扭杆梁后桥可靠性设计及轻量化

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扭杆梁后桥可靠性设计及轻量化

摘要

随着汽车产销的增长，人们对汽车轻量化的要求也越来越迫切。众所周知，

汽车减重后，加速性能会相应提高，汽车的噪音、振动方面也会有不同程度的改

善。更为重要的是汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放也是十分重要的。理论

分析和试验结果都表明，轻量化是改善汽车燃料经济性的有效途径。本文从扭杆

梁后桥的轻量化入手，以可靠性为约束，结合低载强化理论对扭杆梁后桥进行结

构优化设计，在满足可靠性的要求下，达到减重的设计目的。

在设计研究过程中，首先分析并了解可靠度的计算方法以及低载强化理论

对材料静强度的影响，为扭杆梁后桥的分析和设计提供了理论依据。然后通过建

立后桥的三维模型，根据后桥承载情况，运用有限元软件进行网格划分，并施加

约束和载荷，得到有限元模型。接着对后桥在各工况下，进行强度、可靠度、模态

刚度和静扭转刚度的计算。了解了原结构后桥结构的静态特性，为后续的设计优

化提供了参考。根据分析发现初始设计中存在应力集中以及扭转刚度偏低等问题

需要对原结构进行相应的改进设计。同时根据可靠度的计算发现原始扭杆梁后桥

具有足够的可靠性，存在进一步轻量化的潜力。然后，结合低载强化理论，对后

桥的结构进行优化设计，并对新结构的强度、模态刚度、静扭转刚度以及可靠度进

行校验。通过与原结构后桥的分析对比，表明新设计的后桥完全可以在满足可靠

性的前提下达到轻量化的目的。

本文所涉及的可靠性约束下的后桥轻量化设计，将可靠性引入轻量化设计中，

并且结合低载强化理论，实现可靠性优化设计，为产品轻量化设计提供了一种新

思路和新方法，从而有助于提高结构的可靠性设计和分析能力，促进我国可靠性

优化设计在汽车结构轻量化设计中的应用。

关键词：扭杆梁后桥可靠性轻量化有限元分析动刚度

ABSTRACT

With growing automobile production and sales, people tend to turn to high weight-

lightened cars. It’s known that to any weight-lightened cars,there would be increase in

the acceleration function and an optimization in the vehicle’s driving environment with

less noise and vibration. More over, the lightweight of cars plays a significant role of

saving energy and reducing fuel emissions. Theoretical analysis and experimental

results show that the lightweight of cars is quite an effective way to improve vehicle

fuel efficiency. This essay starts with the lightweight of the rear torsion axle with

reliability constraints, and conducts structural optimization design based on low-load

strengthening theory. The design not only meets the reliability requirements but also

achieves aims of weight-lightening.

In the design process of the study, the reliability calculation method is presented and

the influence of low-loads on static strength of materials is analyzed. All these provide

the theoretical basis for the analysis and design of the rear torsion axle. Then ,the 3D

model of the rear axle is established, and that model is then meshed with FEA software

according to the different loading situation of the rear axle bearing.Then with imposed

constraints and loads a FEA model is acquired.Afterwards, the strength, reliability,

modal and static torsional stiffness of the rear axle are calculated on various occasions

with loads.The new rear axle was optimized and redesigned based on the analysis of the

structure of the original structure’s static properties of the rear axle. Its structural static

proeprty is then analyzed for futhre design and optimization. The structure is redesigned

because some problems such as stress concentration and low torsional stiffness and

other issues,exit.At the same time,it can be revealed that the primitive rear torsion axle

has sufficient reliability according to the reliability calculation, which guarantees further

weight-lightening. Then based on relevant theories the structure of the rear axle is

optimized and redesigned, and the new structural strength and rigidity are verified. By

comparing the structure designs, it can be concluded that the new design can achieve the

lightweight on the premise of meeting the reliability standards.

This paper presents a weight-lightening design method of the rear axel with

reliability constraints and gives great condiseration to the reliability. With relevant low-

loading strenthening theories the whole design is completed which provides a creative

and efficient method for lightweight design of the vehicle products.This method can

help to improve the design and analysis capabilities of the structural reliability, and can

also promote domestic optimizing-design of reliability in automotive structural

lightweight design.

