轻量化管状扭力梁横梁研究

张骁杰，李卫华，刘俊祥，史东杰，刘攀

(长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

轻量化管状扭力梁横梁研究

张骁杰，李卫华，刘俊祥，史东杰，刘攀

(长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

介绍了扭力梁横梁应用现状，并从结构、工艺和材料3个方面介绍具有良好轻量化效果的管状扭力梁横梁，包括封闭截面结构，内高压成形、热压成形、钢管冷冲压等成形工艺，热处理工艺及高强钢、热成形钢和差厚管等先进材料的应用。

轻量化管状扭力梁横梁；应用现状；封闭结构；成形工艺

0 引言

为了缓解燃油供应矛盾、减少尾气排放、改善大气环境，2014 年底，国家发布强制性标准要求乘用车平均燃料消耗量在2020年下降至5 L/100 km[1]。据研究表明，汽车每减质量100 kg，油耗可降低(0.3～0.6) L/100 km，CO2排放量可减少约5 g/km[2]。基于降低油耗增强汽车竞争力、满足国家法规要求，以及车重较大的SUV车型在国内乘用车市场份额持续增加的现状,汽车的轻量化设计愈发重要。

扭力梁式悬架发明于20世纪70年代，因结构简单、节省空间、成本低廉等优势广泛应用在小型乘用车中，且近年来应用比例呈上升趋势。据某公司统计：2011年国内乘用车中应用扭力梁式悬架的车型占比40.72%，2012年国内乘用车中应用扭力梁式悬架的车型占比42.57%，扭力梁式悬架应用比例环比增加近2%。因此，作为扭力梁式悬架中重要零件的扭力梁横梁的轻量化意义重大。

1 扭力梁横梁应用现状

通过调研国内外汽车品牌的六十余款主流车型了解到，管状扭力梁横梁的应用已不在少数，并且呈上升趋势。欧系车型和韩系车型中钢板冷冲压扭力梁应用较多，管状扭力梁应用较少。日系车型和美系车型中管状扭力梁应用较多，其中日系车型中以应用内高压成形扭力梁为主，美系车型中应用内高压成

形和钢管冷冲压成形扭力梁的情况都比较普遍。另外，自主品牌中应用管状扭力梁的车型也在增加，如长安、长城和一汽等汽车厂均有管状扭力梁应用或正在开发。由于管状扭力梁横梁在轻量化方面的优势，近年来国内外汽车厂纷纷加强对管状扭力梁横梁的开发与应用力度，如本田飞度由第二代车型的钢板冷冲压扭力梁横梁变更为第三代车型的管状扭力梁横梁，新一代标致308也由之前的钢板冷冲压扭力梁横梁变更为管状扭力梁横梁。图1为调研结果中各系车型钢板冷冲压扭力梁横梁和管状扭力梁横梁应用比例。表1为部分车型的扭力梁横梁结构。

车系品牌车型管状扭力梁横梁钢板冷冲压扭力梁横梁欧系菲亚特菲翔√大众朗逸√斯柯达明锐√美系雪佛兰赛欧√福特翼博√嘉年华√日系丰田卡罗拉√本田缤智√日产轩逸√韩系现代瑞纳√起亚K3√自主比亚迪速锐√长安奔奔√中华骏捷√

2 管状扭力梁横梁形式及特点

根据截面形式将扭力梁横梁分为开口截面的钢板冷冲压扭力梁横梁和封闭截面的管状扭力梁横梁。钢板冷冲压扭力梁横梁一般采用6 mm左右厚的钢板或使用4～5 mm厚的钢板配合横向稳定杆，其结构与截面见图2；管状扭力梁横梁的壁厚一般为3 mm左右，其结构与截面如图3所示。

钢板冷冲压扭力梁横梁的材料利用率约60%，而管状扭力梁横梁由于采用管材作为原材料，其材料利用率可达到85%左右。表2为管状扭力梁横梁应用的工艺及材料。基于管状扭力梁横梁在提升零件性能和轻量化方面的优势，某司针对管状扭力梁横梁进行过技术预研。预研结果表明：在满足强度、刚度、模态和疲劳寿命等设计需求的前提下，表1内的几种管状扭力梁相较于钢板冷冲压扭力梁质量降低15%～25%，材料利用率提高20%～30%，焊缝长度减少20%左右。

表2 管状扭力梁横梁工艺及材料应用情况

2.1 管状扭力梁横梁结构

结构优化是实现零件轻量化的重要手段[3]。由于管状扭力梁横梁的封闭截面结构，一方面扭力梁横梁和两侧纵臂可以完全焊合；另一方面提高了扭力梁性能，使扭力梁拥有更高的强度、刚度和疲劳寿命[4]，可节省横向稳定杆和部分加强件，降低了扭力梁总成零件数量和总成质量。

