扭轉梁的剛度和疲勞實驗方法研究

楊麗群,戴聲良

1.安徽交通職業技術學院汽車與機械工程系,安徽合肥，230051 2.上海汽車集團商用車技術中心，上海，200438

扭轉梁的剛度和疲勞實驗方法研究

楊麗群1,戴聲良2

1.安徽交通職業技術學院汽車與機械工程系,安徽合肥，230051 2.上海汽車集團商用車技術中心，上海，200438

摘要：設計了一種新的扭梁扭轉剛度測試臺架和裝夾方式，提出了帶襯套和不帶襯套兩種測試方法測定剛度扭轉梁，測試結果表明，不帶襯套的焊接總成扭轉剛度比帶襯套的總成扭轉剛度高22%左右。開發和建立整車受力計算模型，解析出扭轉梁懸架四大工況的輪心處各向力，并用于扭梁的疲勞實驗。提出扭梁后懸架總成的反向輪跳疲勞、同向跳動疲勞、側向力、縱向力四大常用的疲勞實驗工裝設計和實驗方法，并給出了對應的判斷標準。

關鍵詞：扭梁；剛度；疲勞

扭轉梁結構是由兩個拖曳臂(輪心位于襯套之后)通過一根橫梁連接起來的剛性結構。這種后懸架形式，依靠橫梁自身結構的大的彈性變形來實現整車后懸架特性的控制。扭轉梁結構的優點主要是：在設計完善的前提下，具備良好的懸架運動特性，占用的底盤空間體積小，方便車體的布置，能夠增加后備箱空間；模塊化程度高，組成零件少，制造成本低，裝配工藝簡單。主要的缺點是：設計過程復雜，需要同時考慮強度、壽命和相關的懸架特性；由于后橫梁的存在，不太適用于布置后驅或四驅；扭轉梁襯套設計復雜，該襯套既控制縱向柔性，又要控制側向剛度，還要保持后軸的不足轉向特性[1]，所以扭梁整體結構設計和驗證過程比較復雜。

對扭轉梁設計的探討已有一些有意義的成果，文獻[2]分析扭梁懸架和多連桿懸架的優缺點，并研究了如何將多連桿懸架改為扭梁懸架。文獻[3-4]通過建立多體動力學模型，對扭梁懸架進行KC特性仿真分析。也有從強度分析基礎出發，對扭梁進行拓步優化，提升強度[5]。但是，目前對實驗方法的研究較少[6]，而對扭梁臺架實驗設計的研究更少[7]。文獻[8]采用WEIBULL++軟件給出疲勞次數和可靠度的分布曲線，設計相應的疲勞實驗，但是疲勞實驗的工況只有反向輪跳疲勞，不夠全面，而且該軟件通用化程度不高。本文從扭梁的剛度測試和疲勞實驗出發，研究扭梁的相關實驗方法、裝夾方式和結果判斷等，特別是提出了帶襯套和不帶襯套的兩種線剛度測試方法，為扭梁的實驗測試提供了較好的指導。

1扭梁懸架的受力分析

后扭轉梁總成包含兩個焊接在扭力橫梁上并且通過襯套固定在車身上的縱梁，該梁吸收所有垂直方向和側向的力矩，而且因為車輪中心偏置的原因，而承受一定的扭轉力矩。左右車輪在上下運動時，橫梁會扭轉變形，同時具有穩定桿的作用。所有作用于后懸架上的載荷都是整車載荷，靜態或動態慣性作用于后軸上，通過后軸傳遞到車輪而接地面。輸入正確的估算整車重量、載荷的轉移、軸距、輪距、輪胎接地面積，就可以計算出整車在滿載(G)時的各種受力情況。具有代表性的是以下幾種工況：上跳極限：3.5G，轉彎：1G,制動：1G,靜止起步1G。但大多數情況下，輸入載荷都是多個方向混合，且低于極限工況，經常是軸發生扭轉時，所以在通常情況下還包含復合工況:“垂直3.5G+轉彎1G+制動1G”。扭梁的懸架受力大小運用相關計算模型，將整車的各項基本參數輸入后，設定每個工況的加速度G值，各個輪胎接地點處的靜態加載受力結果會自動計算出來，如圖1所示。然后將各工況的力加載到ADMAS模型或者HYPERMESH等分析軟件中進行強度和疲勞實驗。

2扭轉梁的扭轉剛度實驗設計

在扭轉梁設計中，即使硬點設計，扭梁本身結構的不同、焊接位置不同，也對扭梁的性能產生很大的影響，如用帶襯套和不帶襯套測量它的扭轉剛度也會產生不同的結果。不帶襯套測試時，需要把襯套壓出來，重新設計一個轉動軸套在襯套原來位置，其尺寸基本和原襯套的一樣，但需要注意的是轉動軸和襯套外套管之間不應存在轉動摩擦阻力，更不能過盈壓裝，否則會影響測試效果，實際測量時，此處涂抹潤滑油。襯套夾緊工裝如圖2所示，該測試工裝設計有4個安裝座，襯套位置的座是固定座，輪轂端的座是支撐座，在實驗時移走。按整車位置將扭梁倒扣裝在座子上，輪邊設計一個半軸法蘭，固定在輪轂端面。該半軸法蘭為加載點，扭梁前端與工裝的鎖緊力矩為135N·m。測試時，主要是對兩端軸加載反向的位移，垂直加載，左、右相位差180°，行程從0～40mm,左右側交替加載往復為1次。記錄載荷、輪心點位移、輪心點相對扭力梁安裝中心轉動的角度的變化，輪心位移2mm,記錄一次數據，每組測試5次，取線剛度和角剛度的平均值。

