汽車(chē)扭轉(zhuǎn)梁后橋設(shè)計(jì)與仿真分析,汽車(chē),扭轉(zhuǎn),改變,后橋,設(shè)計(jì),仿真,分析 目錄 目 錄 摘要 Ⅱ abstract Ⅲ 第一章 緒論 1 1.1 課題的研究意義及背景 1 1.2 扭轉(zhuǎn)梁后橋的基本綜述 1 1.3 課題研究?jī)?nèi)容及方法 2 第二章 懸架 3 2.1 懸架的概念 3 2.2懸架的基本類(lèi)型 3 第三章 主要參數(shù)的確定 7 3.1 所選某車(chē)型的基本參數(shù) 7 3.2 扭轉(zhuǎn)梁后懸架的剛度計(jì)算 7 3.3 扭轉(zhuǎn)梁剪切中心設(shè)計(jì)計(jì)算 7 3.4 彈簧側(cè)傾角剛度的計(jì)算 11 3.5 扭轉(zhuǎn)梁側(cè)傾角剛度的計(jì)算 11 3.6 扭轉(zhuǎn)梁后獨(dú)立懸架橫梁整體設(shè)計(jì) 12 3.7本章小結(jié) 14 第四章 扭轉(zhuǎn)梁后橋的設(shè)計(jì) 15 4.1 CATIA的基本介紹 15 4.2 扭轉(zhuǎn)梁后軸的橫梁設(shè)計(jì) 15 4.3 扭轉(zhuǎn)梁后軸縱臂的設(shè)計(jì) 16 4.4 扭轉(zhuǎn)梁后軸的其它部分設(shè)計(jì) 17 4.5 本章小結(jié) 19 第五章 扭轉(zhuǎn)梁后橋結(jié)構(gòu)性能仿真分析 20 5.1 ANSYS軟件的介紹 20 5.2 有限元分析 20 5.2.1 靜力分析 20 5.2.2 模態(tài)分析 23 5.3 本章總結(jié) 28 第六章 論文總結(jié) 29 6.1 論文總結(jié) 29 6.2 論文展望 29 參考文獻(xiàn) 30 致謝 31 II 摘要 汽車(chē)扭轉(zhuǎn)梁后橋設(shè)計(jì)與仿真分析 摘 要 扭轉(zhuǎn)梁后橋是汽車(chē)底盤(pán)后懸架的關(guān)鍵組成部件，嚴(yán)重影響著車(chē)輛的安全可靠性和操縱穩(wěn)定性。懸架是車(chē)的整體框架即車(chē)架和車(chē)橋之間所有力連接裝置的總稱(chēng)，是汽車(chē)底盤(pán)的關(guān)鍵的組成部分。因此對(duì)汽車(chē)底盤(pán)的基本研究，是進(jìn)行設(shè)計(jì)汽車(chē)扭轉(zhuǎn)梁后橋的前期工作的必不可少的條件。 本文的主要內(nèi)容為扭轉(zhuǎn)梁后橋的設(shè)計(jì)和有限元分析。首先分析了扭轉(zhuǎn)梁后橋的基本概念，并簡(jiǎn)要介紹了懸架的基本類(lèi)型，其次對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，最后用CATIA軟件進(jìn)行三維建模，并用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。 關(guān)鍵詞：車(chē)輛底盤(pán)；汽車(chē)后懸架；扭轉(zhuǎn)梁后橋；設(shè)計(jì)；有限元分析 IV Abstract Design and simulation analysis of rear axle of car torsional beam Abstract The 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 緒論 第1章 緒論 1.1 課題的研究意義及背景 汽車(chē)的四大組成部分是發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、車(chē)身及電器設(shè)備。其中底盤(pán)直接影響到汽車(chē)整車(chē)的基本性能。底盤(pán)和性能的合理匹配一直都是汽車(chē)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵核心部分。最近幾年，高校和企業(yè)也加大了合作力度，知識(shí)與產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，增加在汽車(chē)底盤(pán)領(lǐng)域的研發(fā)投入，包括人力，物力和財(cái)力的全方位投入，是為了能做到技術(shù)上的突破，從而推動(dòng)中國(guó)汽車(chē)自主品牌，自主產(chǎn)品的再一次質(zhì)的飛躍。 隨著人們生活水平的提高，消費(fèi)能力的改善，汽車(chē)成為每個(gè)人生活中不可缺少的一部分，也逐漸成為年輕人彰顯個(gè)性的符號(hào)，人們對(duì)汽車(chē)的要求已不再僅限于簡(jiǎn)單的代步。作為駕駛者的話，追求的則是是良好的操縱性，充沛的動(dòng)力表現(xiàn)，變速箱的合理匹配，精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向，不一樣的駕駛樂(lè)趣。作為乘員，追求的則是良好的舒適性，胎噪，風(fēng)噪，噪音的處理；合適的乘坐空間，不要太壓抑的內(nèi)飾材質(zhì)和氛圍。而居家用的車(chē)輛的要求則是油耗不高，外觀不能太丑太另類(lèi)，起么看的順眼，等等。 隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，日益突出的三大問(wèn)題石油消費(fèi)、安全、環(huán)保等成為了國(guó)家和消費(fèi)者持續(xù)關(guān)注的方面，國(guó)家也為此出臺(tái)了相應(yīng)的針對(duì)政策。因此，汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展的主題必然是安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保。各大車(chē)企也在研發(fā)新能源車(chē)型，市面上已經(jīng)有一定比例的新能源車(chē)型在店里銷(xiāo)售，也得到了消費(fèi)者的廣大青睞。中國(guó)的龐大的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為中國(guó)整體經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，在隨著中國(guó)整體經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷提升到的同時(shí)，也在不斷地進(jìn)步和蓬勃發(fā)展。 1.2 扭轉(zhuǎn)梁后橋的基本綜述 扭轉(zhuǎn)梁后橋是半獨(dú)立的非驅(qū)動(dòng)橋。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小，成本低等眾多優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)上已經(jīng)有很好的表現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)底盤(pán)后懸架。扭轉(zhuǎn)梁后懸架主要由扭轉(zhuǎn)梁橫梁和縱臂焊接而成，兩側(cè)設(shè)有加強(qiáng)筋或支撐件起到支承和固定作用，相應(yīng)的彈性元件和減振器起到減震的作用。扭轉(zhuǎn)梁后橋總成是由橫梁、縱臂、彈簧元件、減振器底座和制動(dòng)安裝支架等線束支架焊接而成的。它的工作原理是：因?yàn)榕まD(zhuǎn)梁是柔性的，所以當(dāng)左右車(chē)輪做向上及向下兩個(gè)方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了減緩其帶來(lái)的震動(dòng)，中間扭轉(zhuǎn)梁就會(huì)產(chǎn)生朝著相反方向的扭矩。 圖1.1 扭轉(zhuǎn)梁后橋的基本結(jié)構(gòu) 汽車(chē)懸架是汽車(chē)的重要組成部分，既起著在支撐整個(gè)車(chē)身上方面的重要作用，又得將路面上的各種力傳遞給車(chē)身。懸架系統(tǒng)決定性的影響著車(chē)輛的舒適性和可操控性。從而可見(jiàn)，懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是，在應(yīng)對(duì)不同的道路條件下，保證車(chē)輛的可靠性和可操縱性等基本性能。 