CN103358841B - 汽车悬架系统的摆臂及相应的悬架系统和汽车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车悬架系统的摆臂，及相应的汽车悬架系统和汽车，该摆臂包括摆臂本体，摆臂本体采用中空式的框架结构，且在该框架结构形成的中空部分中设置有与该框架结构一体成型的三条首尾相连的加强筋，且该三条首尾相连的加强筋形成中空的三角形。该框架结构形成的中空部分中还可包括与框架结构一体成型的至少一条辅助的加强筋，辅助的加强筋的其中一端与其它加强筋的一端相连，另一端与框架结构相连。本发明相对于中空式锻件改善了摆臂的受力情况，刚度、强度大大提高，保证了足够的使用寿命，并且屈曲特性良好；相对于实心式锻件有效地减轻了重量，优化了性能，有利于整车的平顺性。

Description

汽车悬架系统的摆臂及相应的悬架系统和汽车

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体涉及一种汽车悬架系统的摆臂，及具有该摆臂的汽车悬架系统，和采用该悬架系统的汽车。

背景技术

汽车的双横臂式、麦弗逊式等多种悬架结构中都有下摆臂，起导向和支撑作用，除了承受和传递各方向的力外，还影响前束、外倾等定位参数，控制车轮运动轨迹。

传统的双横臂悬架下摆臂本体多采用锻造实心结构，但由于国内锻造工艺水平有限，加之设备稳定性等因素，对于截面大、形状复杂的大型锻件，对锻造设备及工艺水平都提出了很高的要求，此外无法实现臂厚与筋成比例锻薄的工艺。如果下摆臂采用实心结构且臂厚大，必然会使重量增加。下摆臂重量是簧下质量的一部分，簧下质量的增加不利于平顺性。而如果设计成完全中空式的框架结构，则强度弱且疲劳寿命短。

随着能源、动力装备快速发展，我国经济对大型铸锻件的需求越来越迫切。但与发达国家相比，我国大型铸锻件在产品品种、质量等级、工艺水平、制造装备等方面存在较大差距，很多产品无法生产，受制于人。机械制造业中的船舶工业、核电设备所用的铸锻件多依赖进口。汽车制造业虽然通过引进技术买到了一些装备，但仍不能满足市场中部分常见产品的参数要求，以至于国产件性能与进口件存在较大差异。

图1示出了现有技术中常用的几种锻件的截面。例如锻件在分模面上的投影面积为800～1000cm²时，腹板最小厚度S为8～10mm。根据锻件筋的高宽比限制及筋高h与筋之间的最小距离a的比例要求，大型锻件筋越高，臂厚越小，就会越难锻造。即使是中小型锻件，若臂厚(即厚度S)小于5mm也很难锻造，因为锻造分型面将占用约3mm的厚度。此外模具磨损、锻压设备能力不足更容易出现越锻越厚的问题。目前该领域产品还仅局限在制造中小型臂厚较大的锻件。

为了解决锻件臂厚过大造成的浪费，使锻造工序简化，减小锻造设备的吨位，如何进行轻量化改进设计是关键。途径一般有两条，一是采用轻型材料(铝合金材质代替钢材质)；二是改变结构。由于铝合金的弹性模量比钢小，更换材料减重必须保证零件的应力和变形大小与减重前相差不大，因此，无论钢材、铝材最终还是需要改进结构来达到性能目标。

在汽车制造中，传统制造材料中钢材仍占有重要地位。钢的优点是：结构强度高、成形性好、具有良好的能量吸收性能、回收利用方便等，鉴于目前悬架结构中仍然多采用钢材作为原材料，为了扩大适用范围，基于锻钢材料设计怎样的摆臂截面形状非常重要，目前常见的摆臂截面形状有“A型”和“V型”。

现有技术采用的实心或中空结构的摆臂存在下列缺点：

1、锻造实心结构的摆臂：由于国内工艺水平限制，锻件臂厚无法做到5mm以下，且随着模具损耗越锻越厚，产品增重明显，强度、刚度过大，且在实车碰撞中表现为屈曲载荷过大，即结构不易屈曲，不能较好的通过变形等方式来衰减碰撞冲击载荷，起到吸能保护作用。