2.2 管状扭力梁横梁成形工艺

管状扭力梁横梁的成形工艺有钢管冷冲压成形、热压成形和内高压成形。

钢管冷冲压成形工艺通过对冲压过程的精确控制得到符合使用要求的管状扭力梁横梁。其成形工序主要为预成形整→成形→裁边。由于不需要费用高昂的设备，且成形工艺简单，扭力梁横梁成本较低。若希望得到性能更优的零件，也可对成形后的扭力梁横梁进行热处理，如去应力退火或淬火+回火[5]处理。通过验证可知：采用去应力退火处理可提高扭力梁疲劳寿命20%以上，采用淬火+回火处理可提高扭力梁疲劳寿命50%以上。

热压成形扭力梁横梁[6]的成形过程与钢管冷冲压成形类似，不同之处在于成形过程中材料处于高温状态。高温下材料具有较高的流变性能，更易成形，另一方面还可以有效克服室温成形时回弹大等缺点。成形后，材料在冷却作用下完成淬火过程，形成强度很高的马氏体组织，大幅提升了扭力梁横梁的强度和耐久等性能。

内高压成形工艺的原理是以金属管材为毛坯，向密封的管材内注入液体介质，使管材内部产生高压，同时对管材两端施加轴向力进行补料。在两种外力作用下，管材发生塑性变形，并得到形状与精度均符合要求的扭力梁横梁[7]。相比前两种工艺，内高压成形扭力梁横梁的精度更高，结构设计更加自由，更适合于沿轴向截面变化复杂的扭力梁横梁的加工。例如，昂克拉四驱车型为了避让传动轴采用的弯曲扭力梁横梁就是应用内高压成形工艺成形。

2.3 管状扭力梁横梁材料

目前，轻质合金相比于钢材在成本和强度上都存在劣势，扭力梁横梁应用的主流材料仍是钢材，而扭力梁横梁的轻量化需要使用更高强度的钢材。随着各种高强钢的应用，扭力梁横梁用材强度水平已经普遍达到500～800 MPa级别；当使用热成形钢时，甚至可以达到1 800 MPa级别。某国外公司使用热成形钢(22MnB5)量产出1 500 MPa强度级别管材扭力梁横梁。扭力梁横梁应用比较普遍的材料及性能见表3。

表3 材料牌号及性能

另一方面，随着柔性轧制技术的发展，出现了使用差厚管(Tailor Rolled Tube)的扭力梁横梁，见图4。差厚管可以针对零件的应力分布和材料减薄等情况进行材料厚度的定制化生产，用以避免扭力梁横梁局部出现应力峰值和改善不同部位变形程度差异造成的减薄率不均。德国某公司将其灵活地应用在扭力梁横梁上，对改善扭力梁横梁的减薄率和降低质量有很大的帮助。

3 结束语

(1)管状扭力梁横梁在国内车型上的应用已不在少数，并且呈上升趋势。

(2)相较于钢板冷冲压成形扭力梁横梁，管状扭力梁横梁具有质量降低15%～25%、材料利用率提高20%～30%等优势。

(3)结构的不断优化以及各种新材料、新工艺的成熟应用会进一步提升扭力梁的轻量化效果。

【1】甄文媛.当产量套上油耗紧箍咒[J].汽车纵横,2014(11):62-64.

【2】耿培林,白骏，杨保华.汽车轻量化的发展及前景探究[J].科协论坛(下半月),2012 (3)：64-65.

【3】万年.轿车后悬架扭转梁性能分析与轻量化设计[D].长春:吉林大学,2014.

【4】陈仙风,陈智勇，苏海波.不同成形工艺对扭力梁横梁使用性能的影响研究[J].锻压技术,2014(3)：112-116.

【5】胡素文.汽车扭力梁横梁高频淬火装置的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.

【6】张伟玮,韩聪，苑世剑.高强钢22MnB5扭力梁横梁热成形热力耦合数值模拟[J].材料科学与工艺,2014(3)：16-22.

【7】许桦.内高压成形管件在汽车上的应用[J].汽车零部件,2012(3)：52-55.

Research on the Lightweight Tubular Torsion Beam

ZHANG Xiaojie, LI Weihua, LIU Junxiang, SHI Dongjie, LIU Pan

(R & D Center of Great Wall Motor Company, Automotive Engineering TechnicalCenter of Hebei, Baoding Hebei 071000, China)

The application situation of the tubular torsion beam was introduced, and the lightweight tubular torsion beam was explained from the structure, process and material,including the closed cross-section, hydroforming, hot stamping, cold stamping,heat treatment and high-strength steel, press-hardened steel, tailor rolled tube.

Lightweight tubular torsion beam; Application status; Closed cross-section; Forming process

2015-07-19

张骁杰(1991—)，男，学士，助理工程师，主要研究方向为钢材原材料验证、新材料新工艺推广应用。E-mail：746069054@qq.com。