車身后減振器安裝點(diǎn)改進(jìn)設(shè)計(jì)

劉洋 黃濤 勞兵 徐毓

摘 ?要：車身后減振器安裝點(diǎn)鈑金側(cè)開(kāi)裂是乘用車耐久試驗(yàn)常見(jiàn)故障之一。本文回顧了某七座SUV后減振器安裝點(diǎn)開(kāi)裂問(wèn)題，并從載荷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度給出了發(fā)生此問(wèn)題的原因。同時(shí)，結(jié)合力學(xué)設(shè)計(jì)基本原則，設(shè)計(jì)了一種減振器安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在后視圖上減振器安裝點(diǎn)落在減振器中心軸線上，鈑金安裝平面豎直向上。通過(guò)仿真驗(yàn)證，此結(jié)構(gòu)可以顯著降低車身側(cè)鈑金應(yīng)力水平，避免鈑金出現(xiàn)耐久開(kāi)裂問(wèn)題。

關(guān)鍵字：后減振器;開(kāi)裂;改進(jìn)方案

中圖分類號(hào)：U463.82 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2022）01-0097-06

Body Strut Attachment Improved Design for Rear Suspension

LIU Yang1， HUANG Tao2， LAO Bing1， XU Yu3

（ 1.SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd， LiuZhou 545007， China; 2. Hunan Aisn Auto R&D CO.，Ltd， ChangSha 410082， China; 3. Guangxi Yucai Machinery Company Limited， YuLin 537000， China ）

Abstract： ?Body strut attachment cracking is one of the most common faults in durability test of passenger vehicle. The paper reviewed the body strut attachment cracking in a seven passenger SUV. Chassis load and body design is analyzed for identifying the cause of the problem. A new strut attachment structure is given by considering the mechanical design principles. The position of strut attachment is in the line of strut central axis in back view， and the panel is upright. The effectiveness of the structure is verified by CAE simulation. The structure can significantly reduce panel stress， and avoid sheet metal cracking.

Key Words： ?Shock Absorber; ?Cracking; ?Improved Design

1 ? ?引言

隨著國(guó)家放開(kāi)三胎生育限制，三排座位汽車的市場(chǎng)需求增加，七座SUV逐漸在國(guó)內(nèi)流行，然而此類汽車車身后減振器安裝點(diǎn)鈑金開(kāi)裂問(wèn)題日益突出[1-2]，此問(wèn)題輕則引起異響，重則導(dǎo)致減振器脫落，造成駕駛安全風(fēng)險(xiǎn)，因此研究此問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

行業(yè)內(nèi)減振器安裝點(diǎn)開(kāi)裂問(wèn)題的主要解決方案是改進(jìn)車身側(cè)鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如，賀勁剛[3]將后輪罩切口，切口部位采用遠(yuǎn)高于輪罩厚度的加強(qiáng)板，并優(yōu)化輪罩內(nèi)側(cè)支撐板結(jié)構(gòu)，降低后減振器支架和輪罩應(yīng)力。劉利[4]通過(guò)優(yōu)化減振器支架形狀解決高應(yīng)力問(wèn)題。上述方法可以一定程度上改善車身側(cè)鈑金強(qiáng)度，但七座后獨(dú)立懸架車型的后減振器載荷大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間有限，上述方法不足以徹底解決此問(wèn)題。實(shí)際上，減振器支架安裝點(diǎn)位置和安裝面角度會(huì)影響影響減振器支架強(qiáng)度，這方面的研究卻未見(jiàn)報(bào)道。

本文回顧了某七座SUV后減振器安裝點(diǎn)開(kāi)裂問(wèn)題，并從載荷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度給出了發(fā)生此問(wèn)題的原因。同時(shí)，結(jié)合力學(xué)設(shè)計(jì)基本原則，提出后減振器安裝點(diǎn)改進(jìn)方案，通過(guò)仿真驗(yàn)證了方案的有效性。