如果摆臂在一定载荷下未屈曲，则冲击力将直接加载到相应的连接螺栓。如果螺栓突然断裂，则汽车行驶中将没有预警，没有反应时间。若摆臂在一定载荷下产生屈曲，则对螺栓起到过载保护，如果螺栓不断裂，则机构整体仍然保持连接状态，摆臂变形吸能会通过转向轮偏转等方式使驾驶者感觉到故障，从而可以采取减速、停车等措施将事故损坏降至最低。

2、锻造中空结构的摆臂：当Z向承载较大时，中空结构不能满足某些工况对刚度的要求，结构整体强度弱且疲劳寿命短，失效方式为中部断裂，是极为危险的失效模式。

发明内容

本发明的方面和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

为克服现有技术中存在的摆臂锻造臂厚较大引起的重量增加，成本增加，强度、刚度、屈曲特性过剩的问题，本发明提供一种汽车悬架系统的摆臂，及相应的汽车悬架系统和汽车，采用独特的加强筋构造，相对于中空式锻件改善了摆臂的受力情况，刚度、强度大大提高，保证了足够的使用寿命，并且屈曲特性良好；相对于实心式锻件有效地减轻了重量，优化了性能，有利于整车的平顺性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种汽车悬架系统中的摆臂，包括摆臂本体，其中，该摆臂本体采用中空式的框架结构，且在该框架结构形成的中空部分中设置有与该框架结构一体成型的三条首尾相连的加强筋，且该三条首尾相连的加强筋形成中空的三角形。

根据本发明的一个实施例，该框架结构形成的中空部分中还包括与该框架结构一体成型的至少一条辅助的加强筋，辅助的加强筋的其中一端与其它加强筋的一端相连，另一端与该框架结构相连。

根据本发明的一个实施例，各加强筋与该框架结构之间分别形成中空的三角形。

根据本发明的一个实施例，该摆臂本体采用三角形构造。

根据本发明的一个实施例，各加强筋与该摆臂本体通过锻造一体成型。

根据本发明的一个实施例，该汽车悬架系统的摆臂为下摆臂。

根据本发明的一个实施例，该下摆臂在摆臂本体的一端设置有中间衬套孔，且具有从该中间衬套孔向外延伸的延长段，该延长段的端部设置有球销座；该摆臂本体的另外两端分别设置有用于形成旋转轴线的衬套孔或装配轴，使得该摆臂本体能够绕该旋转轴线转动。

根据本发明的一个实施例，该汽车悬架系统的摆臂为钢材结构的摆臂。

根据本发明的另一个方面，提供一种汽车悬架系统，其具有如上述任一项技术方案所述的摆臂。

根据本发明的又一个方面，提供一种汽车，其具有如上所述的汽车悬架系统。

本发明从轻量化设计出发，结合拓扑优化思想，寻找材料密度的最佳分配方法，将锻件摆臂设计成去除中间大部分材料并通过布置加强筋形状，达到减重却不会大幅度削减性能的目的。

本发明充分考虑了国内锻造水平的限制(锻件臂厚不能小于5mm)，为避免材料和性能的浪费，同时从减重考虑，将常见的实体结构通过密度重新划分优化为中空结构，但与传统的中空“A”“V”型臂不同，在中空部分增加了特殊设计的加强筋，构建了多个三角形结构，该结构稳固，可显著提高结构刚度，大幅降低应力水平，增加使用寿命，适用于双横臂式、麦弗逊式等多种悬架结构下摆臂。

本发明能降低对锻造工艺的要求，减小锻造设备的吨位，解决了大型锻件对锻造工艺要求较高的难题，实现了可锻及轻量化设计要求。同时本发明的摆臂结构相对于中空式锻件改善了受力情况，刚度、强度大大提高，保证了足够的使用寿命，并且屈曲特性良好，能满足整车碰撞冲击工况的变形吸能要求。相对于实心式锻件有效地减轻了重量，优化了性能，有利于整车的平顺性。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些实施例和其它实施例的特征和方面。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为现有技术中常用的几种锻件截面示意图。