根據(jù)傳統(tǒng)懸架分類(lèi)，后橋結(jié)構(gòu)的懸架系統(tǒng)處于獨(dú)立與非獨(dú)立之間，通常稱(chēng)為半獨(dú)立懸架。懸架是框架（或軸承體）和橋（或車(chē)輪）之間的所有力連接裝置的總稱(chēng)，它可以減輕地面沖擊，吸收車(chē)輪的振動(dòng)，傳遞車(chē)輪和道路之間的所有力和力矩，如何做到更好，如何做到舒適性和操控性之間的合理匹配，一直是廣大學(xué)者研究的課題和方向。目前，在汽車(chē)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般都會(huì)借助有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析。在扭轉(zhuǎn)梁后橋的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中，主要內(nèi)容包括模態(tài)、剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命預(yù)測(cè)、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 1.3 課題研究?jī)?nèi)容及方法 本文以家用轎車(chē)扭轉(zhuǎn)梁后橋?yàn)檠芯績(jī)?nèi)容，綜合國(guó)內(nèi)外研究成果和現(xiàn)有資料，研究了扭轉(zhuǎn)梁后橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和仿真分析過(guò)程等相關(guān)內(nèi)容，并且對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行自我反思和總結(jié)，力求獲得不斷進(jìn)步?，F(xiàn)在市場(chǎng)上汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)是逐漸輕量化，為了順應(yīng)這一趨勢(shì)，我們采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作生產(chǎn)成本較低的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，我們對(duì)扭轉(zhuǎn)梁后橋采用鋼材料進(jìn)行制作，這樣的話，可以在保證結(jié)構(gòu)疲勞壽命的同時(shí)，可以減輕質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文的設(shè)計(jì)內(nèi)容也為以后的底盤(pán)的裝配工藝和其它相關(guān)零部件的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的參考。 31 第二章 懸架 第二章 懸架 2.1 懸架的概念 底盤(pán)基本功能的實(shí)現(xiàn)是要靠后橋和不同的懸架類(lèi)型的合理恰當(dāng)匹配。后橋作為后懸架的組成部分，其密切的關(guān)系要求我們，在研究后橋之前，必須對(duì)懸架的類(lèi)型及其優(yōu)缺點(diǎn)有著詳細(xì)的了解和認(rèn)知。 懸架系統(tǒng)是一組緩沖器。從宏觀上看，懸架是位于車(chē)輪和車(chē)架的中間。車(chē)輪接觸地面所受到的力和振動(dòng)，將由懸架系統(tǒng)進(jìn)行緩沖作用，從而乘客不會(huì)受到特別大的顛簸，乘坐舒適性也隨之提升?？梢?jiàn)，懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)汽車(chē)的舒適性和行駛的穩(wěn)定性有著直接的關(guān)系。與此同時(shí)，懸架系統(tǒng)主要控制著車(chē)身的上下波動(dòng)。不同的懸架類(lèi)型有著不同的實(shí)用效果，可見(jiàn)懸架在汽車(chē)的實(shí)用性方面的不可取代的地位。雖然現(xiàn)代汽車(chē)懸架結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但無(wú)論怎樣都不會(huì)離開(kāi)根本，最基本的組成部件是彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和起減震作用的減振器，以及緩沖塊和橫向穩(wěn)定器。每一個(gè)零件都有存在的作用，不然對(duì)制造廠商而言就是不必要的浪費(fèi)，緩沖塊的作用就是防止減振器在特殊條件下超過(guò)設(shè)計(jì)的壓縮行程。彈性元件在一般正常的騎車(chē)中使用的是螺旋彈簧，而空氣彈簧則用于一些比較先進(jìn)的汽車(chē)中。因?yàn)槭忻嫔下菪龔椈傻膬r(jià)格相對(duì)便宜，并且種類(lèi)較多，選擇空間大，而空氣彈簧的價(jià)格就相對(duì)比較高一點(diǎn)，性能相對(duì)也較好一點(diǎn)，一般主要用在高檔轎車(chē)上。 懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)過(guò)程是非常繁瑣的。其主要原因是如果選擇將懸架系統(tǒng)的剛度設(shè)計(jì)過(guò)大，則在穩(wěn)定性方面體現(xiàn)的會(huì)好一點(diǎn)，但帶來(lái)的弊端則是犧牲掉了乘坐舒適性。相反，如果選擇將剛度設(shè)計(jì)的較小，則在乘坐舒適性方面體現(xiàn)的會(huì)好一點(diǎn)，但帶來(lái)的弊端就是控制穩(wěn)定性差。所以說(shuō)在操控性和舒適性之間的合理均衡是懸架設(shè)計(jì)的復(fù)雜之處。然而懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是懸架系統(tǒng)的彈簧設(shè)計(jì)。減振器的主要作用是吸收過(guò)濾車(chē)輪由路面?zhèn)鬟f的振動(dòng)?？偠灾?，要想達(dá)到最佳的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性，必須要做到減振器的性能參數(shù)和彈簧的性能參的設(shè)計(jì)合理均衡匹配。 2.2懸架的基本類(lèi)型 懸架根據(jù)最基本的分類(lèi)方式，按照其基本結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類(lèi)，可分為獨(dú)立懸架、獨(dú)立懸架和半獨(dú)立懸架三大類(lèi)。 （1） 非獨(dú)立懸架 非獨(dú)立懸架，因詞生義，是指兩個(gè)車(chē)輪不能獨(dú)立移動(dòng)，兩個(gè)車(chē)輪通過(guò)剛性整體橋結(jié)構(gòu)連接。車(chē)輪固定在車(chē)橋上，通過(guò)懸掛系統(tǒng)與車(chē)身連接。其優(yōu)點(diǎn)是，非獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制造和維護(hù)成本相對(duì)較少。由于車(chē)輪和車(chē)橋是剛性連接的，在車(chē)輛行駛中車(chē)輪定位參數(shù)的變化不是特別明顯。缺點(diǎn)則是由于整體軸處于彈性元件之下，彈簧所帶的質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)向和變道的時(shí)候彈簧是有彈性形變的，由于所帶質(zhì)量過(guò)大，就無(wú)法短時(shí)間內(nèi)完成標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)有拖賴(lài)感，所以將導(dǎo)致操縱穩(wěn)定性差。此外，由于左右車(chē)輪固定在整個(gè)車(chē)橋上，兩側(cè)是連在一起的，所以如果一側(cè)車(chē)輪被打動(dòng)，那么另一側(cè)的車(chē)輪也會(huì)被帶到，做了一些相對(duì)獨(dú)立懸架而言不必要的動(dòng)作，帶來(lái)的影響是舒適性也較差。