2 ? ?問(wèn)題描述

某七座后獨(dú)立懸架車型在北京乘用車結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)中，車輛行駛到13693km（其中壞路12296 km），試驗(yàn)完成39.9%時(shí)，右后減振器支架開(kāi)裂兩處，最長(zhǎng)裂紋23mm，如圖1所示：

3 ? ?原因分析

問(wèn)題發(fā)生后首先排查生產(chǎn)制造因素，即查看故障車焊點(diǎn)位置是否正確，焊點(diǎn)是否虛焊，焊點(diǎn)數(shù)量是否正確，開(kāi)裂零件材料是否符合設(shè)計(jì)等等。通過(guò)拆解故障車，并做材料檢測(cè)后排除了上述因素。其次，進(jìn)行CAE強(qiáng)度分析，判斷是否是設(shè)計(jì)問(wèn)題。最后，需明確出現(xiàn)此故障的原因，即公司以往車型為什么無(wú)此問(wèn)題。

3.1 ? CAE強(qiáng)度分析

排除生產(chǎn)制造原因后，對(duì)后減振器安裝點(diǎn)進(jìn)行CAE強(qiáng)度分析，結(jié)果如圖2所示，發(fā)現(xiàn)安裝點(diǎn)螺母孔靠近圓角位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。前安裝點(diǎn)最大應(yīng)力241Mpa，位置與耐久路試車裂紋位置一致，后安裝點(diǎn)最大應(yīng)力200Mpa，位置與路試車裂紋位置距離15mm，距離較近，可以認(rèn)為是受到應(yīng)力集中的影響。因此，螺母孔附近的應(yīng)力集中及其引起的高應(yīng)力是開(kāi)裂問(wèn)題的直接原因。

3.2 ? 載荷與結(jié)構(gòu)分析

七座車相比五座車增加了第三排座位，第三排座位一般在后輪附近，如圖3所示。一般的，七座車的后軸負(fù)荷比五座車的重，以上述故障車型為例，它包括七座配置和五座配置，五座車后軸負(fù)荷為860kg，七座車后軸負(fù)荷為1020kg，后軸負(fù)荷增加了160kg，此負(fù)荷主要來(lái)源于兩個(gè)乘客的重量（65kg×2）和座椅重量。因此，七座車后軸負(fù)荷比五座車大。

汽車后懸架一般包括非獨(dú)立懸架、扭力梁懸架（半獨(dú)立懸架）、獨(dú)立懸架，非獨(dú)立懸架汽車舒適性差，在乘用車上幾乎沒(méi)有使用，圖4給出了某扭力梁懸架和某梯形獨(dú)立懸架。這兩種懸架都包括減振器、螺旋彈簧、緩沖塊。扭力梁懸架將螺旋彈簧和緩沖塊集成安裝到同一個(gè)車身安裝點(diǎn)，減振器安裝在另一個(gè)安裝點(diǎn)，減振器安裝點(diǎn)只受到減振器傳遞過(guò)來(lái)的阻尼力，此力一般比較小。梯形獨(dú)立懸架將減振器和緩沖塊集成安裝到同一個(gè)車身安裝點(diǎn)，螺旋彈簧安裝到另一個(gè)的安裝點(diǎn)，減振器安裝點(diǎn)除了受到減振器傳遞過(guò)來(lái)的阻尼力外，還受到緩沖塊力。緩沖塊的作用是車輛突然遇到深坑或凸包時(shí)，為限制輪胎位移超過(guò)設(shè)計(jì)范圍，采用固定不動(dòng)的緩沖塊與扭力梁或減振器支柱撞擊，強(qiáng)行約束后懸掛和輪胎位移，避免輪胎與周邊零件接觸。一般情況下緩沖塊撞擊力遠(yuǎn)大于減振器阻尼力，以上述故障車為例，阻尼力為2742N（活塞運(yùn)動(dòng)速度1.04m/s），緩沖塊限位阻力為6181N（單側(cè)過(guò)凸包工況）。因此，后獨(dú)立懸架的緩沖塊集成在減振器內(nèi)，顯著增加了減振器安裝點(diǎn)的載荷。