Key Words: Rear torsion axle, Reliability, Lightweight, Finite element

analysis, Dynamic stiffness

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论..........................................................1
§1.1  课题研究背景、意义及来源.......................................1
§1.1.1 课题研究背景及意义..........................................1
§1.1.2 课题来源....................................................5
§1.2  国内外现状....................................................5
§1.2.1 轻量化技术发展..............................................5
§1.2.2 国内外先进水平..............................................6
§1.3  本文研究的主要内容............................................7
第二章 可靠性设计原理................................................9
§2.1  可靠性基本概念................................................9
§2.2  强度干涉理论.................................................12
§2.3  可靠度计算方法...............................................14
§2.4  静强度可靠性设计步骤.........................................14
§2.5  本章小结.....................................................16
第三章 扭杆梁后桥结构分析基础.......................................18

§3.1 有限元分析基础................................................18
§3.2 薄壁壳单元力学基础............................................22
§3.2.1 平面应力问题...............................................23
§3.2.2 薄板弯曲问题...............................................24
§3.3 强度理论......................................................29
§3.4 模态分析理论基础..............................................31
§3.5 刚度分析理论...................................................33
§3.6 本章小结......................................................35
第四章 扭杆梁后桥强度与模态刚度分析.................................36
§4.1  有限元模型的建立.............................................36
§4.1.1 几何建模...................................................36
§4.1.2 网格的划分与检验...........................................37
§4.1.3 加载与约束.................................................38
§4.2  后桥结构强度分析.............................................39
§4.3  后桥结构模态刚度分析.........................................41
§4.4  后桥静扭转刚度分析...........................................42
§4.5  后桥初始可靠度计算...........................................43
§4.6  本章小结.....................................................44
第五章 扭杆梁后桥结构优化设计.......................................45
§5.1  金属材料低载强化理论.........................................45
§5.1.1  载荷分区................................................45
§5.1.2  低幅载荷对静强度的强化..................................45
§5.2  可靠性设计优化...............................................47
§5.3  扭杆梁后桥优化方案确定.......................................48
§5.4  本章小结.....................................................49
第六章 扭杆梁后桥结构优化校验.......................................50
§6.1  后桥结构强度校验.............................................50
§6.2  后桥结构模态刚度校验.........................................52
§6.3  后桥静扭转刚度校验...........................................57
§6.4  后桥可靠度校验...............................................57
§6.5  扭杆梁后桥优化结果...........................................58
§6.6  本章小结.....................................................58
第七章 结论与展望...................................................59
§7.1  研究结论.....................................................59
§7.2  本文创新点...................................................59
§7.3  研究展望.....................................................60
参考文献............................................................61