图2为汽车独立悬架系统结构示意图；

图3为根据本发明的一个实施例的汽车独立悬架系统的下摆臂组件的结构示意图；

图4为图3中下摆臂本体的结构示意图。

图5为根据本发明另一个实施例的汽车独立悬架系统的下摆臂组件的结构示意图。

标号列表：

1    球销体

2    下摆臂组件

3    前衬套

4    后衬套

5    中间衬套(或滑柱衬套)

6    弹簧减振器总成

7    上摆臂组件

8    转向节

20   下摆臂本体

21   加强筋

22   加强筋

23   加强筋

24   加强筋

25   加强筋

26   球销座

27   中间衬套孔

28   延长段

291  衬套孔

292  安装轴

具体实施方式

图2示出了一种汽车独立悬架系统，主要包括下摆臂组件2、弹簧减振器总成6、上摆臂组件7和转向节8。

下摆臂组件2包括：前衬套3、后衬套4、球销体1和下摆臂本体20(图2的下摆臂本体20采用图4所示的下摆臂本体20的构造，但图2中并没有具体示出其中的加强筋结构)。前衬套3、后衬套4和中间衬套(或滑柱衬套)5通过过盈配合装配在下摆臂本体20中。前衬套3和后衬套4通过螺栓紧固在副车架上，前衬套3和后衬套4成直线排列，形成下摆臂本体20的转动轴线；中间衬套5连接弹簧减振器总成6；球销体1通过铆接工艺装配在下摆臂本体20的球销座26中，且球销体1锥面配合装配在转向节8的锥形孔里。中间衬套5装配后起到衰减振动的作用，球销体1处作用着车辆各方向的力，通过摆臂本体20将力传导，起到导向作用，此外下摆臂本体20承载了车身及减振器弹簧总成的重量。

上、下摆臂连接车轮和车架(或车身)，传递力，衰减振动，控制方向，是涉及驾驶员的安全零部件。摆臂使车轮按照一定轨迹相对于车身运动，可传递载荷。整个悬挂系统承担汽车的操纵性能。

上、下摆臂是典型的三点式结构，拥有三个连接点，如图3中所示的标号1、3、4处的三个点。三个连接点的连线是稳定的三角形结构，可以承受多个方向的载荷。采用锻件机加工结构，结构型腔多为“工”字型，可布置加强筋、减重孔，具有抗扭抗弯的特性。

由于前下摆臂在Z向承受弹簧减振器总成6的载荷，受力较大，是应力风险区。锻造成完全中空结构不能满足某些工况对刚度的要求，结构整体强度弱且疲劳寿命短。需要寻找一种加强筋形状，既保证刚度，又降低对锻造工艺的要求。本发明提出的三角形稳定结构加强筋形状较好地解决了这一问题。

下面以下摆臂为例进行说明，本领域普通技术人员应了解，本发明的摆臂结构同样可适用于上摆臂。

如图3和图4所示，下摆臂包括下摆臂本体20，下摆臂本体20采用三角形构造，采用钢材结构。其中，该下摆臂本体20采用中空式的框架结构，且在该框架结构形成的中空部分中设置有与该框架结构一体成型的三条首尾相连的加强筋21、22、23，且该三条首尾相连的加强筋21、22、23形成中空的三角形。该框架结构形成的中空部分中还包括与该框架结构一体成型的至少一条辅助的加强筋24、25，辅助的加强筋24、25的其中一端与其它加强筋的一端相连，另一端与该框架结构相连。各加强筋与该框架结构之间分别形成中空的三角形。各加强筋与该摆臂本体通过锻造一体成型。

下摆臂在下摆臂本体20的一端设置有中间衬套孔27，且具有从该中间衬套孔27向外延伸的延长段28，该延长段28的端部设置有球销座26；该下摆臂本体的另外两端分别设置有用于形成旋转轴线的衬套孔291或装配轴292，衬套孔291用于与前衬套3配合，装配轴292用于与后衬套4配合，使得该摆臂本体能够绕该旋转轴线转动。当然下摆臂本体的另外两端可以都设置成衬套孔的形式，也可以都设置成装配轴的形式。

本实施例中，下摆臂本体20内部有五条加强筋21、22、23、24、25，加强筋21、22、23首尾相连形成中空的三角形，加强筋24、25进一步改善了受力情况。各加强筋与外轮廓构建出六个三角形结构。该结构稳定，应力水平大幅下降，且三条首尾相连的加强筋可显著增加各方向刚度，提供传递各向载荷的有效路径，使用寿命也随之增加。