如下圖2.1所示，是一種非獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2.1 非獨(dú)立懸架示意圖 （2） 獨(dú)立懸架 獨(dú)立懸架，因詞生義，意味著這兩個(gè)車(chē)輪是可以獨(dú)立完成各自的運(yùn)動(dòng)。獨(dú)立懸架一般正常情況下是與斷開(kāi)的軸共同使用的，因此當(dāng)車(chē)輪的一側(cè)因打動(dòng)而帶來(lái)的移動(dòng)就不會(huì)影響另一側(cè)的車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，互不干擾。在獨(dú)立懸架系統(tǒng)的底盤(pán)中，左右車(chē)輪是通過(guò)各自的彈性元件下懸掛連接在車(chē)身下面的。獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)中連接的軸為斷開(kāi)軸，質(zhì)量則會(huì)因此較輕點(diǎn)。與此同時(shí)，每個(gè)車(chē)輪可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，從而改善了車(chē)輪的表面附著力。除此之外，獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)的中間區(qū)域?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的基本布局起到非常好的作用，通常情況下，如果降低汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝高度，這將降低汽車(chē)整體重心的高度，重心降低了風(fēng)阻低了，空氣的下壓力也大了，從而車(chē)輛的穩(wěn)定性會(huì)得到很好的提高和改善。獨(dú)立懸架的軸是斷裂的軸，因此左右車(chē)輪可以互不干擾的完成各自的移動(dòng)。左右兩側(cè)的車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都是由路況決定的，獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)就不會(huì)造成互相影響的情況，車(chē)體傾斜度也隨之減小。雖然獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，維修維護(hù)復(fù)雜繁瑣，但其憑借具有的優(yōu)良的行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性等其他優(yōu)點(diǎn)，許多汽車(chē)制造商還是會(huì)選擇獨(dú)立懸架進(jìn)行生產(chǎn)制造。獨(dú)立懸架的分類(lèi)方式是各式各樣的，如果按照書(shū)本上傳統(tǒng)的分類(lèi)方法，根據(jù)連桿的結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)的話目前市場(chǎng)上有多連桿式、麥弗遜式、雙叉臂式等有獨(dú)立懸架類(lèi)型。 獨(dú)立懸架的示意圖，如下圖2.2所示。 圖2.2 獨(dú)立懸架的示意圖 （3） 半獨(dú)立懸架 半獨(dú)立懸架是最具有代表性的拖曳臂式懸架。從車(chē)輪兩側(cè)的剛性連接來(lái)看的話，是屬于一種非獨(dú)立懸架。但從懸架性能的角度來(lái)看，這種懸架結(jié)構(gòu)又具有獨(dú)立懸架的基本特性。由于兩者都有聯(lián)系，并且兼顧，從而這種結(jié)構(gòu)的懸架就被細(xì)分為半獨(dú)立懸架。拖曳臂式懸架是由硬部件和軟部件組合而成的。硬結(jié)構(gòu)指的則是縱向臂和梁，可以在身體的固定點(diǎn)上下擺動(dòng)。軟部件是指彈簧和減振器。各斯其職，每個(gè)部件起到不同的作用，剛性結(jié)構(gòu)的作用是承擔(dān)荷載和傳遞力，而柔性連接則是負(fù)責(zé)減輕沖擊和吸收振動(dòng)?？v向臂和梁焊接在一起來(lái)連接左右兩側(cè)的車(chē)輪，這種結(jié)構(gòu)因?yàn)榫哂腥珮蚴降奶攸c(diǎn)，從而使車(chē)輪在汽車(chē)行駛過(guò)程中的內(nèi)外移動(dòng)不大。同時(shí)，在一定力的作用下，梁會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使兩側(cè)的車(chē)輪相對(duì)自由地在相對(duì)較小的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。雖然曳力臂的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，構(gòu)件也不是很多，但根據(jù)其構(gòu)件的不同形狀可分為全臂懸架和半拖曳臂懸架兩種。整個(gè)拖曳臂式縱臂一端，一端安裝在車(chē)體上，另一端與車(chē)輪連接。全拖曳懸架的縱向臂沿轎車(chē)車(chē)廂的縱向布置的，它是車(chē)輪和車(chē)體連接的重要組成部分。在行駛過(guò)程中，車(chē)輛的縱向臂起到承受來(lái)自各個(gè)方向的載荷的作用。 圖2.3 半獨(dú)立懸架的示意圖 全拖拽式懸架主要用于前驅(qū)動(dòng)式后橋系統(tǒng)中，由于其較好的全拖曳臂式結(jié)構(gòu)，典型的全拖曳臂結(jié)構(gòu)在法系車(chē)中運(yùn)用的相對(duì)多一點(diǎn)。半拖曳臂式懸架各部分的連接方式是拖臂前段與前車(chē)架連接，后端與車(chē)輪連接，支架臂是可以在車(chē)身連接點(diǎn)上下移動(dòng)的。半拖臂懸掛系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于前驅(qū)車(chē)型和后驅(qū)車(chē)型中。本文研究的扭轉(zhuǎn)梁后橋主要有縱臂和橫梁組成，其是拖曳臂懸架最重要的部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常特殊?？v臂設(shè)計(jì)的要求是具有一定的剛度，因?yàn)樗艿絹?lái)自各個(gè)方向的力和載荷，通常是封閉的環(huán)形截面。橫梁的設(shè)計(jì)的重要性也是很大的，其中橫梁的位置與車(chē)輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性密切相關(guān)的。 從汽車(chē)底部看，橫梁的位置通常位于汽車(chē)車(chē)身的硬點(diǎn)和車(chē)輪的中心點(diǎn)之間。當(dāng)橫梁位置接近車(chē)身的硬點(diǎn)時(shí)，車(chē)輛的乘坐舒適性有所提高，但操縱穩(wěn)定性就會(huì)較差；如果梁離車(chē)輪的中心近一點(diǎn)，則車(chē)輛的通過(guò)性及操縱性會(huì)更好，但缺點(diǎn)是梁的扭轉(zhuǎn)性能就會(huì)不發(fā)揮作用，這樣情況下，其功能則接近非獨(dú)立懸架的基本功能。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度分析的話，拖曳臂懸架具有許多優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)需要不多的零件，不需要如連桿這樣的其他部件，也非常容易完成彈簧和減震器的安裝和拆卸工作。拖曳臂懸架因其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，較低的生產(chǎn)成本而被廣泛應(yīng)用于中低端車(chē)輛的法系車(chē)中。 第三章 主要參數(shù)的確定 第3章 主要參數(shù)的確定 3.1 所選某車(chē)型的基本參數(shù) 驅(qū)動(dòng)形式4×2前輪 軸距 2610 mm 輪距前/后 1485 /1475 mm 最大爬坡度 35% 整車(chē)質(zhì)量 1305kg 最高車(chē)速 171km/h 最小轉(zhuǎn)彎直徑 11m 最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速 146/4600Nm/rpm 最大功率/轉(zhuǎn)速 85/5800kw/rpm 輪胎型號(hào) 185/65R15T 手動(dòng)5擋 汽車(chē)起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 變速器最大傳動(dòng)比 主減速器傳動(dòng)比。 