参考文献

第一章绪论

§1.1 课题研究背景、意义及来源

§1.1.1 课题研究背景及意义

迈入二十一世纪，中国汽车工业进入了高速的发展期，伴随着技术的提升和

消费者权益保护意识的增强，汽车与零部件的可靠性得到了人们的广泛重视，并

开展了深入的研究。产品的可靠性和质量将决定着汽车零部件是否能够在全球化

的贸易竞争中获得更多的订单。对于一个汽车零部件产品的研发和制造单位来说

产品的可靠性得到提升也就是竞争力得到了提高。全面的认识和了解汽车零部件

可靠性的研究方法、试验和发展趋势，是很多企业的迫切要求，也是政府和国家

相关管理部门所高度关注的技术焦点。

可靠性研究的重要性可以概括为以下几点：

（1）产品性能的优化以及结构的复杂化都要求产品具有更高的可靠性。随着

当前科学技术的发展，机械产品的结构越来越复杂，可靠性指标要求同样也越来

越高了。

（2）可靠性成为产品竞争的焦点。在国际市场上，机械产品的价格与可靠性

水平的高低是直接相关的。许多产品在投标、签订合同以及鉴定、验收时都选用了

可靠性指标。

（3）产品的可靠性与企业的生命、国家的安全是紧密相关的，对于电站、冶

金、化工设备等重要的大型设备都应该进行可靠性与安全性的设计，以控制其最

低的失效概率。

（4）产品更新速度的加快，以及使用场所的广泛性、严酷性，也要求产品具

有高的可靠性。在工作的过程中，机械产品往往会因一个零件的失效而造成灾难

性的后果。

（5）可靠性已成为一个企业，一个国家科技水平的重要标志[1]。

我国的汽车工业在近十年里，取得了飞速的发展。产业规模扩大、产品技术进

步、产量也直冲世界第一。在这一派繁荣昌盛的凯歌声中，催生出了用户对汽车不

断攀升的技术新需求。为此，更好的操纵稳定性、更舒适的行驶平顺性、更经济的

使用成本以及更高的可靠性就成了当前用户对汽车的新的需求。但是我们也必须

意识到，我国汽车工业整体起步较晚，同国外的先进水平相比，设计和制造技术

有较大的差距。因此，在满足我国用户需求与响应国外一般市场方面，我国汽车

目前还有很大的技术提升空间。此外，日益加剧的全球环境污染问题与资源短缺

的现实，都驱使着我国汽车工业在技术方面寻求突破。大力的发展汽车轻量化技

术，在保障汽车的安全性和其他的基本性能前提下，通过减轻汽车的自身重量来

实现节能减排。

为了更好的适应整车企业产能规模的持续扩张以及技术水平的快速提升，并

且能够在低成本的前提下提高经济型轿车产品的使用可靠性，企业需要在结构部

件的模块化自主开发、集成制造、评价技术等方面不断的进行改进，掌握底盘结构

件模块的拓扑结构、模态和强度的综合匹配设计方法，通过提高产品的可靠性水

参考文献

平来提高产品的市场竞争力。

本项目是在浙江省重大科技专项的引导和支持下，通过两年多的合作研究开

发，成功开发出了某款轿车前/后副车架等5件套的底盘结构件模块，包括前副车

架、左右摆臂、纵梁和后桥。使轿车底盘结构件的模块化开发水平和配套能力跨上

了新台阶，为汽车零部件产业的可持续发展做出了更大的贡献。也为我国其他民

族品牌汽车的发展壮大提供了更高水平的部件支持，为国家和企业创造了更大的

社会和经济效益。

将汽车的整车性能融汇于各个模块，并使各个模块间实现有机的连接，是汽

车总体设计师的根本任务。根据本项目开发底盘结构件模块的任务要求，这里主

要是针对整车的耐久性指标和平顺性指标对底盘结构件模块的分解加以分析。耐

久性是一个广义的概念。具体到汽车上来讲，就是一个可靠性的问题。因此，耐久

性指标的分解实质上是可靠性指标的分解，或曰可靠性指标的分配。可靠性分配

的目的是：

（1）帮助设计者更加清楚的了解各元器件、部件或模块的可靠度与整机可

靠度之间的关系，分析整机可靠性指标是否能够得到保证；

（2）在要求保证整机可靠度的前提下，明确对模块、部件、元器件的可靠

性要求；

（3）促使设计者全面考虑诸如重量、费用和性能等因素，以期获得合理的

设计；

（4）暴露整机的薄弱环节，为改进设计提供依据。

由整车分配到子系统或模块来的可靠性指标，应当作为本模块的性能约束之

一。作为可靠性分配的定量指标，将依据重要度、使用环境、制造水平和制造成本

等因素综合协调加以制定。在设计时，如何把规定的可靠性指标合理地分配给模

块的各单元，再将分配给各单元的可靠性指标合理的分配到组件、零部件直至元

器件，包括接插件和焊点等，是可靠性分配核心。

