摘要：扭力梁成形工艺有多种，包括板材冷冲压、管材冷冲压、管材热冲压和管材液压成形等。为了揭示不同加工工艺对扭力梁使用性能的影响，采用数值模拟和试验方法，研究采用不同加工工艺成形的扭力梁横梁截面性能的差异；比较板状和管状扭力梁总成模态、刚度、强度和疲劳寿命的不同。结果表明：采用液压成形工艺制造扭力梁可以提高梁的扭转刚度和弯曲刚度；采用管状扭力梁相对于板状扭力梁可以降低重量，使梁的模态频率、刚度、强度和疲劳寿命等都得到很大提高，使其产生裂纹的方向平行于横梁，达到降低疲劳危险的作用。
关键词：板状扭力梁；管状扭力梁；液压成形；模态频率；疲劳寿命
扭力梁式半独立后悬架系统发明于20世纪70年代，其中扭力梁是轿车后悬架系统中比较重要的一个部件，其强度、刚度和疲劳寿命的设计是整个后悬架系统的重中之重。典型的扭力梁总成主要由5部分组成：用于承受主要垂直方向和侧向力矩扭转横梁、焊接在扭转横梁左右两侧的纵臂、布置于纵臂前端用于连接车身的轴套管、弹簧支架和轮毂支架等(图1)。其作用主要是减振、避振和车轮导向。传统扭力梁采用板材冲压成V型(图2a)，然后在中间增加上稳定杆。最新的结构形式采用管材成形为封闭截面的扭力梁(图2b)，这种方法成形的零件可以适应空间和承载的需要；扭力梁被设计成空心变截面形式，在提高零件整体强度、刚度和抗弯模量以及耐用性的同时，可以达到减重效果。
对于管状扭力梁，成形工艺包括冷冲压、热冲压和液压成形。德国和韩国学者都曾用机械挤压管材的方法直接成形扭力梁试件，该方法虽然可以降低扭力梁质量以增加截面抗弯模量，但成形精度低，只能适用于形状简单的扭力梁零件。韩国学者采用高强钢22MnB5进行热冲压成形后得到了屈服强度和抗拉强度均超过1400MPa的试件，增强了扭力梁的扭转强度和耐用性。韩国HWASHIN公司申请了热冲压成形装备专利，通过向两端密封的管内冲入冷却水进行淬火后，得到马氏体组织来提高零件的强度和刚度。随着液压成形技术的不断发展和在汽车零部件制造方面的应用，许多学者开始尝试采用液压成形工艺制造扭力梁。采用液压成形工艺制造扭力梁，不但可以成形复杂截面形式的扭力梁，而且可使其截面连续且变化多样，适应因载荷不同而提出截面尺寸变化的要求。韩国学者用壁厚为2.6mm的DP590液压成形出合格的扭力梁试件，与机械挤压成形相比其零件贴模精度得到很大提高。国内哈尔滨工业大学在扭力梁的液压成形工艺仿真及试制方面也做了深入的研究。本文采用数值模拟和试验方法研究不同加工工艺对扭力梁使用性能的影响。
1扭力梁形状及特点
典型的扭力梁总成主要由5部分组成：轴套管、扭转横梁、纵臂、轮毂支架和弹簧支架(图1)。本文所研制的液压成形管状扭力梁单个零件的截面形状以V型截面为主，其余为异型截面，如图3所示。
根据成形工艺的不同，管状V型截面在圆角部位的形状有很大不同，这对扭力梁的强度和刚度都有很大的影响。图4为板状结构、冲压管状结构和液压成形管状结构V型截面示意图。图5为本文研制的管状扭力梁零件及采用冲压和液压成形而成形的扭力梁的切割截面图。
2截面性能分析
根据扭力梁后桥的变形特点，横梁的关键变形为扭转变形和弯曲变形。扭转变形是在梁的两端作用大小相等、方向相反且作用平面垂直于杆件轴线的力偶，致使杆件的任意两个截面都发生绕轴线的相对转动。弯曲变形是作用于梁上的外力垂直于梁件的轴线，使原为直线的轴线变形后成为曲线。针对图4中三种截面单体的扭转变形和弯曲变形，采用ABAQUS进行数值仿真模拟。扭转和弯曲变形如图6所示，刚度计算结果见表1。
3扭力梁使用性能分析
