【技术】从材料和设计开发揭秘板车悬挂

半个月前我们讨论过三台车（C4、飞度、观致3）侧臂的材料问题，但光从材料出发考察扭力梁的力学性能是不全面的。
我们普通人买车，对于车辆底盘的最低要求就是安全可靠，而零部件和主机厂也正是围绕安全可靠这个交付质量的主旨进行车辆和零件的设计制造。
图1 引入一张扭力梁极限工况下的应力分布云图。我们可以直观的看到，应力主要分布于扭转梁上(Torsion Beam)，其次是扭转梁与侧臂(Side Arm)的焊缝等过渡区域。而对于侧臂应力集中在弹簧盘(Spring Seat)，衬套座(Bush Holder)以及法兰板(Flange Plate)


看上图我们也就很容易可以理解，上述侧臂应力集中区域都是承重或连接区域。在实际行驶过程中，路面的颠簸会通过一侧车轮对扭转梁施加弯矩和扭矩。前者的受力情况比较稳定，而后者却不然。
那么我们就按照应力的分布，来看一下相关信息，并借此重新了解一下扭转梁总成。
1- 扭转梁
对于扭转梁后桥总成来说，扭转梁的技术含量是最高的。路面情况多变且不可预测，扭转梁在行驶过程任何一刻的受力情况都会不同，力的方向和大小随时都可以突变。
从结构上区分，扭力梁可分为开口和闭口两类(板型和管型)
下面直接粗暴上图
1-板型(图片引自汽车之家)

1-管型(图片引自汽车之家)

出于强度考虑，梁的截面都是类V形。
板梁一般由料片直接冲压成型，由于结构限制，强度必须要有补强。所以开口梁的材料厚度一般会更高，且往往需要加强件来补足结构上的缺陷。常用的方法是在开口梁里增加一根稳定杆，或者其他形式的加强件。
管梁的工艺则复杂很多，需要将钢材制成圆管，焊接成一体（现多使用激光焊接保证精度）再通过压机将圆管压制成型。成型完成后，管梁还需要进行外抛丸去除材料表面缺陷避免局部应力集中。有条件的供应商会在主机厂要求下，为了保证层叠的结构不会在行驶过程中产生异响，会将管梁两端加端盖封闭注油。
相较而言，管梁的制备工艺要求比较高，一般情况下相当规格下，管梁更轻，机械性能更优（用书打考了零分的儿子时，你一定会卷起来抡），成本也会略高。

2.看完梁，我们再来看一下焊缝。
不论大梁如何与纵臂匹配，连接两者的焊缝一般会被定义为安全焊缝。从名称就能看出这道焊缝是关乎安全的，所以是不允许出现任何形式的焊接缺陷的（如焊穿，咬边等）。
2.1那么一般生产过程中如何在现场快速判断焊缝是否有效呢？
对于MAG焊（融化电极气体保护焊，主要应用于各类钢材焊接）来说，采取折弯实验是比较普遍的方式。
简单地说，将需要考察的焊缝区域按要求切割成小块。使用锤子击打至两块材料贴合，如果焊缝未现失效（如开裂），则可以简单地判断焊缝强度高于材料的屈服强度。由于零件设计过程已经对结构和材料进行过分析评估，所以逻辑上整个焊接强度都是安全可控的。

2.2当然，金相组织是非常重要的一个评价方法
通过对微观组织的一系列指标考察（金相分析），经过长久以来的经验积累，每一家主机厂都会有自己的一套标准，这也是对焊接组织最科学的分析方法

3.侧臂（纵臂）

对于侧臂来说需要将路面对轮胎(4-FlangePlate)的作用力传递到5-减震器支柱（Damper/Damper Bracket）3-大阻尼弹簧（Spring/Spring Seat）2-扭力梁（Torsion Beam）1-车身（通过连接机构/Bush， Bush holder）。
比较成熟的布置顺序从车头往车尾方向：1车身连接机构-2扭力梁-3弹簧-4车轮安装板-5减震器支柱。除1，2，4的相对位置不可以改变，3，5的 位置可以在车轮轴前后做一定范围的调整。而所有数字之间的间距，都可以根据整车设计的要求做调整，这些参数都需要经过严谨和长期验证，否则会出现严重的质量隐患。
3.1举一个家喻户晓的例子，2012年陆续出现的速腾断轴事件：
说是断轴，准确地说是断后桥纵臂。

（图片来来源：汽车之家）
红线标注的区域为断裂发生的位置。

上图12345的常规布局顺序，在断轴的速腾上为1-2/4-5/3。
这个布局结构在同期的大众扭力梁中很少见。


回到速腾

从布局上说，以车身连接处1为杠杆的O点讨论：
3.1.1- 起到吸收冲击作用的大阻尼弹簧在最远端非常靠近减震筒的轴线，那么首先被压缩的就会是弹簧。换个角度想，弹簧仅是存储能量后释放能量，真正消化这部分动能和势能的是减震器储液筒，行程越大振幅越平缓，频率也会更低。（此处请看《减震器基础知识》）
3.1.2- 轮胎轴线几乎重合于扭力梁轴线，那么扭力梁的作用就被弱化成抵抗上下方向的弯矩，没有足够的变形空间给它承受两轮前后摆动的作用力。这部分作用力大部分传递给了纵臂。

一端被限制只能做Z平面方向转动的纵臂在单轮跳动的情况下，容易在纵臂上下边线产生剪应力。可能会把单片冲压的纵臂撕裂开。

而大众的第一次补救措施打补丁，也很好地印证了这种失效模式。

当然这也和成本相关，将无功能性的冲压孔作用补丁的紧固，但仍然没有从结构上解决问题。
3.2 那么从结构上再来看，速腾只使用了一根横向稳定杆

该稳定杆并没有直接连接两侧轮毂，有些类似打了五折的英朗瓦特连杆。这样的结构对抑制车身横向摆动和转向侧倾的能力本身并不强，整个扭转梁和车轮不断对两条纵臂施加作用力，也是导致失效的原因之一。
最后说一下车身连接的机构，本案中应该使用的是刚性的吊耳结构。也就是上面谈到的限制纵臂只能在Z平面上下运动，现在高强度的橡胶衬套是比较普遍的连接方式。可以给予刚性部件一定的自由度，且对于遏制异响也有很大程度的改善。
我相信拿完典型，大家对扭转梁的作用和重点已经很明确了。
其实不存在结构的绝对优越性，就比如速腾如果在切换过程中做过充分的验证和失效模式分析，这样的售后市场事故以大众的能力是绝对可以避免的。
在讨论产品的优劣的同时，绝对不可以孤立地看待产品本身，而是要结合产品的目标群体，使用环境，当地法规政策来综合看待。