3.2 扭轉(zhuǎn)梁后懸架的剛度計(jì)算 已知：已知整車(chē)裝備質(zhì)量：m =1130kg，取簧上質(zhì)量為1228kg；軸荷分配：前軸軸荷762kg，后軸軸荷723kg。 空載后軸單輪軸荷為48%： 滿(mǎn)載后軸單輪軸荷為48%： 懸架滿(mǎn)載剛度： （3－1） 空載剛度 （3－2） 3.3 扭轉(zhuǎn)梁剪切中心設(shè)計(jì)計(jì)算 扭轉(zhuǎn)梁剪切中心的位置是與影響車(chē)輛轉(zhuǎn)向特性的重要因素。當(dāng)剪切的中心位置在連接襯套與車(chē)輪中心之間的連接線的上方時(shí)，車(chē)輛會(huì)呈現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)；當(dāng)剪切中心位置剛好在連接襯套與車(chē)輪中心連線上時(shí)，車(chē)輛會(huì)出現(xiàn)中性轉(zhuǎn)向趨勢(shì)；當(dāng)剪切中心位置在連接襯套與車(chē)輪中心連線的下方時(shí)，車(chē)輛會(huì)出現(xiàn)過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。 扭轉(zhuǎn)梁剪切中心、襯套中心和輪心點(diǎn)他們?nèi)吖餐ㄎ涣伺まD(zhuǎn)梁的側(cè)傾中心位置。在汽車(chē)正向的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)給定的已經(jīng)確定的扭轉(zhuǎn)梁側(cè)傾中心高度，可以通過(guò)以下介紹的幾種方法計(jì)算出扭轉(zhuǎn)梁剪切中心的位置。 圖3.1 扭轉(zhuǎn)梁剪切中心 已知參數(shù)包括以下： （1）車(chē)輪靜半徑R,一般在靜載下就已經(jīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；（2）車(chē)輛后輪距B，在設(shè)計(jì)初期階段給出；（3）側(cè)傾中心高度H，在設(shè)計(jì)初期階段給出；（4）襯套點(diǎn)p1，（x1,y1,z1）；（5）輪心點(diǎn) p2，(x2,y2,z2)。 3.1.2剪切中心點(diǎn)p0（x,y,z）的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1） x值。x值對(duì)橫梁在扭轉(zhuǎn)梁前襯套與輪心點(diǎn)之間的位置起到了決定性的作用，如果橫梁越靠近前襯套，側(cè)傾中心高度就越接近水平面，其特點(diǎn)則會(huì)更加接近單縱臂獨(dú)立懸架的特點(diǎn)；如果越接近輪心點(diǎn)，側(cè)傾中心高度就會(huì)越遠(yuǎn)離水平面，其就會(huì)更加趨向于非獨(dú)立懸架的特性。X=ib ，b是襯套與輪心在x方向上的距離，一般取i=0.28～0.48。 （2）y值。因?yàn)榕まD(zhuǎn)梁是左右對(duì)稱(chēng)的，所以y值取0。 （3）z值 。依據(jù)多體計(jì)算動(dòng)力學(xué)歐拉四元素法可計(jì)算p4點(diǎn)繞轉(zhuǎn)軸n旋轉(zhuǎn)θ角后p4’的位置，轉(zhuǎn)軸n為襯套點(diǎn)與剪切中心點(diǎn)連線方向的單位矢量。也可以采用原理基本一致的作圖法做出來(lái)。設(shè)車(chē)輪接地點(diǎn)p4(x2,yz,z2-R)，襯套點(diǎn)P1(x1,y1,z1)，矢量s4=p4-p1，具體如下圖所示。 圖3.2 扭轉(zhuǎn)梁后懸架剪切中心示意圖 其有如下關(guān)系 （3－3） 根據(jù)上圖公式可推導(dǎo)出側(cè)傾中心高度的計(jì)算公式 ： （3－4） 根據(jù)上面的三個(gè)公式可求出Z值 。 如下所示的關(guān)系示意圖，是三種比較常見(jiàn)的能表示扭轉(zhuǎn)梁橫梁的開(kāi)口截面與剪切中心位置的。 圖3.3 扭轉(zhuǎn)梁橫梁開(kāi)口截面剪切中心位置 從上圖3.3能夠看出，剪切中心位置是位于開(kāi)口方向的另一側(cè)，因此在扭轉(zhuǎn)梁后橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可結(jié)合動(dòng)力學(xué)的特性，剪切中心的位置及相關(guān)的布置要求來(lái)決定扭轉(zhuǎn)梁后橋橫梁的開(kāi)口方向及布置位置，常用開(kāi)口方向?yàn)橄蛳碌摹５灿虚_(kāi)口方向是向前和向后的。 查閱相關(guān)資料，歸納總結(jié)了以下3種計(jì)算截面剪切中心位置的方法 。 （1）Ｖ橫梁截面參數(shù)如下圖3.4所示 。 圖 3.4 扭轉(zhuǎn)梁橫梁Ｖ型截面參數(shù) 那么剪切中心到圓心的距離e為 ： （3－5） 式中，Jwx是橫梁截面對(duì)X軸的主扇性慣性矩，Ix是橫梁截面對(duì)X軸的慣性距 。 （3－6） （2）U型橫梁截面參數(shù)。U型Ⅱ截面的頂端有一直邊，焊接的基本性能要比V型好，扭轉(zhuǎn)效率高，其剪切中心可根據(jù)上述的公式計(jì)算出來(lái)。 圖3.5 扭轉(zhuǎn)梁橫梁Ｕ型截面參數(shù) （3） V型截面+扭桿結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖所示。如果當(dāng)扭桿截面圓心位于V型橫梁型心時(shí)，V型截面+扭桿的橫梁組合的剪切中心可以視為V型橫梁的剪切中心；當(dāng)扭桿截面圓心與V型橫梁剪切中心有較大差別時(shí)，需要分別計(jì)算出V型橫梁的剪切中心及扭桿的剪切中心，再通過(guò)力矩平衡原理求出組合截面的剪切中心。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了獲得較大的扭轉(zhuǎn)剛度及較好的應(yīng)力分配，通常將扭桿截面圓心設(shè)計(jì)在V型截面的型心上。 圖3.6 扭轉(zhuǎn)梁橫梁V型截面+扭桿結(jié)構(gòu)參數(shù) 3.4 彈簧側(cè)傾角剛度的計(jì)算 根據(jù)多體計(jì)算動(dòng)力學(xué)歐拉四元素法，可計(jì)算出輪心點(diǎn) p2 （x2,y2,z2） 和彈簧下點(diǎn) p3 （x3,y3,z3） 繞轉(zhuǎn)軸n旋轉(zhuǎn)θ角z方向上的位移量，從而確定其杠桿比。轉(zhuǎn)軸n為襯套點(diǎn)與剪切中心點(diǎn)之間的連線的方向的單位矢量。 杠桿比 ： （3－7） 式中 （3－8） 根據(jù)上述幾個(gè)公式可以計(jì)算得出彈簧側(cè)傾剛度 ： （3－9） 式中，Ks是彈簧剛度，單位為N/mm；B是車(chē)輛后輪距，單位為mm。 3.5 扭轉(zhuǎn)梁側(cè)傾角剛度的計(jì)算 懸架側(cè)傾角剛度是指簧上質(zhì)量產(chǎn)生單位側(cè)傾角時(shí)懸架給車(chē)身的彈性恢復(fù)力矩，它對(duì)簧上質(zhì)量的側(cè)傾角也有影響。如果汽車(chē)的乘坐側(cè)傾角剛度過(guò)小，車(chē)輛的舒適感和穩(wěn)定性就會(huì)有所欠缺；如果汽車(chē)的側(cè)傾角剛度過(guò)大，那么就會(huì)造成胎側(cè)偏角加大。假使這些側(cè)傾發(fā)生在后輪的話，汽車(chē)則會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)增加過(guò)多的可能。正常情況下，一般的要求是在側(cè)向慣性力為0.4G時(shí)，轎車(chē)車(chē)身側(cè)傾角為2.6°～3°之間。貨車(chē)車(chē)身側(cè)傾角≤6.5°左右。懸架側(cè)傾角剛度可看成是，前后懸架側(cè)傾角剛度獨(dú)立組合而成的，前后懸架側(cè)傾角剛度的分配會(huì)給前、后輪的側(cè)偏角大小帶來(lái)一些偏差，從而造成轉(zhuǎn)向特性的偏差，所以設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮的懸架側(cè)傾角剛度在前后軸上的分配關(guān)系。