扭转梁的刚度和疲劳实验方法研究

杨丽群,戴声良

1.安徽交通职业技术学院汽车与机械工程系,安徽合肥，230051 2.上海汽车集团商用车技术中心，上海，200438

扭转梁的刚度和疲劳实验方法研究

杨丽群1,戴声良2

1.安徽交通职业技术学院汽车与机械工程系,安徽合肥，230051 2.上海汽车集团商用车技术中心，上海，200438

摘要：设计了一种新的扭梁扭转刚度测试台架和装夹方式，提出了带衬套和不带衬套两种测试方法测定刚度扭转梁，测试结果表明，不带衬套的焊接总成扭转刚度比带衬套的总成扭转刚度高22%左右。开发和建立整车受力计算模型，解析出扭转梁悬架四大工况的轮心处各向力，并用于扭梁的疲劳实验。提出扭梁后悬架总成的反向轮跳疲劳、同向跳动疲劳、侧向力、纵向力四大常用的疲劳实验工装设计和实验方法，并给出了对应的判断标准。

关键词：扭梁；刚度；疲劳

扭转梁结构是由两个拖曳臂(轮心位于衬套之后)通过一根横梁连接起来的刚性结构。这种后悬架形式，依靠横梁自身结构的大的弹性变形来实现整车后悬架特性的控制。扭转梁结构的优点主要是：在设计完善的前提下，具备良好的悬架运动特性，占用的底盘空间体积小，方便车体的布置，能够增加后备箱空间；模块化程度高，组成零件少，制造成本低，装配工艺简单。主要的缺点是：设计过程复杂，需要同时考虑强度、寿命和相关的悬架特性；由于后横梁的存在，不太适用于布置后驱或四驱；扭转梁衬套设计复杂，该衬套既控制纵向柔性，又要控制侧向刚度，还要保持后轴的不足转向特性[1]，所以扭梁整体结构设计和验证过程比较复杂。

对扭转梁设计的探讨已有一些有意义的成果，文献[2]分析扭梁悬架和多连杆悬架的优缺点，并研究了如何将多连杆悬架改为扭梁悬架。文献[3-4]通过建立多体动力学模型，对扭梁悬架进行KC特性仿真分析。也有从强度分析基础出发，对扭梁进行拓步优化，提升强度[5]。但是，目前对实验方法的研究较少[6]，而对扭梁台架实验设计的研究更少[7]。文献[8]采用WEIBULL++软件给出疲劳次数和可靠度的分布曲线，设计相应的疲劳实验，但是疲劳实验的工况只有反向轮跳疲劳，不够全面，而且该软件通用化程度不高。本文从扭梁的刚度测试和疲劳实验出发，研究扭梁的相关实验方法、装夹方式和结果判断等，特别是提出了带衬套和不带衬套的两种线刚度测试方法，为扭梁的实验测试提供了较好的指导。

1扭梁悬架的受力分析

后扭转梁总成包含两个焊接在扭力横梁上并且通过衬套固定在车身上的纵梁，该梁吸收所有垂直方向和侧向的力矩，而且因为车轮中心偏置的原因，而承受一定的扭转力矩。左右车轮在上下运动时，横梁会扭转变形，同时具有稳定杆的作用。所有作用于后悬架上的载荷都是整车载荷，静态或动态惯性作用于后轴上，通过后轴传递到车轮而接地面。输入正确的估算整车重量、载荷的转移、轴距、轮距、轮胎接地面积，就可以计算出整车在满载(G)时的各种受力情况。具有代表性的是以下几种工况：上跳极限：3.5G，转弯：1G,制动：1G,静止起步1G。但大多数情况下，输入载荷都是多个方向混合，且低于极限工况，经常是轴发生扭转时，所以在通常情况下还包含复合工况:“垂直3.5G+转弯1G+制动1G”。扭梁的悬架受力大小运用相关计算模型，将整车的各项基本参数输入后，设定每个工况的加速度G值，各个轮胎接地点处的静态加载受力结果会自动计算出来，如图1所示。然后将各工况的力加载到ADMAS模型或者HYPERMESH等分析软件中进行强度和疲劳实验。

2扭转梁的扭转刚度实验设计

在扭转梁设计中，即使硬点设计，扭梁本身结构的不同、焊接位置不同，也对扭梁的性能产生很大的影响，如用带衬套和不带衬套测量它的扭转刚度也会产生不同的结果。不带衬套测试时，需要把衬套压出来，重新设计一个转动轴套在衬套原来位置，其尺寸基本和原衬套的一样，但需要注意的是转动轴和衬套外套管之间不应存在转动摩擦阻力，更不能过盈压装，否则会影响测试效果，实际测量时，此处涂抹润滑油。衬套夹紧工装如图2所示，该测试工装设计有4个安装座，衬套位置的座是固定座，轮毂端的座是支撑座，在实验时移走。按整车位置将扭梁倒扣装在座子上，轮边设计一个半轴法兰，固定在轮毂端面。该半轴法兰为加载点，扭梁前端与工装的锁紧力矩为135N·m。测试时，主要是对两端轴加载反向的位移，垂直加载，左、右相位差180°，行程从0～40mm,左右侧交替加载往复为1次。记录载荷、轮心点位移、轮心点相对扭力梁安装中心转动的角度的变化，轮心位移2mm,记录一次数据，每组测试5次，取线刚度和角刚度的平均值。

