輕量化封閉截面式扭力梁橫梁工藝分析

張旭 趙天會(huì) 代慈華 陳永勝

（重慶天人工業(yè)集團(tuán)研發(fā)中心）

汽車(chē)后橋扭力梁是汽車(chē)的關(guān)鍵部件之一，主要作用是平衡左右車(chē)輪的上下跳動(dòng)，以減輕汽車(chē)的搖晃，保持汽車(chē)平穩(wěn)行駛，提高整車(chē)的側(cè)傾剛度。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的扭力梁各組成部件多為鈑金沖壓成型，所以?xún)啥碎_(kāi)口外翻，而且橫梁扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)較小，因此現(xiàn)有扭力梁的軸線(xiàn)上都設(shè)置有1根穩(wěn)定桿以提高其扭轉(zhuǎn)剛度，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，零件質(zhì)量重，成本高。在當(dāng)前節(jié)能環(huán)保、輕量化及降成本的研究熱點(diǎn)背景下，亟需一種成本低、工藝簡(jiǎn)單及產(chǎn)品強(qiáng)度好的輕量化封閉截面式扭力梁。文章闡述了采用沖壓成型和經(jīng)過(guò)高頻淬火工藝成型的封閉截面式扭力梁橫梁的性能和工藝，可實(shí)現(xiàn)在達(dá)到汽車(chē)輕量化的同時(shí)提高整車(chē)性能。

1 封閉截面式扭力梁后懸架系統(tǒng)簡(jiǎn)述

封閉截面式扭力梁式半獨(dú)立后懸架系統(tǒng)發(fā)明于20世紀(jì)70年代，扭力梁是汽車(chē)后懸掛系統(tǒng)中最核心的一個(gè)部件，它在汽車(chē)行駛過(guò)程中能保證轉(zhuǎn)彎時(shí)的安全、對(duì)緩解整車(chē)顛簸起著較為重要的作用，所以剛度、強(qiáng)度及疲勞性能是整個(gè)后懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)[1]。封閉截面式扭力梁與V型穩(wěn)定桿扭力梁相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）封閉式扭力梁可大幅減少零件數(shù)量；2）相同性能參數(shù)要求下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，質(zhì)量相對(duì)減輕2～6 kg，符合汽車(chē)輕量化發(fā)展的要求；3）能減少焊接長(zhǎng)度，封閉式扭力梁僅為橫梁端部圓周焊接，而穩(wěn)定桿的連接點(diǎn)往往需要大量的焊料，導(dǎo)致焊接周?chē)臒嵊绊憛^(qū)成為總成耐久的弱點(diǎn)；封閉式扭力梁的焊縫較長(zhǎng)，有助于分散焊接時(shí)的熱量，降低對(duì)熱影響區(qū)的影響。典型的扭力梁主要有2種形式：1）沖壓成型的U型結(jié)構(gòu)或V型結(jié)構(gòu)，一般厚度為5～10 mm，成型后的扭力梁中間增加1根穩(wěn)定桿來(lái)保持汽車(chē)在彎道時(shí)的平衡；2）由管件直接成型的封閉截面式扭力梁，由于截面整體是封閉結(jié)構(gòu)，不再含有穩(wěn)定桿，在減重的同時(shí)也提高了整體的強(qiáng)度和剛度。典型的扭力梁式半獨(dú)立后懸架系統(tǒng)主要由五部分組成，主要承受垂向和側(cè)向產(chǎn)生力矩的扭轉(zhuǎn)橫梁、橫梁兩側(cè)焊接的縱臂、焊接在縱臂上端連接車(chē)身的襯套、輪轂支架及彈簧座的載荷。封閉截面式扭力梁后懸架系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于拆裝，極少的占用底盤(pán)懸架垂向和橫向空間，有利于油箱、消聲器及備胎等零部件的布置；2）后懸架質(zhì)量小，有利于節(jié)省燃油；3）封閉截面式的設(shè)計(jì)，可兼顧開(kāi)口梁穩(wěn)定桿的作用，降低開(kāi)發(fā)成本；4）只有較少的部件需要裝配，2個(gè)襯套安裝點(diǎn)幾乎對(duì)車(chē)輪的跳動(dòng)沒(méi)有影響，在側(cè)向力的作用下外傾角改變較小?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，封閉截面式扭力梁后懸架系統(tǒng)在A級(jí)轎車(chē)和中低端SUV得到了廣泛的應(yīng)用。

2 扭力梁結(jié)構(gòu)及成型工藝

圖1示出封閉扭力梁數(shù)模及其截面形狀，該梁左右對(duì)稱(chēng)，梁體沿長(zhǎng)度方向分為橫梁端部、過(guò)渡區(qū)及中間V型截面區(qū)，截面形狀變化復(fù)雜且沿軸線(xiàn)方向形狀差異較大[2]。圖2示出前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAE分析結(jié)果云圖。

