CN111873746A - 一种乘用车后桥总成中的扭力梁 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种乘用车后桥总成中的扭力梁，包括梁体和焊缝，所述梁体为左右对称式的变截面空心管梁，由高强钢圆管经过冷冲压成型和调质热处理加工而成，焊缝位于扭力梁端口矩形区上壳体的圆角附近，并沿长度方向延伸至上壳体的腰线位置，所述的端口区为倒圆角处理的矩形管状，中间区的剖面结构呈闭合曲线折叠而成的倒置“V”形，本发明专利采用高强钢无缝焊接圆管作为扭力梁的原材料，生产成本相对于“V”形开口梁大幅降低，并且提高了产品的成型质量和生产效率；同时，本发明专利造型经过CAE仿真优化设计，能有效改善扭力的纵向刚度、侧向刚度和侧倾刚度，有效降低了扭力梁扭转应力，提高了疲劳耐久性能。

Description

一种乘用车后桥总成中的扭力梁
技术领域
本发明涉及乘用车底盘悬架结构件技术领域，具体是一种乘用车后桥总成中的扭力梁。
背景技术
乘用车扭力梁连接左、右纵臂，构成具有一定扭转刚度的半独立式后悬架，在汽车行驶过程中，扭力梁承受后轮传递的路面冲击力，并发生扭转变形，在车辆出现侧倾时，保证汽车的操纵性能和行驶稳定性。目前这种扭力梁式后悬架多用于家用轿车和小型客车。
扭力梁有两种形式，一种是“U”型开口横梁，采用冲压成型工艺将高强钢板压制成“U”形，并在“U”形开口梁中安装横截面为圆形的扭力杆，这种结构工艺复杂，不利于车身轻量化；另一种是变截面扭力梁，将空心圆管冲压成型“V”形变截面扭力梁，相对于“U”型开口梁，这种结构重量较轻，即可满足车辆疲劳耐久性能要求，又能满足车身轻量化要求。
变截面扭力梁的成型工艺有：内高压成型、热冲压成型和冷冲压成型，内高压成型和热冲压成型工艺的生产效率偏低，工艺设备复杂，因而增加了扭力梁的制造难度和生产成本。采用冷冲压成型制造扭力梁，并对扭力梁进行调质热处理，是一种能有效平衡生产效率和产品质量的生产工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种乘用车后桥总成中的扭力梁，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种乘用车后桥总成中的扭力梁，包括梁体和焊缝，所述梁体为左右对称式的变截面空心管梁，由高强钢圆管经过冷冲压成型和调质热处理加工而成，焊缝位于梁体端口矩形区上壳体的圆角附近，并沿长度方向延伸至上壳体的腰线位置，所述梁体的端口区为倒圆角处理的矩形管状，梁体的中间区的剖面结构呈闭合曲线折叠而成的倒置“V”形，所述中间区的上壳体与下壳体不贴合，所述中间区从中线至边缘，间距逐渐变大，并在末端形成水滴状结构，中间区的上壳体与下壳体在“V”形开口末端的连接处形成水滴状结构，所述端口区与中间区之间存在一阶过渡区和二阶过渡区，一阶过渡区的剖面结构为倒置的“凹”形，二阶过渡区的剖面形状为倒置的“V”形，二阶过渡区的上壳体与下壳体之间具有较宽的间隙。
作为本发明进一步的方案：所述梁体的横截面形状从中间区往端口区的方向平顺过渡。
作为本发明再进一步的方案：所述梁体由厚度2至4mm的高强钢圆管经过冷冲压成型和调质热处理加工而成。
作为本发明再进一步的方案：所述梁体的上壳体和下壳体向两侧整体延伸，形成倒圆角处理的矩形结构端口外缘，采用激光切割工艺在端口区加工出各种三维空间曲线轮廓，形成“U”形凹陷结构来固定纵臂。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明专利采用高强钢无缝焊接圆管作为扭力梁的原材料，生产成本相对于“V”形开口梁大幅降低，并且提高了产品的成型质量和生产效率；同时，本发明专利造型经过CAE仿真优化设计，能有效改善扭力的纵向刚度、侧向刚度和侧倾刚度，有效降低了扭力梁扭转应力，提高了疲劳耐久性能。
附图说明
图1为本发明专利的结构示意图。
图2为本发明专利内部的结构示意图。
图3为图1的F-F剖视放大图。
图4为图1的G-G剖视放大图。
图5为图1的H-H剖视放大图。
图6为图1的J-J剖视放大图。
图7为图1的剖视结构示意图。
其中：梁体1、中间区2、二阶过渡区3、一阶过渡区4、端口区5、水滴状结构7、间隙8、焊缝9。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，本发明实施例中，一种乘用车后桥总成中的扭力梁，该梁体1为左右对称式结构，是由厚度为3mm的高抗拉强度钢板(牌号：BR1500HS)所制成的圆管，经过冷冲压成型和调质热处理而成。焊缝9位于梁体本体1端口矩形区上壳体的圆角附近，并沿长度方向延伸至上壳体的腰线位置。梁体1由中央位置的中间区2，左右两端的矩形区5，中间区2与矩形区5之间的二阶过渡区3和一阶过渡区4所组成。其中，梁体1的端口区5的剖面结构为倒圆角处理的矩形，梁体1的中间区2的剖面结构为闭合曲线折叠成的“V”形，所述中间区2的部分线段贴合在一起，在中间段2的“V”形剖面开口端，曲线的曲率快速降低，形成水滴状结构7。一阶过渡区4位于矩形区5与二阶过渡区3之间，一阶过渡区4的剖面结构为倒置的“凹”形，二阶过渡区3的剖面形状为“V”形，二阶过渡区3的上壳体与下壳体之间具有较宽的间隙8。梁体1的剖面形状从中间区2往端口区5的方向平顺过渡，梁体1左右两端的上壳体和下壳体，向外整体延伸形成矩形结构端口外缘，可在外缘上切割出三维空间闭合曲线轮廓，形成近似“U”形的凹陷结构来匹配纵臂。