汽車(chē)前軸的輪胎側(cè)偏角剛度比后軸的輪胎側(cè)偏角剛度稍微大些，可以滿(mǎn)足汽車(chē)轉(zhuǎn)向特性稍有不足的特殊要求，。對(duì)于一般的轎車(chē)，前后懸架側(cè)傾角剛度比值一般為1.4~1.8。扭轉(zhuǎn)梁后懸架的側(cè)傾角剛度Cr主要由彈簧和扭轉(zhuǎn)梁共同決定的。正常情況下，簧剛度及位置是由懸架空間布置及總布局舒適性的確定來(lái)決定的，確定后可以得出結(jié)論，Ct = Cr - Cz. 扭轉(zhuǎn)梁側(cè)傾角剛度計(jì)算示意圖如下圖3.7所示 。 圖3.7 扭轉(zhuǎn)梁側(cè)傾角剛度計(jì)算示意圖 根據(jù)歐拉四元素法可計(jì)算出輪心點(diǎn)z向（車(chē)輛坐標(biāo)系）的位移ΔP2Z與橫梁扭轉(zhuǎn)角度Δθb的關(guān)系 ： （3－10） 橫梁受扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩為 ： （3－11） 根據(jù)簡(jiǎn)化的模型，設(shè)輪心處z方向的力為F2，襯套處z方向的力為F1 ，橫梁對(duì)縱臂Z方向的力為F5，橫梁對(duì)縱臂繞Y軸方向的力矩為Mb則根據(jù)力和力矩平衡方程有： （3－12） 設(shè)懸架一側(cè)的線剛度為： （3－13） 則扭轉(zhuǎn)梁側(cè)傾角剛度Ct為： （3－14） 3.6 扭轉(zhuǎn)梁后獨(dú)立懸架橫梁整體設(shè)計(jì) 根據(jù)公式可以計(jì)算出扭轉(zhuǎn)梁所需要的扭轉(zhuǎn)剛度Kt，單位為N.mm/rad。扭轉(zhuǎn)梁扭轉(zhuǎn)剛度主要由橫梁提供，結(jié)構(gòu)模型忽略縱臂剛度、襯套剛度和橫 梁加強(qiáng)板的影響，計(jì)算結(jié)果一般偏小，偏差≤20％。根據(jù)懸架左右車(chē)輪的扭轉(zhuǎn)角度及扭轉(zhuǎn)梁橫梁約束扭轉(zhuǎn)剛度的大小，選擇恰當(dāng)?shù)臋M梁截面型式，常用的四種橫梁截面結(jié)構(gòu)如下圖3.8所示。其中，A、B、C類(lèi)是鋼板沖壓而成，D類(lèi)是圓管液壓而成。 圖3.8 常用橫梁截面結(jié)構(gòu) 橫梁截面型式確定后,根據(jù)扭轉(zhuǎn)梁橫梁的約束扭轉(zhuǎn)剛度的大小，可以初步計(jì)算出橫梁截面的結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)橫梁的約束條件，采用薄壁桿件理論中的約束扭轉(zhuǎn)，來(lái)求解橫梁的約束扭轉(zhuǎn)剛度。U型截面也是采用同樣的方法進(jìn)行計(jì)算出扭轉(zhuǎn)剛度。 薄壁Ｖ型橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度 ： （3－15） 式中，Lo是橫梁的長(zhǎng)度，單位為mm；G是剪切模量，單位為MPa；Jd是自由慣性矩；是約束扭轉(zhuǎn)特征系數(shù)。 扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度為 ： （3－16） 式中，Gp是扭桿的切變模量，單位為MPa；lp是扭桿的長(zhǎng)度，單位為mm；D是扭桿外徑，單位為mm；d是扭桿內(nèi)徑，單位為mm。 V型橫梁＋扭桿截面的扭轉(zhuǎn)梁的扭轉(zhuǎn)剛度 Kt=Kb+Kp （3－17） 式中,設(shè)定λ＝Kb/Kp ，取值范圍為0.8~2，確保橫梁、扭桿的應(yīng)力分布均勻，扭轉(zhuǎn)效率高。扭轉(zhuǎn)梁橫梁結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)扭力梁扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式可得出多組數(shù)據(jù)，再根據(jù)下述條件選擇合適的扭力梁結(jié)構(gòu)尺寸，最后根據(jù)一般強(qiáng)度要求及總質(zhì)量選擇一組合適的數(shù)據(jù)。 主要參數(shù)為：厚度t、夾角α、圓角半徑R、橫梁邊長(zhǎng)b、扭桿外徑D及內(nèi)徑d。 圖3.9 扭力梁橫梁截面參數(shù) 3.7 本章小結(jié) 厚度t對(duì)橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度影響很大，根據(jù)剛度要求選擇合適值，一般會(huì)在4～6mm之間選擇，如果取值越大，橫梁約束扭轉(zhuǎn)剛度越大；夾角α對(duì)橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度影響較小，一般選擇60°左右，取值越大，橫梁約束扭轉(zhuǎn)剛度就會(huì)越大；圓角半徑R對(duì)橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度影響較小，一般選擇20mm 左右 ，取值越大，橫梁約束扭轉(zhuǎn)剛度就會(huì)越大；橫梁邊長(zhǎng)b對(duì)橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度影響較大，一般取值較縱臂直徑大10mm左右，以保證焊接工藝；由λ確定扭桿扭轉(zhuǎn)剛度后，即可設(shè)計(jì)扭桿外徑D及內(nèi)徑d，一般要求空心扭桿厚度＞3mm。 第四章 扭轉(zhuǎn)梁后橋的設(shè)計(jì) 第四章 扭轉(zhuǎn)梁后橋的設(shè)計(jì) 4.1 CATIA的基本介紹 CATIA是由法國(guó)達(dá)索飛機(jī)公司精心開(kāi)發(fā)的高端三維繪圖軟件。CATIA軟件憑借自身強(qiáng)大的表面設(shè)計(jì)功能，在飛機(jī)、船舶和汽車(chē)以及其他大型機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了業(yè)內(nèi)一致的好評(píng)和贊賞。CATIA的核心在于，曲面造型功能為用戶(hù)提供了相當(dāng)豐富的建模工具，來(lái)支持各個(gè)領(lǐng)域的各方面的建模需求。還有用戶(hù)可以獨(dú)特的曲線曲面功能可來(lái)達(dá)到自身行業(yè)對(duì)表面平整度的特殊要求。 4.2 扭轉(zhuǎn)梁后軸的橫梁設(shè)計(jì) 扭轉(zhuǎn)梁后橋總成一般是由橫梁、縱臂、彈簧元件、減振器托盤(pán)和制動(dòng)安裝支架等線束支架焊接而成的。扭轉(zhuǎn)梁后橋的關(guān)鍵核心部件是中間的橫梁，其結(jié)構(gòu)形式主要由U型或V型梁穩(wěn)定桿、U型或V型沖壓件、H型梁加穩(wěn)定桿、封閉管成型梁四種類(lèi)型組成。 前三種梁通常是作為扭轉(zhuǎn)梁張不是閉合的，也就是說(shuō)是張開(kāi)的。對(duì)于這種開(kāi)式扭轉(zhuǎn)梁，由于生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)流程相對(duì)不是很復(fù)雜，則設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。由于是由冷沖壓來(lái)成形，那么其所受的約束邊界較小，那么設(shè)計(jì)的可變性大了，也就是靈活性好。為了可以達(dá)到要求的強(qiáng)度，可以通過(guò)設(shè)計(jì)形狀、修邊線、板厚等多個(gè)方面來(lái)完成，設(shè)計(jì)過(guò)程也不是很復(fù)雜，難度也不是很大。閉合扭轉(zhuǎn)梁是由空心管沖孔，在強(qiáng)度、剛度和彎曲模量相同的條件下，其重量會(huì)大大減小。具有穩(wěn)定桿的V形梁，因?yàn)榧恿朔€(wěn)定桿，那么總體的重量就會(huì)變大，而如果沒(méi)有穩(wěn)定桿的V梁，為了達(dá)到扭轉(zhuǎn)梁的基本結(jié)構(gòu)性能要求，則需要加5.5mm左右的鋼板。閉合扭轉(zhuǎn)梁的厚度一般在2.9mm左右，因此相比較而言，其質(zhì)量就會(huì)小點(diǎn)。 