图1　扭转梁的受力分析和静态载荷计算模型

两种不同扭梁的对比测试结果如图3和图4所示。从图3可以看出，对同一个扭梁A，带衬套的刚度比不带衬套的刚度要小，带衬套扭梁轮心处的线刚度为31.4N/mm，而不带衬套的扭梁刚度为40.2N/mm，可见，衬套消弱了扭梁的刚度，两者差值在21.9%左右。从另一个方面可以看，带衬套的扭梁刚度一致性较好，曲线近似光滑曲线，说明加载能量没有损耗，做功全部用在轮心处变形。但不带衬套的刚度曲线明显存在一个包络，其包含的面积就是能量损失，即加载的功有一部分转化为其他形式，如刚套和固定轴之间的摩擦生热等形式。实际上，A和B扭梁在5次测试中，每次不带衬套时刚度的散差都比较大，而带衬套的刚度测试结果相对稳定。

图2 刚度测试工装

图3　A扭梁轮心处线刚度对比测试结果

图4　B扭梁轮心处线刚度对比测试结果

综上可以看出，扭梁的刚度以带衬套检测的结果为准，可作为焊接总成的刚度参考。

3扭梁后悬架总成的疲劳实验

3.1反向加载疲劳实验

将后扭转梁样件总成按实际安装状态安装于实验台上，支点为橡胶衬套，支点能转动，以适应加载变形而不产生运动干涉。将弹簧和减震器安装好后，液压缸1和2对两边轮心处施加力，加力方向为垂直方向，力纵向力或者侧向力，或者复合加载，如图5。但是因为实验室空间有限，在实验室无法垂直加载时，可以将整个装配总成绕Y轴方向旋转90°，这样垂直加载可以很方便地变成水平加载。当做侧向力加载时，同样将工装绕Z轴转90°，纵向力可以维持水平加载不变。

图5　反向轮跳工装加载示意图

反向轮跳加载的工况条件，以悬架总行程中间位置为平衡位置，使液压加振器在后扭转梁总成连同相关连接部件组成的悬架装置的两侧进行上下异向加载，通常分两大类：常用行程的加载一般行程A=±40mm，模拟绝大部分工况的扭梁使用条件;恶劣工况下加载行程为±Bmm，推荐2B=悬架行程的80%，即最大扭转时一边行程为+Bmm，另一边行程为-Bmm，频率为1Hz。一般B=±(60～80)mm，如图6。

图6　载荷振幅曲线

上述工况耐久组合，次数也不同，反向加载行程在±Amm条件下进行10万次加振，反向加载行程为±Bmm条件下进行1000次加振，为一个耐久循环，按以上循环模式反复加振，后扭转梁总成在进行30万次扭转行程±Amm循环和进行3000次扭转行程±Bmm循环后，不允许产生明显的永久变形或出现裂纹。

3.2同向加载疲劳实验

使液压缸对悬架装置的负荷为单轮2.5倍满载力，从测力传感器输出决定行程，实验在测力传感器从0～2.5倍满载负荷的冲程下进行加振，频率1Hz。进行50万次加振内不允许产生严重变形或出现裂纹。

3.3纵向力加载疲劳实验

纵向力的加载是左右同幅度的，力的加载位置在轮胎接地点，距轮心相当于轮胎的滚动半径，这需要增加一个工装，如图7所示。纵向制动力为向X-，纵向驱动力为X+向。前进时，在制动负荷条件下进行1万次加振；驱动时，在驱动力作用下进行1000次加振。按以上循环模式进行反复加振,总成经30万次循环制动和3万次循环后驱动内不允许产生明显的永久变形或出现裂纹。

图7　制动力加载工装示意图

3.4转弯侧向力疲劳实验

侧向力和垂直力加力点为轮胎滚动半径与地面的接点处，加载方向应与左右轮心连线平行，两边液压缸施加力方向相同。一端侧向加载N1，垂向加载N2；另一端侧向加载N3,垂向加载N4进行正式实验，频率1Hz，如图8所示。后扭转梁总成在进行30万次循环内不允许产生明显的永久变形或出现裂纹。如果实验条件不满足，建议只加侧向力进行台架实验。

图8 转弯侧向力加载工装示意图

4结束语

扭梁的刚度测试方法有带橡胶衬套和不带衬套测试。考察总成刚度和焊接总成的刚度，本文中的对比测试结果表明，压装衬套的扭梁总成扭转刚度比未压装衬套的焊接总成的扭转刚度小约20%。另外，测试的工装设计和装夹方式对测试结果也存在一定的影响，在测试过程中，工装夹具之间的摩擦越小越好。本文还提出了同向轮跳、反向轮跳、纵向力、侧向力的疲劳实验台架设计，并给出了相应的试验结果的判断标准，为扭梁的刚度测试和后扭梁式悬架总成的疲劳试验提供了一种有效的实验方法。

参考文献：

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[8]高丽萍．后扭转梁扭转疲劳试验可靠性认证方案[J]．上海汽车，2013(7)：9-11

[9]丁能根，张宏兵，冉晓凤，等．横向稳定杆性能计算及其影响因素分析[J]．汽车技术，2007(2)：19-22

(责任编辑：汪材印)

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2016.05.030

收稿日期：2016-02-09

作者简介：杨丽群(1981—)，女，安徽安庆人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：汽车维修与检测。

中图分类号：U463.82

文献标识码：A

文章编号：1673-2006(2016)05-0112-04