生变比时，无法从设计上改进适应材料的要求， 也无法判定设计的效果，无法判定做出的样件是否满足整车性能的要求，甚至 悬架制造企业和设计公司不知道整车对后悬扭梁有什么要求，包括很多整车装 配厂在内无法提出该产品的技术条件，试验条件和试验方法，因此目前的设计 方法仅是对国外图纸的转化和对样件的测绘，严格地说根本谈不上设计，由于 照图施工和测绘，在实际的生产中，因原材料、工艺方法和制造手段与国外的 差别，往往使设计的结果无法达到原设计的要求，使整车的性能大打折扣，严 重影响轿车的质量，因此这种设计方法，无法把握产品的质量，是用户不能接 1 9 四川大学工程硕士学位论文 受的，必须打破这种传统的设计方法，引进思路，学会自己设计。 目前后悬扭梁类产品先进的设计技术是采用虚拟产品的设计技术：在真实 产品的加工之前，通过有效的产品设计方法和手段，用c a d 三维软件建立产品 的功能和结构信息模型，用c a e 仿真分析软件对产品的结构、功能、性能进行 仿真，作为对设计的指导和对用户需求的预评估【1 4 】：利用虚拟产品的建模理论 建立支持设计、工艺、制造、装配等多层开发活动的信息交互与共享的虚拟产 品模型，应用并行工程设计、分析、制造各部协同工作，对虚拟产品模型进行 评价，确定模型的可行性。本课题轿车后悬扭梁总成的设计正是采用这一 方法进行的。设计时充分利用现代的轿车悬架设计方法，充分利用现代汽车行 业的c a d c a m c a e 技术- - - c a d 三维建模技术、仿真分析技术，此技术早在二十 世纪七、八十年代c a d c a m c a e 技术已经汽车零部件行业流行，主要以零部件 的设计为对象，使得零部件的缺陷大大降低。优化的零部件组成的系统为整车 的最优化奠定了坚实的基础