本文研究的扭轉(zhuǎn)梁后橋的橫梁設(shè)計(jì)目標(biāo)是要保證結(jié)構(gòu)完整，,并結(jié)合上文的參數(shù)計(jì)算和分析，總結(jié)得選擇采用V型截面梁是本設(shè)計(jì)的最優(yōu)選擇。上文中已經(jīng)概括總結(jié)了橫梁的基本類(lèi)型和基本性能。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，橫梁的設(shè)計(jì)對(duì)扭轉(zhuǎn)梁后軸的技術(shù)可行性、整體性能和生產(chǎn)成本有著非常關(guān)鍵的影響。 橫梁設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵性因素就是橫梁截面。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，需要進(jìn)行許多次設(shè)計(jì)計(jì)算和調(diào)整。CATIA三維繪圖軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)，調(diào)整截面形狀，就可以快速調(diào)整橫梁的結(jié)構(gòu)及基本框架，提升了扭轉(zhuǎn)梁后橋的設(shè)計(jì)速度。經(jīng)過(guò)綜合計(jì)算分析和總結(jié)比對(duì)，本扭轉(zhuǎn)梁后橋的設(shè)計(jì)的制作材料為高強(qiáng)度鋼。 在上一章我們對(duì)其參數(shù)都進(jìn)行了計(jì)算，分析和總結(jié)得出，鋼管的長(zhǎng)度為d=1180 mm，鋼管的厚度為3.2mm。截面形狀和中心位置，直接關(guān)系到扭轉(zhuǎn)剛度和應(yīng)力分布。在這段的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)后，很難獲得最理想的截面形狀。所以需要我們不斷調(diào)整和研究來(lái)完成任務(wù)書(shū)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 如圖4.1所示，即為橫梁的三維設(shè)計(jì)。 圖4.1 橫梁設(shè)計(jì) 4.3 扭轉(zhuǎn)梁后軸縱梁的設(shè)計(jì) 縱臂是扭轉(zhuǎn)梁后橋總成中最關(guān)鍵的部件之一，其結(jié)構(gòu)形式直接關(guān)系影響到整個(gè)扭轉(zhuǎn)梁的后橋的全部結(jié)構(gòu)性能，而典型的縱臂設(shè)計(jì)方法則是管狀縱臂設(shè)計(jì)和方盒形縱臂設(shè)計(jì)。 如圖所示，（a）是一種典型的方盒形縱臂設(shè)計(jì)。（b）管狀縱臂設(shè)計(jì)。 圖4.2 a方盒形縱臂設(shè)計(jì) b管狀縱臂設(shè)計(jì) 管狀縱臂的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是零件數(shù)量相對(duì)較少，也不需要進(jìn)行焊接，其結(jié)構(gòu)性能變現(xiàn)也是很好的。缺點(diǎn)是鋼管物料價(jià)格高，隨之生產(chǎn)成本也會(huì)變高。通常生產(chǎn)制作情況下，需要在局部空間布局區(qū)域來(lái)進(jìn)行打孔，從而增加與其它連接部分之間的間隙，也降低了管狀縱向臂的沖壓難度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，是很難保證形狀表面的公差在一定合理確定的區(qū)間內(nèi)。盒形縱臂的設(shè)計(jì)的組成部分是由兩塊沖壓件。其優(yōu)點(diǎn)是沖壓工藝過(guò)程比較容易，原料價(jià)格低，生產(chǎn)成本少，缺點(diǎn)是零件的數(shù)量增加了，從原來(lái)的兩個(gè)部分變?yōu)樗膫€(gè)部分，那么帶來(lái)的問(wèn)題則是在一般裝配中，部件增多了，要想使其連接為一個(gè)整體，那么焊接的長(zhǎng)度就會(huì)增加，工序以及工作量就會(huì)隨之增加。影響長(zhǎng)度的因素，為了達(dá)到所要求的焊接效率，則需要添加焊接設(shè)備，導(dǎo)致前期的生產(chǎn)資金投入會(huì)增加。 該項(xiàng)目的縱臂考慮了上述兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用了方盒形縱臂設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行形狀加工，根據(jù)上一章的計(jì)算和分析獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)和總結(jié)分析歸納的基本結(jié)論及約束條件，繪制了如下的三維模型。 圖4.3 縱臂設(shè)計(jì) 4.4 扭轉(zhuǎn)梁后軸的其它部分設(shè)計(jì) 根據(jù)后橋剛度和空間布局的要求，分別設(shè)計(jì)了彈簧支座和減振器托架以及其他輔助支架。為了適應(yīng)空間縫隙產(chǎn)品的技術(shù)可行性，產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)過(guò)多次調(diào)整。最后，確定了扭轉(zhuǎn)梁后橋的總體設(shè)計(jì)方案。 設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)梁后橋總成由橫梁、縱臂、彈簧座支架、減振器托架、車(chē)輪托架，橫梁縱臂加強(qiáng)板和其他線束支架焊接而成的。一般正常的設(shè)計(jì)流程中，扭轉(zhuǎn)梁后軸總成各部分的厚度需要通過(guò)CAE優(yōu)化軟件進(jìn)行靈敏度分析和相關(guān)計(jì)算分析來(lái)確定。在本項(xiàng)目中，為了抓緊設(shè)計(jì)的進(jìn)度，節(jié)省CAE資源，設(shè)計(jì)的部分厚度作為扭轉(zhuǎn)梁后橋設(shè)計(jì)的參考，類(lèi)似于工程的設(shè)計(jì)，前期設(shè)計(jì)的基本數(shù)據(jù)，既參考與本項(xiàng)目相類(lèi)似的扭轉(zhuǎn)梁后橋來(lái)確定該設(shè)計(jì)的零件板厚，每個(gè)零件采用與另一個(gè)項(xiàng)目相對(duì)應(yīng)的零件的相同的板厚。在以后的仿真分析過(guò)程中，如果厚度設(shè)計(jì)不合理，將進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)工作。 圖4.4 減振器設(shè)計(jì)圖 圖4.5 減震器下座支撐圖 綜上，我們已經(jīng)對(duì)橫梁、縱臂、減震器及其他的一些結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，整合上面所繪制的三維圖，對(duì)各零部件進(jìn)行整理，繪制了扭轉(zhuǎn)梁后橋的整體三維模型圖。 圖4.6 扭轉(zhuǎn)梁后橋的整體設(shè)計(jì)圖 4.5 本章小結(jié) 本章研究了在設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)梁后橋時(shí)如何選擇懸架類(lèi)型，同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般過(guò)程進(jìn)行了分析和研究，重點(diǎn)是對(duì)扭轉(zhuǎn)梁后橋的各個(gè)組成部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。在制作材料的選擇時(shí)，對(duì)高強(qiáng)度鋼以及其他鋼材進(jìn)行了分析和研究，從而實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)梁后橋輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)分析扭轉(zhuǎn)梁后橋的設(shè)計(jì)輸入條件和查閱相關(guān)資料和書(shū)籍，對(duì)其進(jìn)行了基本參數(shù)的計(jì)算，研究，分析和設(shè)計(jì)，從而建立了扭轉(zhuǎn)梁后橋的初步設(shè)計(jì)方案，用CATIA軟件建立扭轉(zhuǎn)梁后橋的三維模型。