圖1　扭轉梁的受力分析和靜態載荷計算模型

兩種不同扭梁的對比測試結果如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，對同一個扭梁A，帶襯套的剛度比不帶襯套的剛度要小，帶襯套扭梁輪心處的線剛度為31.4N/mm，而不帶襯套的扭梁剛度為40.2N/mm，可見，襯套消弱了扭梁的剛度，兩者差值在21.9%左右。從另一個方面可以看，帶襯套的扭梁剛度一致性較好，曲線近似光滑曲線，說明加載能量沒有損耗，做功全部用在輪心處變形。但不帶襯套的剛度曲線明顯存在一個包絡，其包含的面積就是能量損失，即加載的功有一部分轉化為其他形式，如剛套和固定軸之間的摩擦生熱等形式。實際上，A和B扭梁在5次測試中，每次不帶襯套時剛度的散差都比較大，而帶襯套的剛度測試結果相對穩定。

圖2 剛度測試工裝

圖3　A扭梁輪心處線剛度對比測試結果

圖4　B扭梁輪心處線剛度對比測試結果

綜上可以看出，扭梁的剛度以帶襯套檢測的結果為準，可作為焊接總成的剛度參考。

3扭梁后懸架總成的疲勞實驗

3.1反向加載疲勞實驗

將后扭轉梁樣件總成按實際安裝狀態安裝于實驗臺上，支點為橡膠襯套，支點能轉動，以適應加載變形而不產生運動干涉。將彈簧和減震器安裝好后，液壓缸1和2對兩邊輪心處施加力，加力方向為垂直方向，力縱向力或者側向力，或者復合加載，如圖5。但是因為實驗室空間有限，在實驗室無法垂直加載時，可以將整個裝配總成繞Y軸方向旋轉90°，這樣垂直加載可以很方便地變成水平加載。當做側向力加載時，同樣將工裝繞Z軸轉90°，縱向力可以維持水平加載不變。

圖5　反向輪跳工裝加載示意圖

反向輪跳加載的工況條件，以懸架總行程中間位置為平衡位置，使液壓加振器在后扭轉梁總成連同相關連接部件組成的懸架裝置的兩側進行上下異向加載，通常分兩大類：常用行程的加載一般行程A=±40mm，模擬絕大部分工況的扭梁使用條件;惡劣工況下加載行程為±Bmm，推薦2B=懸架行程的80%，即最大扭轉時一邊行程為+Bmm，另一邊行程為-Bmm，頻率為1Hz。一般B=±(60～80)mm，如圖6。

圖6　載荷振幅曲線

上述工況耐久組合，次數也不同，反向加載行程在±Amm條件下進行10萬次加振，反向加載行程為±Bmm條件下進行1000次加振，為一個耐久循環，按以上循環模式反復加振，后扭轉梁總成在進行30萬次扭轉行程±Amm循環和進行3000次扭轉行程±Bmm循環后，不允許產生明顯的永久變形或出現裂紋。

3.2同向加載疲勞實驗

使液壓缸對懸架裝置的負荷為單輪2.5倍滿載力，從測力傳感器輸出決定行程，實驗在測力傳感器從0～2.5倍滿載負荷的沖程下進行加振，頻率1Hz。進行50萬次加振內不允許產生嚴重變形或出現裂紋。

3.3縱向力加載疲勞實驗

縱向力的加載是左右同幅度的，力的加載位置在輪胎接地點，距輪心相當于輪胎的滾動半徑，這需要增加一個工裝，如圖7所示。縱向制動力為向X-，縱向驅動力為X+向。前進時，在制動負荷條件下進行1萬次加振；驅動時，在驅動力作用下進行1000次加振。按以上循環模式進行反復加振,總成經30萬次循環制動和3萬次循環后驅動內不允許產生明顯的永久變形或出現裂紋。

圖7　制動力加載工裝示意圖

3.4轉彎側向力疲勞實驗

側向力和垂直力加力點為輪胎滾動半徑與地面的接點處，加載方向應與左右輪心連線平行，兩邊液壓缸施加力方向相同。一端側向加載N1，垂向加載N2；另一端側向加載N3,垂向加載N4進行正式實驗，頻率1Hz，如圖8所示。后扭轉梁總成在進行30萬次循環內不允許產生明顯的永久變形或出現裂紋。如果實驗條件不滿足，建議只加側向力進行臺架實驗。

圖8 轉彎側向力加載工裝示意圖

4結束語

扭梁的剛度測試方法有帶橡膠襯套和不帶襯套測試。考察總成剛度和焊接總成的剛度，本文中的對比測試結果表明，壓裝襯套的扭梁總成扭轉剛度比未壓裝襯套的焊接總成的扭轉剛度小約20%。另外，測試的工裝設計和裝夾方式對測試結果也存在一定的影響，在測試過程中，工裝夾具之間的摩擦越小越好。本文還提出了同向輪跳、反向輪跳、縱向力、側向力的疲勞實驗臺架設計，并給出了相應的試驗結果的判斷標準，為扭梁的剛度測試和后扭梁式懸架總成的疲勞試驗提供了一種有效的實驗方法。

參考文獻：

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(責任編輯：汪材印)

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2016.05.030

收稿日期：2016-02-09

作者簡介：楊麗群(1981—)，女，安徽安慶人，碩士研究生，講師，主要研究方向：汽車維修與檢測。

中圖分類號：U463.82

文獻標識碼：A

文章編號：1673-2006(2016)05-0112-04