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隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車市場的產(chǎn)能需求也越來越大，同時人們對汽車的性能要求越來越高，這就要求各個汽車生產(chǎn)商在不斷提高產(chǎn)能的同時，也要提升汽車及其零部件的性能。懸架系統(tǒng)作為汽車底盤的關(guān)鍵部分，對汽車的行駛安全可靠性和實用性能都有重要的影響，也是現(xiàn)在汽車設(shè)計研究的熱點。在實際使用中，扭力梁式后懸架的破壞多數(shù)是由于強度失效引起的。本文采用有限元方法對扭力梁式后懸架進(jìn)行強度分析并根據(jù)計算結(jié)果對懸架進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以有效地降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，增加后懸架強度，避免扭力梁式后懸架在轉(zhuǎn)向和極限扭轉(zhuǎn)工況下的破壞。該方案對扭力梁式后懸架的研發(fā)具有一定的參考借鑒作用。
本文對扭力梁式后懸架進(jìn)行極限左轉(zhuǎn)向、沖擊、制動、極限扭轉(zhuǎn)4個工況的強度分析。在建立模型之前，首先對扭力梁式后懸架的4種工況進(jìn)行受力分析。結(jié)合轉(zhuǎn)向加速度產(chǎn)生的側(cè)傾效應(yīng)，后輪輪心載荷按如下方法計算，以上3種工況的計算公式中：m為整車滿載質(zhì)量，1690kg；a為轉(zhuǎn)向或制動加速度，轉(zhuǎn)向和制動時a=0.8，其中g(shù)=9.8N，沖擊時取a=2.5g；h為整車滿載質(zhì)心高度，504mm；L為后輪距，1520mm(空)；n為軸距，2700r/min(空)；P偽后軸滿載荷載，787kg；P整車滿載荷；R為輪胎半徑，316mm。本文根據(jù)企業(yè)提供的極限扭轉(zhuǎn)試驗工況進(jìn)行模擬，在兩端懸架制動安裝板Z向分別添加70N/mm和-70N/mm的強制位移，模擬扭力梁式后懸架在極限扭轉(zhuǎn)下的工況。
為了在減少計算量的同時又能充分反映原模型的實際情況，本文對結(jié)構(gòu)中橡膠襯套及穩(wěn)定桿等連接單元分別采用單點彈簧和彈簧等進(jìn)行了模擬。本文采用單點彈簧等效替代橡膠襯套，經(jīng)多次試驗驗證，單點彈簧可以兼顧橡膠襯套在軸向和徑向上的不同剛度。使用單點彈簧模擬橡膠襯套時，根據(jù)橡膠襯套特點在一側(cè)襯套座建立3個單點彈簧，模擬橡膠襯套的3個方向的剛度。單點彈簧3個自由度剛度數(shù)值見表1。用同樣的方法在懸架另一將扭力梁式后懸架幾何模型導(dǎo)入有限元前處理軟件Hypermesh中建立有限元模型。該扭力梁式后懸架所用材料為QSTE420TM冷成型熱軋汽車結(jié)構(gòu)鋼板，前處理軟件Hypermesh中建立的扭力梁式后懸架的有限元模型，模型的單元目標(biāo)尺寸為5mm，單元總數(shù)為33602，節(jié)點數(shù)為34520，三角形網(wǎng)格個數(shù)為928，其余為四邊形網(wǎng)格，其中在焊縫處為了更形象地描述焊點，采用的是六節(jié)點的實體網(wǎng)格進(jìn)行模擬。在懸架彈簧底座、襯套、制動安裝地板各自的中心處建立獨立節(jié)點，并以該節(jié)點為中心建立RBE2剛性單元，在懸架彈簧底座處建立3個彈簧單元。根據(jù)實際使用工況要求，設(shè)定彈簧長度為206mm，剛度為27.3N/mm。
本文中使用單點彈簧模擬橡膠襯套，4種工況在兩端襯套處均約束相應(yīng)自由度。其他邊界條件如下：D左轉(zhuǎn)向工況。約束：約束兩端彈簧頂端所有自由度。載荷：在制動安裝底板板中心施加轉(zhuǎn)矩M內(nèi)、M外，轉(zhuǎn)向力F內(nèi)、F外以及支撐力F；2)沖擊工況。載荷：在沖擊工況時，由于沖擊加速度較大，此時后懸架的彈簧已經(jīng)被壓縮到極限位置，阻尼器將起作用，因此通過強制位移將后輪中心上擺至極限位置作為位移約束，我們在后懸架彈簧安裝位置分別施加大小為5201N的力，并在制動安裝底板中心施加沖擊力；3)制動工況。約束：兩端彈簧頂端所有自由度。載荷：在兩端安裝底板中心分別施加X方向的制動力、制動力矩和Z方向的支撐力。4)極限扭轉(zhuǎn)工況。約束：約束兩端彈簧頂端所有自由度。載荷：根據(jù)極限扭轉(zhuǎn)工況分析，在懸架兩端制動安裝底板中心Z方向分別施加70mm和-70mm的強制位移。根據(jù)應(yīng)力云圖顯示得知：制動工況最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈簧底座，應(yīng)力值為204MPa，沖擊工況最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈簧底座與后懸架橫梁連接處，應(yīng)力值為289MPa，彈簧安裝支座材料為SAPH440，屈服強度為305MPa；兩種工況應(yīng)力低于材料的屈服強度，在后懸架實際工況中不會發(fā)生破壞。在左轉(zhuǎn)向工況中，后懸架橫梁內(nèi)加強板處以及后懸架梁端應(yīng)力值較大，最大應(yīng)力值483MPa。極限扭轉(zhuǎn)工況中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在梁端，不符合實際使用情況，最大應(yīng)力值為515MPa，該橫梁采用材料為QSTE420TM冷成型熱軋汽車結(jié)構(gòu)鋼板，材料屈服極限為420MPa，左轉(zhuǎn)向和極限扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力值均大于材料的屈服極限420MPa，扭力梁式后懸架會因應(yīng)力較大而導(dǎo)致斷裂，需要改進(jìn)后懸架結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力值，增加后懸架強度。
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