悬架中的弹性元件大多只能传递垂直载荷，不能传递纵向力、侧向力，而摆臂是悬架系统中的导向机构，用来传递纵向力、侧向力及力矩，同时保证车轮正确的运动轨迹。当球销体1受到作用力时，通过球销座26传递到下摆臂本体20，通过由加强筋21、加强筋22、加强筋23及加强筋24、25与下摆臂本体20形成的六个三角形结构将力合理传递及分配。三角形结构稳固，六个三角形结构能显著增加下摆臂的刚度，大幅降低应力水平，提高下摆臂的使用寿命，适用于双横臂式、麦弗逊式等多种悬架结构。

如图5所示，根据本发明的另一个实施例，可以在下摆臂本体的框架结构形成的中空部分中只设置与该框架结构一体成型的三条首尾相连的加强筋，而不采用辅助的加强筋。本实施例的其它结构与前面描述的实施例的结构相同，在此不再重复描述。

当然，本领域普通技术人员可以在图5所示实施例的基础上想到其它的多种加强筋的布置形式，这些布置形式同样也能实现本发明的有益效果，并没有脱离本发明的实质，仍在本发明的保护范围之内。

锻造是使用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以得到具有一定机械功能、一定形状和尺寸的锻件，具有密度大、强度高的特点。本发明优选地采用锻造的加工方式，但本领域普通技术人员也可以采用铸造的方式形成摆臂。

摆臂的锻造成形工艺可采用以下步骤：

a)坯料加工，去除毛刺；

b)坯料加热预成形预开孔，加热温度440～480℃，加热温度均匀性±5℃；

c)模锻：将辊锻好的坯料进行模锻，温度控制在380℃以上；

d)切边冲孔：将模锻好的产品采用热切方式切边切孔，温度控制在350℃以上。完成以上工艺后将形成一体的锻造摆臂结构。

本发明设计了一种兼具创意性与科学性的截面形状，解决了大型锻件对锻造工艺较高的要求，实现了既可锻又轻量化。

本发明同时提供一种汽车悬架系统，其采用上述的摆臂结构。

本发明同时提供一种汽车，其采用上述的悬架系统。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种汽车悬架系统的摆臂，包括摆臂本体，其特征在于，所述摆臂本体采用中空式的框架结构，且在所述框架结构形成的中空部分中设置有与所述框架结构一体成型的三条首尾相连的加强筋，且所述三条首尾相连的加强筋形成中空的三角形。

2.根据权利要求1所述的汽车悬架系统的摆臂，其特征在于，所述框架结构形成的中空部分中还包括与所述框架结构一体成型的至少一条辅助的加强筋，辅助的加强筋的其中一端与其它加强筋的一端相连，另一端与所述框架结构相连。

3.根据权利要求1或2所述的汽车悬架系统的摆臂，其特征在于，各加强筋与所述框架结构之间分别形成中空的三角形。

4.根据权利要求1或2所述的汽车悬架系统的摆臂，其特征在于，所述摆臂本体采用三角形构造。

5.根据权利要求1或2所述的汽车悬架系统的摆臂，其特征在于，各加强筋与所述摆臂本体通过锻造一体成型。

6.根据权利要求1或2所述的汽车悬架系统的摆臂，其特征在于，所述汽车悬架系统的摆臂为下摆臂。

7.根据权利要求6所述的汽车悬架系统的摆臂，其特征在于，所述下摆臂在摆臂本体的一端设置有中间衬套孔，且具有从所述中间衬套孔向外延伸的延长段，所述延长段的端部设置有球销座；所述摆臂本体的另外两端分别设置有用于形成旋转轴线的衬套孔或装配轴，使得所述摆臂本体能够绕所述旋转轴线转动。

8.根据权利要求1或2所述的汽车悬架系统的摆臂，其特征在于，所述汽车悬架系统的摆臂为钢材结构的摆臂。

9.一种汽车悬架系统，其特征在于具有如权利要求1-8中任一项所述的摆臂。

10.一种汽车，其特征在于具有如权利要求9所述的汽车悬架系统。