設(shè)計(jì)不是但要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)語(yǔ)言的基本要求，還要考慮產(chǎn)品空間布局的合理性，每一個(gè)設(shè)計(jì)都是為了生產(chǎn)制作最合格的產(chǎn)品，必須進(jìn)入生產(chǎn)線制作出來(lái)，這就需要我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到該設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程的可執(zhí)行性。 第五章 扭轉(zhuǎn)梁后橋的結(jié)構(gòu)性能仿真分析 第五章 扭轉(zhuǎn)梁后橋結(jié)構(gòu)性能仿真分析 5.1 Ansys軟件的介紹 隨著有限元分析理論的不斷發(fā)展，為了更好的使用有限元分析理論進(jìn)行工程的分析求解，ANSYS開(kāi)發(fā)的目的是為了更加合理的利用有限元法對(duì)工程進(jìn)行分析求解。ANSYS是使用較為普遍的有限元軟件之一，可對(duì)被分析的對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和熱傳導(dǎo)等分析。還可以采取對(duì)分析對(duì)象輸入相關(guān)屬性、添加約束以及之后，由其相關(guān)的后處理模塊進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等分析，從而獲得相關(guān)的分析成果。ANSYS使用廣泛，不僅可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)、靜態(tài)以及熱傳導(dǎo)分析，還能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析從而得到相關(guān)的應(yīng)力云圖，分析出最終結(jié)果。 ANSYS能夠進(jìn)行各種各樣的分析。在使用ANSYS軟件對(duì)不同的類(lèi)別操作分析時(shí)。應(yīng)當(dāng)由簡(jiǎn)到難，從一般的線性與靜力分析再到較為繁瑣與復(fù)雜的瞬態(tài)分析。不管進(jìn)行什么樣的分析，都必須要按照規(guī)定的流程來(lái)操作。這些分析類(lèi)型包括：線性分析、靜態(tài)分析以及瞬態(tài)和分線性分析，并且這些分析都具有類(lèi)似的過(guò)程。該過(guò)程包括以下三個(gè)步驟：1、首先建立有限元的模型。該模型為零件的三維模型，可以在ANSYS軟件中建立也可以由專(zhuān)業(yè)建模軟件建立完成后再導(dǎo)入ANSYS軟件中。模型建立完成后需要對(duì)模型所使用材料的相關(guān)屬性進(jìn)行定義。把建好的模型劃分為有限個(gè)獨(dú)立的單元，并對(duì)單元進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的劃分。2、對(duì)該模型施加一定的載荷以及邊界條件并求解。3、最后一步是對(duì)查看求解后的結(jié)果，如查看應(yīng)力云圖，并通過(guò)觀察該圖像得出分析的結(jié)論，并且檢查最后分析出的結(jié)論是否準(zhǔn)確無(wú)誤。ANSYS軟件具有多樣化的分析模式，如果想應(yīng)用ANSYS操作一些基本的分析，大致可以分成三個(gè)操作步驟：①首先在ANSYS軟件中建立出相關(guān)的零件模型，也可以由專(zhuān)業(yè)建模軟件建立完成后再導(dǎo)入ANSYS軟件中；把建好的模型劃分為有限個(gè)獨(dú)立的單元；并對(duì)單元進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的劃分；②計(jì)算出需要施加在所分析模型上的載荷。并確定好零件模型受力時(shí)的約束面；求解；③分析完成后，檢查分析報(bào)告有無(wú)出錯(cuò)。判定模型是否符合使用要求。 5.2 有限元分析 ANSYS有限元軟件是一個(gè)多功能多用處的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，其中的靜力分析用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不是很明顯的問(wèn)題。ANSYS程序中的靜力分析既可以進(jìn)行非線性分析，而還可以進(jìn)行線性分析，如塑性、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。本次設(shè)計(jì)我們對(duì)本文所設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)梁后橋的橫梁和縱臂進(jìn)行模態(tài)分析。 5.2.1靜力分析 通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)本文所設(shè)計(jì)出的主傳動(dòng)軸進(jìn)行靜力分析，通過(guò)計(jì)算，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)主軸的強(qiáng)度和剛度是否能夠滿(mǎn)足本文零件設(shè)計(jì)的使用要求。 輸入材料，扭轉(zhuǎn)梁后橋所采用的材料為45#鋼，密度為7850kg/m3，彈性模量205GPa,泊松比為0.3；并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。所劃分的網(wǎng)格的單元邊長(zhǎng)5mm。一共159918個(gè)節(jié)點(diǎn)，77996個(gè)單元，單元類(lèi)型為三角形。 圖5.1 導(dǎo)入模型 圖5.2 網(wǎng)格劃分 本文扭轉(zhuǎn)梁后橋的載荷和約束條件的施加方法為；以扭轉(zhuǎn)梁縱臂的鋼套和減震器的支座為支撐點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行約束；查閱相關(guān)資料，所選車(chē)型扭轉(zhuǎn)梁后橋所受的載荷為7106N,作用于扭轉(zhuǎn)梁橫梁上。靜力分析后得到其位移變形圖和等效應(yīng)力云圖。 圖5.3 施加載荷 圖5.4 位移變化圖 從扭轉(zhuǎn)梁后橋的位移變形云圖可以看出，后橋在承受扭矩的工況下，最大變形位于橫梁的中間部分，最大變形為0.08mm,符合零件的剛度使用要求。 圖5.5 等效應(yīng)力云圖 從扭轉(zhuǎn)梁后橋的等效應(yīng)力云圖可以看出，后橋在承受扭矩的工況下，最大應(yīng)力位于后橋的橫梁的中間部分，且呈現(xiàn)均勻分布的趨勢(shì)，最大的應(yīng)力幅值為12MPa，此應(yīng)力幅值遠(yuǎn)小于45#鋼的屈服強(qiáng)度355MPa，所以后橋的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。 5.2.2 模態(tài)分析 結(jié)構(gòu)固有的一種特性我們稱(chēng)之為模態(tài)。模態(tài)只和其形狀，約束形式以及材料的特性有關(guān)聯(lián)，與其他的輸入沒(méi)有關(guān)系。模態(tài)分析其主要目的就是為了給設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，了解結(jié)構(gòu)的共振區(qū)域，驗(yàn)證仿真模型是否正確，為后面的瞬態(tài)分析和譜分析打基礎(chǔ)。 通過(guò)經(jīng)典力學(xué)理論可以得知，物體的動(dòng)力學(xué)通用方程為： （5－1） 在式中，[M] 是質(zhì)量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；{x}是位移矢量；{ F（t）}是力矢量； 是速度矢量；是加速矢量。 