后減振器安裝點(diǎn)一般位于輪罩上部，按經(jīng)驗(yàn)最有效的補(bǔ)強(qiáng)辦法是在輪罩上部設(shè)計(jì)三角支撐的輪罩上加強(qiáng)板，以及在地板與輪罩之間設(shè)計(jì)三角支撐支架，如圖5（a）所示。但七座后獨(dú)立懸架車型很難設(shè)計(jì)上述結(jié)構(gòu)，為了提高第三排乘客的乘坐舒適性，一般希望座椅越寬越好，內(nèi)部空間越大越好，所以一般座椅緊貼輪罩布置，后側(cè)圍飾板盡量貼近鈑金大面，如圖5（b），這時(shí)將不再有空間布置上述加強(qiáng)板。因此，七座車無(wú)法布置三角支撐板，減振器安裝點(diǎn)強(qiáng)度更惡劣。

4 ? ?優(yōu)化方案

4.1 ? 原理

由材料力學(xué)可知[5]，圖6中拉壓桿、懸臂梁端部最大應(yīng)力為： ? ?σ = F/A=F/bh

σ′ = M/Wz=6Fl/bh2

當(dāng)6l > h時(shí)

σ < σ′

式中，σ、σ′為拉壓桿、懸臂梁端部最大應(yīng)力，F(xiàn)為外力，A為橫截面積，此處假定為矩形截面，b為截面寬度，h為截面高度，M為懸臂梁末端彎矩，Wz為抗彎截面系數(shù)，l為懸臂梁長(zhǎng)度。實(shí)際懸臂梁結(jié)構(gòu)中，一般6l 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于h，則懸臂梁端部應(yīng)力遠(yuǎn)大于拉壓桿。因此要避免懸臂梁結(jié)構(gòu)，若不得已使用懸臂梁，懸臂長(zhǎng)度l要盡量小。

平板受力分兩種情況。一種是外力在板平面內(nèi)，如圖7（a），平板受拉伸或壓縮的正應(yīng)力。一種是外力垂直于板平面，如圖7（b），板四周產(chǎn)生反作用彎矩，此彎矩導(dǎo)致板厚上下平面產(chǎn)生很大的正應(yīng)力，此情況類似于懸臂梁。因此平板件的外載荷盡量作用在板平面內(nèi)，而非垂直于板平面。

4.2 ? 方案設(shè)計(jì)

首先，確定減振器安裝點(diǎn)位置，即螺母孔位置。若減振器安裝點(diǎn)在減振器中心軸線上，則為拉壓桿結(jié)構(gòu)，若不在減振器中心軸線上，則為懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁長(zhǎng)度為安裝點(diǎn)到減振器中心軸線之間的距離。由拉壓桿優(yōu)于懸臂梁的原理可知，減振器安裝點(diǎn)最好在減振器中心軸線上。注意到，實(shí)際結(jié)構(gòu)中車身安裝點(diǎn)完全落在減振器中心軸線是難以做到的，但在后視圖上落在減振器中心軸線卻是可以做到的。此時(shí)的結(jié)構(gòu)是Y-Z平面上的拉壓桿結(jié)構(gòu)，它避免了車身受到X方向的彎矩Mx，結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示

其次，確定鈑金安裝面角度。由外載荷與平板在同一平面的結(jié)構(gòu)優(yōu)于外載荷垂直于平板的結(jié)構(gòu)可知，鈑金安裝面應(yīng)與減振器作用力在同一平面上，即豎直向上，如圖9（a）所示。若鈑金傾斜一個(gè)角度，如圖9（b），則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直鈑金面的分力，此力產(chǎn)生彎矩，導(dǎo)致鈑金應(yīng)力急劇增大。