通过可靠性分配还可以论证所确定的产品的可靠性指标是否合理。通过分配，

如果发现各单元均难以达到所分配给它的可靠性指标，则说明确定的可靠性指标

过高，需作适当降低；反之则可略为提高。如果可靠性指标必需达到，则应重新

改进整机及各部件之设计，以满足要求。

可靠性分配后，用各单元、组件以至元器件的分配值计算模块的可靠度，并

与要求的可靠度进行比较。如能满足要求，则可靠性分配工作到此结束。否则，需

要改进设计，对可靠性进行再预计，再分配，直至满足指标要求为止。因此，可

以说产品及模块的可靠性设计过程，也是可靠性预计和可靠性分配反复进行的过

程。

进行可靠性分配有两个重要的依据：一是要求的可靠性指标；二是各个单元

可靠性预计的结果。由于产品的种类繁多，它们应用的环境条件也各不相同，因

此很难建立一套共同的可靠性分配原则。但是，有几个方面的因素，如各元部件

的重要性、可维修性、复杂程度以及现有的可靠度水平等，在可靠性分配时是一定

要考虑的。一般来说：

（1）对产品中的关键部件，分配的可靠性指标要高一点，即可靠度高一点、

失效率则低一点；

（2）对比较复杂的单元或组件，分配的可靠性指标可以低一点；

（3）对工作环境不好的单元或组件，分配的可靠性指标也可低一点；

参考文献

（4）对可维修的单元，分配的可靠性指标可以低一点；

（5）对改进潜力大的单元或组件，分配的可靠性指标应高一点；

（6）对现有产品的可靠性水平较低，且难于在短期内提高其可靠性水平的

单元或组件，分配的可靠性指标应低一点。

由此，根据目前汽车行业现状，一般规定 20 万公里为大修里程，各个模块或

子系统应超过该指标对模块的技术要求，即每个模块都要保证整车超过20 万公里

的行驶要求。对于本项目的底盘结构件五件套模块，应满足整车超过30 万公里的

行驶要求。

对于本项目关注的底盘结构件五件套模块，既不传递动力，也不传递运动，

属于承载结构件。因此，该模块自身不产生振动，而是在外界激励下被动产生振

动响应。扭杆梁后桥为中厚板冲压后焊接而成的梁式结构件，见图 1-1。它是轿车

的重要部件之一，其主要特征是连接车身与车轮，同时传递扭矩[2]。即该后桥同时

承受车轮引起的扭矩和地面经车轮传递的垂直载荷。因此，为了确保该零件的耐

久性，必须具有足够的抗疲劳强度；为了避免在车轮传递的载荷作用下产生共振

该桥应有大于车轮载荷主频率（15-20HZ）的一阶固有频率。

图 1-1 后桥受力特征

此次对轿车后桥进行轻量化设计是按可靠性进行设计的，在满足可靠性要求

的情况下，充分挖掘材料强度的潜力使结构重量减小，并且降低成本提高性能。

本项目的底盘结构件模块，利用低载强化原理结合疲劳损伤理论实现对强度

可靠性指标的正确把握和设计，同时利用模态分析技术及其灵敏度分析实现对主

模态的设计达到避免共振以降低动载荷、确保平顺性；进而通过工艺技术的革新

与进步保证模块特征的制造实现；最后通过制定有效的评价标准结合台架或试车

实验，验证模块特征的实现程度。在设计、分析、制造、评价等环节进行了初步探索

与实践，为后桥主要性能特征的实现与改善积累了有益的经验。

§1.1.2 课题来源

本课题来源于浙江省重大科技专项“基于载荷与强度特性的轿车底盘结构件

模块化开发攻关”（项目编号2009C11106）。

连接车

身

连接车身

连车轮

安装减震器

连

车

轮

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摘要：

扭杆梁后桥可靠性设计及轻量化摘要随着汽车产销的增长，人们对汽车轻量化的要求也越来越迫切。众所周知，汽车减重后，加速性能会相应提高，汽车的噪音、振动方面也会有不同程度的改善。更为重要的是汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放也是十分重要的。理论分析和试验结果都表明，轻量化是改善汽车燃料经济性的有效途径。本文从扭杆梁后桥的轻量化入手，以可靠性为约束，结合低载强化理论对扭杆梁后桥进行结构优化设计，在满足可靠性的要求下，达到减重的设计目的。在设计研究过程中，首先分析并了解可靠度的计算方法以及低载强化理论对材料静强度的影响，为扭杆梁后桥的分析和设计提供了理论依据。然后通过建立后桥的三维模型，根据后桥承载情...

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