摘要：扭力梁成形工藝有多種，包括板材冷衝壓、管材冷衝壓、管材熱衝壓和管材液壓成形等。為了揭示不同加工工藝對扭力梁使用性能的影響，採用數值模擬和試驗方法，研究採用不同加工工藝成形的扭力梁橫樑截面性能的差異；比較板狀和管狀扭力梁總成模態、剛度、強度和疲勞壽命的不同。結果表明：採用液壓成形工藝製造扭力梁可以提高梁的扭轉剛度和彎曲剛度；採用管狀扭力梁相對於板狀扭力梁可以降低重量，使梁的模態頻率、剛度、強度和疲勞壽命等都得到很大提高，使其產生裂紋的方向平行於橫樑，達到降低疲勞危險的作用。
關鍵詞：板狀扭力梁；管狀扭力梁；液壓成形；模態頻率；疲勞壽命
扭力梁式半獨立後懸架系統發明於20世紀70年代，其中扭力梁是轎車後懸架系統中比較重要的一個部件，其強度、剛度和疲勞壽命的設計是整個後懸架系統的重中之重。典型的扭力梁總成主要由5部分組成：用於承受主要垂直方向和側向力矩扭轉橫樑、焊接在扭轉橫樑左右兩側的縱臂、佈置於縱臂前端用於連接車身的軸套管、彈簧支架和輪轂支架等(圖1)。其作用主要是減振、避振和車輪導向。傳統扭力梁採用板材衝壓成V型(圖2a)，然後在中間增加上穩定杆。最新的結構形式採用管材成形為封閉截面的扭力梁(圖2b)，這種方法成形的零件可以適應空間和承載的需要；扭力梁被設計成空心變截面形式，在提高零件整體強度、剛度和抗彎模量以及耐用性的同時，可以達到減重效果。
對於管狀扭力梁，成形工藝包括冷衝壓、熱衝壓和液壓成形。德國和韓國學者都曾用機械擠壓管材的方法直接成形扭力梁試件，該方法雖然可以降低扭力梁質量以增加截面抗彎模量，但成形精度低，只能適用於形狀簡單的扭力梁零件。韓國學者採用高強鋼22MnB5進行熱衝壓成形後得到了屈服強度和抗拉強度均超過1400MPa的試件，增強了扭力梁的扭轉強度和耐用性。韓國HWASHIN公司申請了熱衝壓成形裝備專利，通過向兩端密封的管內衝入冷卻水進行淬火後，得到馬氏體組織來提高零件的強度和剛度。隨著液壓成形技術的不斷髮展和在汽車零部件製造方面的應用，許多學者開始嘗試採用液壓成形工藝製造扭力梁。採用液壓成形工藝製造扭力梁，不但可以成形複雜截面形式的扭力梁，而且可使其截面連續且變化多樣，適應因載荷不同而提出截面尺寸變化的要求。韓國學者用壁厚為2.6mm的DP590液壓成形出合格的扭力梁試件，與機械擠壓成形相比其零件貼模精度得到很大提高。國內哈爾濱工業大學在扭力梁的液壓成形工藝仿真及試製方面也做了深入的研究。本文采用數值模擬和試驗方法研究不同加工工藝對扭力梁使用性能的影響。
1扭力梁形狀及特點
典型的扭力梁總成主要由5部分組成：軸套管、扭轉橫樑、縱臂、輪轂支架和彈簧支架(圖1)。本文所研製的液壓成形管狀扭力梁單個零件的截面形狀以V型截面為主，其餘為異型截面，如圖3所示。
根據成形工藝的不同，管狀V型截面在圓角部位的形狀有很大不同，這對扭力梁的強度和剛度都有很大的影響。圖4為板狀結構、衝壓管狀結構和液壓成形管狀結構V型截面示意圖。圖5為本文研製的管狀扭力梁零件及採用衝壓和液壓成形而成形的扭力梁的切割截面圖。
2截面性能分析
根據扭力梁後橋的變形特點，橫樑的關鍵變形為扭轉變形和彎曲變形。扭轉變形是在梁的兩端作用大小相等、方向相反且作用平面垂直於杆件軸線的力偶，致使杆件的任意兩個截面都發生繞軸線的相對轉動。彎曲變形是作用於樑上的外力垂直於梁件的軸線，使原為直線的軸線變形後成為曲線。針對圖4中三種截面單體的扭轉變形和彎曲變形，採用ABAQUS進行數值仿真模擬。扭轉和彎曲變形如圖6所示，剛度計算結果見表1。
3扭力梁使用性能分析