圖1 封閉式扭力梁結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 封閉式扭力梁前期設(shè)計(jì)CAE分析結(jié)果顯示界面

對(duì)于封閉截面式扭力梁，成型工藝包括熱成型、液壓成型及冷沖壓[3]。管材通過(guò)熱沖壓成型時(shí)向管內(nèi)注入冷卻水進(jìn)行淬火后得到滿(mǎn)足產(chǎn)品要求的屈服和抗拉強(qiáng)度。隨著液壓成型技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。采用液壓成型制造的扭力梁，不但可以成型截面復(fù)雜的形狀，而且可使其截面形狀連續(xù)且變化多樣，滿(mǎn)足不同載荷的要求。某車(chē)型的扭力梁成型主要采取冷沖壓成型，其成型性CAE分析結(jié)果，如圖3所示。根據(jù)封閉截面式扭力梁的特點(diǎn)，沖壓分為預(yù)沖孔和成型2個(gè)過(guò)程，成型分預(yù)成型、成型側(cè)脹形及整形3道工序。預(yù)成型工序是指使管材預(yù)先發(fā)生變形，沿圓周方向合理的擠壓分配材料，保證產(chǎn)品在變形過(guò)程的均勻性和一致性，同時(shí)也能避免過(guò)度減薄甚至開(kāi)裂等不良缺陷；成型側(cè)脹形是指利用脹形沖頭對(duì)胚料兩端進(jìn)行內(nèi)擠壓成型，以保證與縱臂搭接的開(kāi)口尺寸滿(mǎn)足要求、以及加強(qiáng)件搭接和彈簧座搭接的型面接觸良好；在整形工序提高已成型零件的精度，有效地保證整個(gè)產(chǎn)品的尺寸。

圖3 某車(chē)型扭力梁成型性CAE分析結(jié)果顯示界面

3 熱處理工藝

對(duì)于高強(qiáng)度鋼材冷沖壓成型后的熱處理采用退火工藝，主要目的是去除冷沖壓成型后的應(yīng)力[4]。熱成型材料冷沖壓成型后采用退火+感應(yīng)淬火+回火處理。淬火即是通過(guò)感應(yīng)器中的交變電流與工件發(fā)生電磁感應(yīng)，使工件自身產(chǎn)生感應(yīng)電流而急劇發(fā)熱，可很快達(dá)到高溫，短暫保溫后經(jīng)噴淋冷卻。某公司感應(yīng)淬火采用工件豎直固定，感應(yīng)器和噴淋器組合體自下而上采用掃描式淬火方式，可取得接近熱成型良好的熱處理效果，且還可選擇局部淬火，在滿(mǎn)足使用前提下減小變形[5]。

淬火指標(biāo)：對(duì)扭力梁V形槽部位進(jìn)行800～1000℃感應(yīng)淬火，兩端其余部分不淬火，管壁全淬透，淬火部位均應(yīng)滿(mǎn)足淬火硬度在20～50 HRC和全馬氏體組織3～9級(jí)的指標(biāo)要求。

通常零件淬火后通過(guò)連續(xù)式回火爐在300～550℃下進(jìn)行回火，中溫回火后淬火組織評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是JB/T 9204—2008，回火后硬度滿(mǎn)足25～40 HRC的要求，抗拉強(qiáng)度滿(mǎn)足800～1 000 MPa的要求，屈服強(qiáng)度滿(mǎn)足900～1 200 MPa的要求，延伸率滿(mǎn)足5%～20%的要求，金相組織較為一致，均為3～9級(jí)的回火索氏體。

零件成型后通過(guò)去應(yīng)力退火、淬火及回火，達(dá)到硬度在20～50 HRC的要求，同一熱處理工藝參數(shù)硬度差異應(yīng)滿(mǎn)足Max-Min≤5 HRC的要求，熱處理變形量控制在0.8 mm以?xún)?nèi)。某公司目前量產(chǎn)的產(chǎn)品中，根據(jù)不同的熱處理工藝，能滿(mǎn)足后扭力梁總成的實(shí)際疲勞壽命，具體參數(shù)如表1所示。從表1可以看出，扭力梁經(jīng)熱處理后疲勞壽命均滿(mǎn)足要求。

表1 扭力梁臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)際壽命案例

4 結(jié)論

1）利用現(xiàn)有的冷沖壓成型工藝，能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)上大部分封閉截面式扭力梁的成型需求，且通過(guò)此工藝過(guò)程能夠較好地保證產(chǎn)品尺寸精度；2）熱成型材料經(jīng)過(guò)冷沖壓成型后經(jīng)退火、淬火及回火處理，在能夠滿(mǎn)足扭力梁的強(qiáng)度和性能要求的同時(shí)，較大幅度地減輕了扭力梁的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)的輕量化。