使用有限元分析软件Abaqus对实例进行侧倾刚度试验CAE仿真，计算得出其刚度不低于540N.M/deg，最大应力值不超过1200MPa，高应力区(即开裂风险区)位于下壳体的一阶过渡区和端口矩形区相邻区域。
图3为图1的F-F剖视放大图：上壳体轮廓曲线拟合函数Y＝-0.027x2+1.99x+65.9；下壳体轮廓曲线拟合函数Y＝-0.067x2+2.68x+59.3；
图4为图1的G-G剖视放大图：上壳体轮廓曲线拟合函数Y＝-0.16x2-0.36x+65.9；下壳体轮廓曲线拟合函数Y＝-0.034x2-0.53x+53.6；
图5为图1的H-H剖视放大图：上壳体轮廓曲线拟合函数为分段函数，极大值为65.9；下壳体轮廓曲线拟合函数：Y＝-0.008x2-0.12x+30.2；
图6为图1的J-J剖视放大图：矩形端口区尺寸：104x72mm，料厚：3.0mm，内倒圆角半径R15mm，外倒圆角半径R18mm；
图7：上壳体轮廓曲线拟合函数：y＝0.00x2-0.00x+71.30，下壳体轮廓曲线拟合函数：y＝-0.0002x2+0.2733x-12.359；
依据上述过程获得的变截面梁体模型数据，制作出零件，并固定在特制工装上进行台架试验，验证其疲劳寿命。
台架试验标准：左右端口位移±50mm，频率1.5Hz，反向位移扭转疲劳试验要求循环加载次数不低于20万次，方可视为合格。试验结果如下:
Figure BDA0002609116230000051
调质热处理后的金相组织:
Figure BDA0002609116230000052
调质热处理后的机械性能:
扭力梁材质(牌号) 屈服强度Re(MPa) 抗拉强度Rm(MPa) 断后延伸率(％)
BR1500HS ≥800 ≥950 ≥10
本发明的工作原理：冲压成型获得的变截面扭力梁，其扭转常数是随截面造型改变而变化的。扭力梁中间区冲压变形量较多，减少截面面积以降低扭转常数，使其具备足够的柔性。两端矩形区冲压变形量较少，以增大其扭转常数，增强端口刚度，保证稳定性。中间区刚度相对矩形区较弱，如果刚度过渡落差较大，则会引起局部应力集中。所以在造型设计时，我们适当延长过渡区以使扭力梁刚度从两端平缓过渡到中间。本方案中：一、二阶过渡区3和一阶过渡区4的长度比为1.5；二、过渡区长度和扭力梁总长度的比例为0.254，各区段尺寸数据和结构，如左侧表单，图3至图7所示。
本方案基于CAE分析手段，并结合台架试验，通过优化扭力梁结构和截面形状，来改变扭力梁在反向位移扭转疲劳试验中的应力分布，降低应力集中，从而提高扭力梁的疲劳耐久寿命。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种乘用车后桥总成中的扭力梁，包括梁体(1)和焊缝(9)，其特征在于，所述梁体(1)为左右对称式的变截面空心管梁，由高强钢圆管经过冷冲压成型和调质热处理加工而成，焊缝(9)位于梁体(1)端口矩形区上壳体的圆角附近，并沿长度方向延伸至上壳体的腰线位置；
所述梁体(1)的端口区(5)为倒圆角处理的矩形管状，梁体(1)的中间区(2)的剖面结构呈闭合曲线折叠而成的倒置“V”形，所述中间区(2)的上壳体与下壳体不贴合，所述中间区(2)从中线至边缘，间距逐渐变大，并在末端形成水滴状结构；
中间区(2)的上壳体与下壳体在“V”形开口末端的连接处形成水滴状结构(7)，所述端口区(5)与中间区(2)之间存在一阶过渡区(4)和二阶过渡区(3)，一阶过渡区(4)的剖面结构为倒置的“凹”形，二阶过渡区(3)的剖面形状为倒置的“V”形，二阶过渡区(3)的上壳体与下壳体之间具有较宽的间隙(8)。
2.根据权利要求1所述的一种乘用车后桥总成中的扭力梁，其特征在于，所述梁体(1)的横截面形状从中间区(2)往端口区(5)的方向平顺过渡。
3.根据权利要求1所述的一种乘用车后桥总成中的扭力梁，其特征在于，所述梁体(1)由厚度2至4mm的高强钢圆管经过冷冲压成型和调质热处理加工而成。
4.根据权利要求1所述的一种乘用车后桥总成中的扭力梁，其特征在于，所述梁体(1)的上壳体和下壳体向两侧整体延伸，形成倒圆角处理的矩形结构端口外缘，采用激光切割工艺在端口区(5)加工形成“U”形凹陷结构来固定纵臂。
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