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汽车后扭转梁疲劳破坏优化设计 The Fatigue Damage Optimization of the Vehicle Rear Torsion Beam 午利民,王光耀 ，施颐 上海汽车集团股份有限公司乘用车分公司技术中心 摘要 ：扭转梁形式的后悬架是汽车后悬架中的一种重要结构形式。本文针对某汽车后扭转梁的疲劳特性 ， 结合台架试验 ，运用MSC.NASTRAN 求解器进行优化设计，取得显著的效果。 关键词 ：扭转梁 疲劳破坏 台架试验 Wu Limin , Wang Guangyao , Shi Yi SAIC Motor Passenger Vehicle Co, 201804 Abstract : The torsion beam suspension is one important form of the vehicle rear suspension. This paper is aimed to optimize the fatigue property of the torsion beam based on MSC.NASTRAN simulation and sled test which achieved a great performance improvement. Keywords : Torsion beam, Fatigue damage, Sled test 1 前言 扭转梁式后悬架作为汽车后悬架的一种重要形式，越来越普遍地被应用于现代普通轿 车上。该总成结构的最基本形式包括两侧的纵臂、中间横梁、弹簧座、减振器销、车轮支 架以及扭转梁式后悬架与车身连接的衬套等，而最容易发生破坏的位置就是横梁与纵臂的 连接处。扭转梁总成的基本形式如图1 所示。 影响机械零件疲劳强度的因素有很多，其中主要因素有：尺寸、形状、表面状况、平 均应力、复合应力、腐蚀介质和温度等。本文基于有限元的手段 ，运用MSC.NASTRAN 求解器，结合台架试验，通过优化局部结构来改变扭转梁的应力分布、降低应力集中 ，从 而提高其疲劳强度。 1 图1 扭转梁总成的基本结构形式 2 试验台架的搭建 台架试验主要是对车辆行驶工况的标准化 ，安装方式是 ：固定衬套中心的位置，装配 弹簧，弹簧在初始位置处于预压缩状态，压缩力应当是车辆满载时后弹簧所受载荷。试验 的作动力通过作动头施加于左右轮心处，实现整车坐标Z 方向的强迫位移，强迫位移在左 右轮心处为异相的。交变载荷频率的大小一般控制在1~3Hz ，本次试验选用2Hz。交变载 荷的幅值与悬架的刚度有关，尽量与车辆正常行驶时轮跳的平均值一致，本试验以 35mm 来验证扭转梁的疲劳性能。当疲劳次数稳定在35 万次以上时，认为此扭转梁满足路面行驶 的要求。一般要有三根以上来验证，保证每根试验次数都超过35 万次，且结果稳定。试验 台架如图2 所示。 图2 扭转疲劳试验台架 3 有限元台架模型建模 有限元台架模型是对试验工况的模拟，本文使用的求解器为MSC.NASTRAN。模型的 建立是梁本体和衬套筒、减震器支架等使用实体网格，其余支架使用壳单元来模拟，单元 2 的大小选用5mm 网格。有限元模型如图3 所示。 图3 扭转梁总成有限元模型 焊缝模拟应尽量与实际相接近，扭转梁的很多开裂出现在焊缝处。焊缝一般用壳单元 模拟就可体现其性质 ，壳单元的厚度应该与母材厚度一致或相当。若已知衬套六个方向刚 度值，衬套可以用CBUSH 单元来模拟 ，本分析中采用的衬套刚度值如表 1 所示。约束衬 套中心6 个自由度，在左右轮心处施加强迫位移，强迫位移只需要用SPC 卡片就可以实现。 总成中比较刚性的结构如车轮轮毂等可以用 RBE2 单元来模拟。螺旋弹簧