为协助国内汽车用户实现液压成形技术在扭力梁上的应用，本公司为某汽车厂完成原始冲压成形板状扭力梁的改型设计，并进行管材液压成形方案与常规板材冲压方案下扭力梁使用性能的仿真比较分析。图7a和图7b分别为板状和管状扭力梁总成，两者的区别在于中间横梁为板冲压成V型或管液压成形为V型，管状扭力梁总成减重10.2%。
采用HypermeshV10.0软件划分网格，网格单元采用壳单元，以四边形为主，三角形为辅。焊缝网格采用壳单元中的四边形，厚度等于连接的两个部件厚度平均值。衬套采用弹簧单元CELAS2模拟，各加载硬点采用ＲBE2单元连接。计算时定义的材料参数：弹性模量为2.1×105MPa；泊松比为0.3；密度为7.8×10
－9t·mm－3，建立两类扭力梁有限元模型。然后采用MD.NASTＲAN和Ncode软件进行扭力梁使用性能，包括模态、刚度、强度和疲劳的有限元分析。模态是机械结构的固有振动特性。由振动与噪音(NVH)要求，设计时必须测定部件在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言梁结构在此频段内、在外部或内部各种振源作用下的实际振动响应。模态分析不需要加任何边界条件，常用解算器为NASTＲANSOL103。提高第一阶模态频率的途径主要有：
(1)增加材料厚度，增加材料厚度能提高模态但也带来了扭转刚度的提高；
(2)扭力梁本体开口朝向，本体开口可以朝前朝后朝上朝下。
图8为板状和管状扭力梁的第一阶扭转和第二阶弯曲模态。
在车辆行驶中扭力梁参与扭转变形，且扭转刚度与前悬架扭转刚度必须相匹配，以免影响操纵稳定性能，一般来说，需具有足够扭转刚度。刚度分析主要考虑后轮心Z方向的刚度，通常在后轮心硬点加载1kN的载荷，解算器为NASTＲANSOL101。图9为计算的后轮心Z方向刚度的边界加载图，刚度计算结果见表2。
研究结构在常温条件下承受载荷的能力，常以应力值的大小来衡量。采用运动学分析来获得扭力梁各硬点的载荷输入(包括力和力矩)，利用有限元分析评判设计方案的合理性，常用解算器NASTＲANSOL101。图10为典型的扭转工况“过左侧单侧深坑工况”计算应力云图。
对于扭力梁，常通过台架试验疲劳来预测疲劳寿命。每种疲劳试验会规定相应的载荷大小，载荷频率，设计开发阶段可通过有限元Ncode进行仿真。图11是轮毂支架端上下运动，位移量上下均为40mm(即±40mm)二纵臂相位相反的疲劳寿命图，要求30万次循环不得有裂缝。
从仿真结果看，两类梁都满足30万次疲劳寿命要求，但裂纹方向不同：板状扭力梁疲劳裂纹垂直于横梁，比较危险；而管状扭力梁裂纹平行于横梁。实际中，两类扭力梁疲劳裂纹常见形式见图12。
4结论
(1)冷冲压管状V型截面比板状V型截面扭转刚度提高107%，弯曲刚度提高32.1%；液压成形管状V型截面比冷冲压管状V型截面扭转刚度提高43.6%，弯曲刚度提高11.1%。
(2)管状扭力梁总成相对于板状扭力梁总成减重10.2%。
(3)管状扭力梁相对于板状扭力梁，第一阶扭转模态提高30.2%，第二阶模态提高8.8%，第一阶模态的提高有利于避开地面激励。
(4)管状扭力梁相对于板状扭力梁，后轮心Z方向刚度提高69.8%。
(5)管状扭力梁相对于板状扭力梁，“过左侧单侧深坑工况”下强度提高33.5%。
(6)管状扭力梁相对于板状扭力梁，裂纹方向平行于横梁，一旦裂纹产生危险性降低。
(上海宝钢国际经济贸易有限公司技术发展部)
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