為協助國內汽車用戶實現液壓成形技術在扭力樑上的應用，本公司為某汽車廠完成原始衝壓成形板狀扭力梁的改型設計，並進行管材液壓成形方案與常規板材衝壓方案下扭力梁使用性能的仿真比較分析。圖7a和圖7b分別為板狀和管狀扭力梁總成，兩者的區別在於中間橫樑為板衝壓成V型或管液壓成形為V型，管狀扭力梁總成減重10.2%。
採用HypermeshV10.0軟件劃分網格，網格單元採用殼單元，以四邊形為主，三角形為輔。焊縫網格採用殼單元中的四邊形，厚度等於連接的兩個部件厚度平均值。襯套採用彈簧單元CELAS2模擬，各加載硬點採用ＲBE2單元連接。計算時定義的材料參數：彈性模量為2.1×105MPa；泊松比為0.3；密度為7.8×10
－9t·mm－3，建立兩類扭力梁有限元模型。然後採用MD.NASTＲAN和Ncode軟件進行扭力梁使用性能，包括模態、剛度、強度和疲勞的有限元分析。模態是機械結構的固有振動特性。由振動與噪音(NVH)要求，設計時必須測定部件在某一易受影響的頻率範圍內各階主要模態的特性，就可能預言梁結構在此頻段內、在外部或內部各種振源作用下的實際振動響應。模態分析不需要加任何邊界條件，常用解算器為NASTＲANSOL103。提高第一階模態頻率的途徑主要有：
(1)增加材料厚度，增加材料厚度能提高模態但也帶來了扭轉剛度的提高；
(2)扭力梁本體開口朝向，本體開口可以朝前朝後朝上朝下。
圖8為板狀和管狀扭力梁的第一階扭轉和第二階彎曲模態。
在車輛行駛中扭力梁參與扭轉變形，且扭轉剛度與前懸架扭轉剛度必須相匹配，以免影響操縱穩定性能，一般來說，需具有足夠扭轉剛度。剛度分析主要考慮後輪心Z方向的剛度，通常在後輪心硬點加載1kN的載荷，解算器為NASTＲANSOL101。圖9為計算的後輪心Z方向剛度的邊界加載圖，剛度計算結果見表2。
研究結構在常溫條件下承受載荷的能力，常以應力值的大小來衡量。採用運動學分析來獲得扭力梁各硬點的載荷輸入(包括力和力矩)，利用有限元分析評判設計方案的合理性，常用解算器NASTＲANSOL101。圖10為典型的扭轉工況“過左側單側深坑工況”計算應力雲圖。
對於扭力梁，常通過臺架試驗疲勞來預測疲勞壽命。每種疲勞試驗會規定相應的載荷大小，載荷頻率，設計開發階段可通過有限元Ncode進行仿真。圖11是輪轂支架端上下運動，位移量上下均為40mm(即±40mm)二縱臂相位相反的疲勞壽命圖，要求30萬次循環不得有裂縫。
從仿真結果看，兩類梁都滿足30萬次疲勞壽命要求，但裂紋方向不同：板狀扭力梁疲勞裂紋垂直於橫樑，比較危險；而管狀扭力梁裂紋平行於橫樑。實際中，兩類扭力梁疲勞裂紋常見形式見圖12。
4結論
(1)冷衝壓管狀V型截面比板狀V型截面扭轉剛度提高107%，彎曲剛度提高32.1%；液壓成形管狀V型截面比冷衝壓管狀V型截面扭轉剛度提高43.6%，彎曲剛度提高11.1%。
(2)管狀扭力梁總成相對於板狀扭力梁總成減重10.2%。
(3)管狀扭力梁相對於板狀扭力梁，第一階扭轉模態提高30.2%，第二階模態提高8.8%，第一階模態的提高有利於避開地面激勵。
(4)管狀扭力梁相對於板狀扭力梁，後輪心Z方向剛度提高69.8%。
(5)管狀扭力梁相對於板狀扭力梁，“過左側單側深坑工況”下強度提高33.5%。
(6)管狀扭力梁相對於板狀扭力梁，裂紋方向平行於橫樑，一旦裂紋產生危險性降低。
(上海寶鋼國際經濟貿易有限公司技術發展部)
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