張曉東，劉博，王俊，付敬陽，李志強(qiáng)

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

某款SUV車型扭桿彈簧的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

張曉東1,2，劉博1,2，王俊1,2，付敬陽1,2，李志強(qiáng)1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

在整車開發(fā)前期對汽車零部件進(jìn)行仿真分析，能夠縮短整車開發(fā)周期，是現(xiàn)在汽車設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢。利用仿真分析軟件建立了某款SUV車型扭桿彈簧的有限元模型，利用仿真分析軟件對扭桿彈簧改前、改后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剛度、強(qiáng)度及疲勞分析與對比。分析結(jié)果表明：扭桿彈簧結(jié)構(gòu)改后對其剛度、強(qiáng)度無影響，但是疲勞壽命下降幅度較大。通過對扭桿彈簧改后的結(jié)構(gòu)再進(jìn)行優(yōu)化，使其疲勞壽命提高了109%，滿足設(shè)計(jì)要求。分析結(jié)果為設(shè)計(jì)提供參考。

扭桿彈簧；仿真；剛度；強(qiáng)度；疲勞壽命；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中，對汽車的行駛穩(wěn)定性和成員的舒適性要求越來越高。扭桿彈簧是汽車懸架系統(tǒng)中的一種彈性元件，是保證懸架系統(tǒng)具有優(yōu)良性能的關(guān)鍵零件之一。其主要功能為當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，利用其扭轉(zhuǎn)變形吸收沖擊能，緩和汽車在不平路面行駛時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)和傾斜。與其他類型的彈性元件相比，扭桿彈簧以單位儲能量高、占用空間小、疲勞壽命高等優(yōu)點(diǎn)，在輕型汽車、轎車和越野汽車的懸架系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。

汽車懸架中的扭桿彈簧一般應(yīng)具有較高的彈性極限、沖擊韌性及良好的熱處理性能。同時(shí)，由于在車輛行駛過程中，扭桿彈簧反復(fù)承受路面?zhèn)鬟f給車身的各種動(dòng)態(tài)隨機(jī)載荷，存在疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。為此，在扭桿彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，不僅要求它具有一定的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)應(yīng)具有良好的抗疲勞性能。文中以某款SUV車型扭桿彈簧為例，使用有限元方法分析了扭桿彈簧不同結(jié)構(gòu)對其剛度、強(qiáng)度及疲勞性能的影響，分析結(jié)果為設(shè)計(jì)提供參考。

1 問題描述

扭桿彈簧在車架上的位置如圖1所示，其一端固定于車架，另一端與擺臂相連。因某司某款SUV車型動(dòng)力總成重新布置，要求扭桿彈簧進(jìn)行空間避讓，需對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更。扭桿彈簧原結(jié)構(gòu)如圖2所示，改后結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 扭桿彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 扭桿彈簧改后結(jié)構(gòu)

根據(jù)扭桿彈簧現(xiàn)有的技術(shù)條件，要求其扭轉(zhuǎn)剛度為：(70.3±2.1) N·m/(°)；抽樣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，要求試驗(yàn)角度29°±17.9°，試驗(yàn)頻率2～3 Hz，要求循環(huán)一定次數(shù)后無折損且不允許有任何裂紋及其他缺陷。

2 模型建立

將CATIA軟件中扭桿彈簧的三維模型以stp格式導(dǎo)入有限元軟件中，采用六面體單元對扭桿彈簧進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成后，單元總數(shù)為73 856個(gè)。

剛度計(jì)算時(shí)，以扭桿彈簧軸向?yàn)閄軸建立局部坐標(biāo)系。約束扭桿彈簧車架端的所有自由度，約束扭桿彈簧擺臂端的Y、Z方向的平動(dòng)自由度，在扭桿彈簧擺臂端施加繞軸向的扭矩Tx。

扭桿彈簧材料為40Cr，感應(yīng)淬火后屈服強(qiáng)度1 102 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 287 MPa。在計(jì)算扭桿彈簧的疲勞壽命時(shí)，根據(jù)40Cr感應(yīng)淬火后的抗拉強(qiáng)度值，在nCode軟件EN求解器中擬合得到其應(yīng)變壽命曲線，如圖4所示。

圖4 40Cr材料的應(yīng)變壽命曲線

3 分析結(jié)果的對比

3.1 剛度分析

在扭桿彈簧擺臂端施加繞軸向大小為1 000 N·m的扭矩。模型的求解在有限元分析軟件ABAQUS中進(jìn)行，后處理在Hyperview軟件中進(jìn)行。在1 000 N·m扭矩作用下，扭桿彈簧改前、改后結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角度(單位：rad)分別如圖5、圖6所示。

圖5 扭桿彈簧改前結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角度

圖6 扭桿彈簧改后結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角度

扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算如下：

改前：

(1)

改后：

(2)

剛度計(jì)算結(jié)果表明：扭桿彈簧結(jié)構(gòu)改后剛度值降低了0.08%。

3.2 強(qiáng)度分析

采用多體載荷分解獲取扭桿彈簧車架端和擺臂端安裝點(diǎn)的六分力載荷，各方向載荷大小如表1所示。

表1 扭桿彈簧安裝點(diǎn)載荷

采用慣性釋放分析方法對扭桿彈簧改前、改后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了分析。采用慣性釋放分析方法時(shí)，無須約束模型的自由度。扭桿彈簧改前、改后強(qiáng)度分析結(jié)果分別如圖7、圖8所示。改前結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中位置位于扭桿彈簧擺臂側(cè)過渡圓弧末端，改后結(jié)構(gòu)除了在扭桿彈簧擺臂側(cè)過渡圓弧末端存在應(yīng)力集中外，在扭桿彎折附近同樣存在明顯的應(yīng)力集中。強(qiáng)度分析結(jié)果表明，扭桿彈簧結(jié)構(gòu)改后最大應(yīng)力與改前相比高出0.01%。