最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖10所示，其中在后視圖上原結(jié)構(gòu)減振器安裝點(diǎn)已落在減振器中心軸線，但未滿足鈑金安裝面豎直向上的要求，因此更改前不是最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

5 ? ?仿真驗(yàn)證

對(duì)某新開(kāi)發(fā)車型車身后減振器安裝點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度CAE分析，評(píng)估優(yōu)化方案強(qiáng)度水平。采用Hypermesh建立有限元模型，模型包括車身側(cè)鈑金模型和底盤(pán)側(cè)減振器支座模型，車身側(cè)模型只截取后輪罩部分，前端邊界距離后輪罩100mm，后端邊界距離后輪罩100mm，上端邊界距離后輪罩300mm，車寬邊界距離后輪罩150mm，如圖11所示，車身側(cè)網(wǎng)格以CQUAD4單元為主，CTRIA3單元不超過(guò)單元總數(shù)的5%，減振器支架網(wǎng)格尺寸為（5×5）mm，其它零件為（10×10）mm，車身安裝點(diǎn)包含兩種狀態(tài)，分別為優(yōu)化方案和更改前，如圖10所示。底盤(pán)側(cè)減振器支座采用一階六面體單元（C3D8R）和一階四面體單元（C3D4）。車身側(cè)邊界約束123456自由度，減振器支座中心點(diǎn)施加8300N作用力，作用力沿減振器軸線方向。采用Nastran求解器計(jì)算，提取后減振器支架的應(yīng)力，結(jié)果如圖12所示，減振器支架的最大應(yīng)力由146Mpa降低到53Mpa，降幅64%，說(shuō)明優(yōu)化方案可有效降低安裝點(diǎn)應(yīng)力，降低鈑金開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

6 ? ?結(jié)論

車身后減振器安裝點(diǎn)鈑金側(cè)開(kāi)裂是乘用車耐久試驗(yàn)常見(jiàn)故障之一，此問(wèn)題在七座后獨(dú)立懸架車型更易出現(xiàn)，主要有三個(gè)原因：一、七座車增加的第三排重量主要由后軸承擔(dān);二、后獨(dú)立懸架車型緩沖塊集成在減振器內(nèi)，會(huì)顯著增加減振器安裝點(diǎn)的載荷;三、七座車優(yōu)先滿足第三排人機(jī)空間要求，難以設(shè)計(jì)三角支撐的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)了一種減振器安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在后視圖上減振器安裝點(diǎn)落在減振器中心軸線上，鈑金安裝平面豎直向上。這種結(jié)構(gòu)可以顯著降低車身側(cè)鈑金應(yīng)力水平，避免鈑金出現(xiàn)耐久開(kāi)裂問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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[5]劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 北京： 高等教育出版社，2012：141-146.

專家推薦語(yǔ)

梁 ? 軍

東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心

車身部副總師 ?研究員級(jí)高級(jí)工程師

本文通過(guò)對(duì)輪罩減震器支架開(kāi)裂失效問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的直接原因是受到應(yīng)力集中的影響，又通過(guò)結(jié)構(gòu)受力分析和采用簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析模型找到結(jié)構(gòu)失效的深層次的原因是載荷變大和結(jié)構(gòu)受力不符合力學(xué)設(shè)計(jì)基本原則，從而能夠制定出有效結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)方案，在極限載荷工況下輪罩減震器支架的最大應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力，滿足疲勞耐久要求。

文章對(duì)減震器安裝支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，提出了安裝支架的合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，即減震器支座安裝面與減振器作用力保持在同一平面且減振器安裝點(diǎn)布置在減振器中心軸線上，可避免了減震器支架受到X方向的彎矩，可有效降低支架應(yīng)力水平，從而保證此部位的結(jié)構(gòu)耐久要求。

全文條理清晰，論證合理，具有很好的參考意義。