無(wú)阻尼模態(tài)分析是經(jīng)典力學(xué)的特征值問(wèn)題，動(dòng)力學(xué)問(wèn)題?運(yùn)動(dòng)方程如下。 （5－2） 結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，就是位移是正弦函數(shù)，即 代入得 （5－3） 模態(tài)分析是特征值和特征向量的求解。 打開(kāi)Workbench17.0界面，導(dǎo)入模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格分析后對(duì)扭轉(zhuǎn)梁后橋進(jìn)行施加載荷與約束，選擇完要約束和施加載荷的兩個(gè)面，點(diǎn)擊Solve。 結(jié)果后處理時(shí)，在Solution工具欄選擇Deformation——Toal命令，會(huì)出現(xiàn)Total Deformation選項(xiàng)。點(diǎn)擊evaluate All Results命令，進(jìn)行模態(tài)分析。 圖5.6 選擇材料 圖5.7 導(dǎo)入模型 圖5.8 網(wǎng)格劃分 對(duì)扭轉(zhuǎn)梁后橋的橫梁和縱臂進(jìn)行自由模態(tài)分析，確定了前六階的固有頻率與振型，但是由于高階模態(tài)分析容易引起一定的計(jì)算誤差與不確定性，而且過(guò)高頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)很難被激勵(lì)，對(duì)后橋性能的影響很少，所以分析中只提取扭轉(zhuǎn)梁后橋的前六階的固有頻率與振型。模態(tài)分析結(jié)果如下所示，圖5.9到圖5.14是一到六階振型的分析結(jié)果。 圖5.9 一階模態(tài) 圖5.10 二階模態(tài) 圖5.11 三階模態(tài) 圖5.12 四階模態(tài) 圖5.13 五階模態(tài) 圖5.14 六階模態(tài) 分析結(jié)果如下 第一階的固有頻率為86.427 Hz，第二階的固有頻率為92.29 Hz，第三階的固有頻率為92.853 Hz，第四階的固有頻率為174.39 Hz，第五階的固有頻率為253.47 Hz，第六階的固有頻率為255.32 Hz。 上述六階模態(tài)分析所得的頻率為 表5.2 固有頻率 模態(tài) 一階 二階 三階 四階 五階 六階 頻率/Hz 86.427 92.29 92.853 174.39 253.47 255.32 通過(guò)上述ANSYS有限元分析，進(jìn)行了六階的模態(tài)分析，查閱資料得減震器的固有頻率為2.95Hz左右,上訴所求的扭轉(zhuǎn)梁后橋的頻率避開(kāi)了這一區(qū)間，所以不會(huì)產(chǎn)生共振。 5.3 本章總結(jié) 本章運(yùn)用ASNSY Work bench 對(duì)扭轉(zhuǎn)梁后橋進(jìn)行了靜力分析，模態(tài)分析等操作。其中包括了材料的選擇與導(dǎo)入，網(wǎng)格劃分，對(duì)模型施加約束與載荷等。然后對(duì)扭轉(zhuǎn)梁后橋進(jìn)行了模態(tài)分析。從變形情況可以看出在施加壓力和載荷后的基本情況，圖中的紅色區(qū)域?yàn)閼?yīng)變最大的地方，也是產(chǎn)生噪音的集中的地方。通過(guò)對(duì)其靜力分析，發(fā)現(xiàn)在施加載荷后會(huì)在橫梁的中端即紅色區(qū)域會(huì)發(fā)生一定的位移變形。改進(jìn)措施是增加紅色區(qū)域橫梁的厚度，增加中間加強(qiáng)筋的直徑，保證足夠的強(qiáng)度和剛度，從而保證扭轉(zhuǎn)梁后橋的基本工作性能和要求。 第六章 論文總結(jié) 第六章 論文總結(jié) 6.1 論文小結(jié) 扭轉(zhuǎn)梁后橋是汽車(chē)后懸架，也是汽車(chē)底盤(pán)的重要組成部分。它的所以結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)性能仿真分析是車(chē)輛系統(tǒng)研究的重要之處，也是大多數(shù)制造商研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。本文對(duì)扭轉(zhuǎn)梁后橋的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仔細(xì)的分析，研究和琢磨。本文研究并且介紹了扭轉(zhuǎn)梁后橋以及其詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程，從基本的參數(shù)計(jì)算，到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而后有限元對(duì)結(jié)構(gòu)性能分析，從而得出結(jié)論，提出改進(jìn)方案。我將論文的研究?jī)?nèi)容和主要成果總結(jié)如下。 （1）首先通過(guò)查閱相關(guān)資料和咨詢(xún)相關(guān)研究人員，獲得了扭轉(zhuǎn)梁橫梁和縱臂的基本參數(shù)，以及根據(jù)制造廠商所提出的技術(shù)要求進(jìn)行了初步的概念設(shè)計(jì)。然后對(duì)扭轉(zhuǎn)梁后橋的相關(guān)特性進(jìn)行了了解和分析，并對(duì)懸架的結(jié)拜呢類(lèi)型和特性進(jìn)行了概括和總結(jié)，并且分析了扭轉(zhuǎn)梁后橋關(guān)鍵部件的基本工作形式。特殊鋼材材料的而選擇和設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了本文一開(kāi)始所提的輕量化設(shè)計(jì)的基本要求。明確了這些基本之后，根據(jù)前期的分析和總結(jié)，以及對(duì)CATIA軟件的基本了解之后，建立了扭轉(zhuǎn)梁后橋的基本三維模型。 （2）扭轉(zhuǎn)梁后橋是半獨(dú)立非驅(qū)動(dòng)橋，是綜合獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架基本特點(diǎn)的一種特殊存在的非獨(dú)立懸架。因?yàn)槠鋬蓚€(gè)懸架之間有具有一定彈性形變的扭轉(zhuǎn)梁連接。其實(shí)現(xiàn)有汽車(chē)與行業(yè)的研究人員和工作者對(duì)汽車(chē)扭轉(zhuǎn)梁后橋以及后懸架都有了充分的研究和了解。而本文所做的是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的總結(jié)，概括和設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程。本文所采用的進(jìn)本參數(shù)所對(duì)應(yīng)的車(chē)型在市面上已經(jīng)很普遍了。對(duì)于扭轉(zhuǎn)梁后橋的研究和技術(shù)分析已經(jīng)相對(duì)很成熟了。所以以后想做關(guān)于技術(shù)方面的工作，還是要不斷的跟著老師做項(xiàng)目，自己也不斷地學(xué)習(xí)和進(jìn)步，要能夠靜下心來(lái)，有那種刻苦鉆研的精神，才能有一個(gè)質(zhì)的飛躍吧。 6.2 論文展望 由于現(xiàn)有資源的限制吧，我們能做的只是獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制三維模型圖，然后進(jìn)行有限元分析。因?yàn)槲覀儧](méi)有生產(chǎn)制作的設(shè)備，要想真正完成制作，還是需要跟相關(guān)廠家進(jìn)行合作。我們能做到的僅僅只是一些設(shè)計(jì)和研究，要想完成在關(guān)于領(lǐng)域的制作還是需要進(jìn)一步的研究，分析和探索的。 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1] 陳家瑞，汽車(chē)構(gòu)造（下冊(cè)）[M]，北京：人民交通出版社，2005.9：221-235 [2] 韓聰，張偉瑋等，預(yù)制坯形狀對(duì)扭力梁內(nèi)高壓成形的影響分析[J]，材料科學(xué)與工藝，2011，8（4）. 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