圖7 扭桿彈簧改前應(yīng)力分析結(jié)果

圖8 扭桿彈簧改后應(yīng)力分布結(jié)果

3.3 疲勞分析

采用nCode疲勞分析軟件對扭桿彈簧改前、改后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞分析。以扭桿彈簧扭轉(zhuǎn)單位角度的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果作為輸入，按照扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)要求，在載荷時(shí)序生成器中編制均值為29°、幅值為17.9°的正弦波，采用EN求解器對疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算。模型搭載如圖9所示。

圖9 疲勞分析框圖

扭桿彈簧改前、改后的疲勞壽命分析結(jié)果分別如圖10、圖11所示。疲勞分析結(jié)果顯示：扭桿彈簧改后的疲勞壽命與改前相比降低了1個(gè)數(shù)量級。

圖10 扭桿彈簧改前的疲勞壽命

圖11 扭桿彈簧改后的疲勞壽命

扭桿彈簧改前結(jié)構(gòu)的最小壽命點(diǎn)位于軸端過渡圓弧軸頸最小位置，這與強(qiáng)度分析中該處存在應(yīng)力集中相一致。扭桿彈簧改后結(jié)構(gòu)發(fā)生彎折，當(dāng)其受扭時(shí)，在彎折部位由于傳力路徑發(fā)生改變，導(dǎo)致該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，疲勞壽命降低。這表明：扭桿彈簧結(jié)構(gòu)改后嚴(yán)重削弱了其扭轉(zhuǎn)疲勞性能，存在疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)。

4 優(yōu)化方案

由以上分析可知，導(dǎo)致扭桿彈簧改后結(jié)構(gòu)疲勞壽命下降的主要原因?yàn)閺澱鄄课淮嬖趹?yīng)力集中。根據(jù)動(dòng)力總成的布置情況，存在扭桿彈簧的結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間。對扭桿彈簧改后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如圖12所示的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖12 扭桿彈簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后扭桿彈簧的疲勞壽命如圖13所示。與原方案相比：優(yōu)化方案中扭桿彈簧彎折部位過渡平緩，使應(yīng)力集中程度得到降低。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，扭桿彈簧的最小疲勞壽命提高了109%，并與改前結(jié)構(gòu)的疲勞壽命在同一數(shù)量級。優(yōu)化后扭桿彈簧的疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 扭桿彈簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的疲勞壽命

5 結(jié)論

以某款SUV車型扭桿彈簧為例，采用有限元方法對其改前、改后結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和疲勞性能進(jìn)行了分析與對比。分

析結(jié)果表明：扭桿彈簧結(jié)構(gòu)改后對其強(qiáng)度、剛度無明顯影響，但是疲勞壽命下降幅度較大。通過對扭桿彈簧改后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低了彎折部位的應(yīng)力集中程度，優(yōu)化后扭桿彈簧的疲勞壽命提高了109%，滿足設(shè)計(jì)要求。采用有限元方法，可以更好地在汽車零部件設(shè)計(jì)前期識別風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，有助于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，可以降低開發(fā)成本。

【1】肖永清.汽車懸架上的扭桿彈簧及其應(yīng)用[J].金屬制品，2010，36(5):52-55. XIAO Y Q.Torsion Bar Spring on the Automotive Suspension and Application[J].Steel Wire Products,2010,36(5):52-55.

【2】張園園，何仁，陳世安.輕型汽車扭桿彈簧強(qiáng)度的可靠性分析[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)，2010,37(3):81-83. ZHANG Y Y,HE R,CHEN S A.Reliability Analysis of Trosion Bar Spring in Light Vehicle[J].Tractor & Farm Transporter,2010,37(3):81-83.

【3】王文水，田峰，王月華.基于DFSS的扭桿彈簧分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車零部件，2014(4):38-41. WANG W S,TIAN F,WANG Y H.Analysis and Optimization for Torsion Bar Spring Based on DFSS[J].Automobile Parts,2014(4):38-41.

【4】莊茁,張帆.ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例[M].北京：科學(xué)出版社,2005.

【5】Abaqus Analysis User’s Manual[M].

The Structure Analysis and Optimization of the Torsion Bar Spring of One SUV

ZHANG Xiaodong1,2, LIU Bo1,2, WANG Jun1,2, FU Jingyang1,2, LI Zhiqiang1,2

(1.Research & Development Center, Great Wall Motor Co.,Ltd.,Baoding Hebei 071000,China；2.Automobile Engineering Technology & Research Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

The simulation analysis of automobile parts can reduce the development period, which is the development direction for automobile design at present. The finite element model of a torsion bar spring was build using simulation software, and the stiffness , strength and fatigue performance were simulated for the two design structures. The simulation results show that the stiffness and strength of the torsion bar spring do not change after newly designed, but its fatigue life decreases greatly. Through the structure optimization of torsion bar spring, the fatigue life increased 109% than the original structure. The analysis results can provide reference for the design department.

Torsion bar spring; Simulation; Stiffness; Strength; Fatigue life; Structure optimization

2016-11-03

張曉東(1989—)，男，碩士，研究方向?yàn)榈妆P強(qiáng)度與耐久分析。E-mail:cae-pub@gwm.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.013

U463.33+4.1

A

1674-1986(2017)03-052-04