两种工况下扭力梁式后悬架的优化设计

李健 王小美 沈易晨

摘 要：汽车后悬架作为连接车轮和车身的一种装置，对汽车行驶的安全性能与运动性能都有重要影响。通过对静止、制动两种工况下施加荷载，在有限元模型里添加相应的载荷边界条件并且计算。对后悬架强度不足部位进行合理的结构优化，以期延长悬架结构的疲劳寿命，满足汽车在不同工况下的使用要求。

关键词：后悬架 有限元 结构优化

1 引言

随着生活水平的日益提高与现代科技的不断进步，汽车产业也随之进入快速发展期。汽车后悬架作为连接车轮和车身的一种装置，对汽车行驶的安全性能与运动性能都有不同程度的影响[1]。然而，在实际行驶过程中，由于强度失效引起的扭力梁式后悬架的疲劳损坏，将直接影响驾乘者的安全[2]。

本文采用有限元分析法针对汽车的静止、制动的两种工况进行载荷施加，添加相应的边界条件，求解扭力梁式后悬架的应力情况。针对分析结果，对后悬架强度不足部位进行合理的结构优化，以期延长悬架结构的疲劳寿命，满足汽车在不同工况下的使用要求。

2 悬架工作原理

典型的扭力梁式后悬架主要由5个部分组成：扭转横梁、纵摆臂、弹簧、减震器与轮毂。如图1所示为扭力梁式后悬架的结构图：可将扭转横梁视为有一定扭轉刚度的弹簧，当由悬架连接的两侧车轮在垂直方向上跳动时，扭转横梁发挥其扭转作用，产生一个控制车轮与车身相对位置的反方向的扭矩。由于扭转横梁有一定柔性，可使两侧车轮的运动相对独立。由上所述，扭转横梁可以起到与横向稳定杆同等的作用，从而增加车辆的侧倾刚度，提高了车辆的稳定性[3]。

3 载荷工况的确定

本文的载荷分析中使用静止工况和制动工况这两种典型加载工况。将相应的载荷边界条件施加到已经建好的有限元模型中，并使用求解器对两种工况下的扭力梁式后悬架的静强度进行分析，得出应力云图分布，以便更准确地分析该扭力梁式后悬架的结构强度。

4 强度分析与结构优化

4.1 静止工况

对网格划分完毕的后悬架有限元模型施加相应的约束和载荷，通过计算得出扭力梁式后悬架在静止工况下的应力分布图。如图2所示，最大应力处于弹簧座和纵摆臂耦合处，为567.21MPa，应力集中在扭转横梁中部、扭转横梁两端及其与纵摆臂耦合处、弹簧座底部及其与纵摆臂耦合处。最大应力值567.21MPa比后悬架材料QSTE420的屈服强度420MPa大，导致了强度失效。优化后如图3所示：在扭转横梁中部、扭转横梁两端及其与纵摆臂耦合处、弹簧座的底部及其与纵摆臂耦合处出现了应力集中现象。最大应力处于弹簧座和纵摆臂耦合处，为419.74MPa，小于后悬架材料QSTE420的屈服强度，不会引起强度失效。

4.2 制动工况

制动工况下扭力梁式后悬架的应力分布情况如图4所示。在弹簧座底部附近、扭转横梁端及其与纵摆臂耦合处产生应力集中现象，最大应力处于扭转横梁端和纵摆臂耦合处，为454.16MPa，比后悬架材料QSTE420的屈服强度420MPa大，导致了强度失效。图5显示了优化后制动工况下扭力梁式后悬架的应力分布情况。应力集中于扭转横梁端及其与纵摆臂耦合处，此外，弹簧座底部附近也出现局部应力集中现象，最大应力处于扭转横梁端和纵摆臂耦合处，为408.74MPa，小于后悬架材料QSTE420的屈服强度，不会引起强度失效。

5 结语

本文在ANSYS中导入了悬架分析模型，对结构优化前后两种工况下的应力分布情况及应力值进行对比分析，最大应力分别发生在弹簧座和纵摆臂耦合处、扭转横梁端与纵摆臂耦合处、扭转横梁端与纵摆臂耦合等处。结构优化后的扭力梁式后悬架的应力值减小，符合后悬架的使用要求和强度设计要求。计算结果对汽车扭力梁式后悬架的开发设计具备一定的参考价值。

参考文献：

[1]潘宇，邓帅，何云峰.扭转梁后悬架的强度分析[J].装备制造技术，2014（03）： 173-175.

[2]廖抒华，苏海亮.扭力梁优化分析及动特性研究[J].机械设计与制造，2015（04）：74-76+80.

[3]徐丰.汽车后扭力梁的疲劳分析与研究[D].河北工程大学，2015.