元寶梁副車架的輕量化設(shè)計(jì)

姜飛

摘 要：近年來，能源與環(huán)境危機(jī)加速了各國政府對(duì)汽車行業(yè)產(chǎn)品能耗與排放的嚴(yán)格控制，而國內(nèi)在2020年7月1日將實(shí)施國六a排放標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)在汽車零部件輕量化領(lǐng)域的發(fā)展逐步加快。副車架作為乘用車的主要承載零部件，如何進(jìn)行輕量化研究變得非常有意義。基于此，本文對(duì)副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：元寶梁 副車架 輕量化

1 輕量化的意義

20世紀(jì)70年代的兩次石油危機(jī)促進(jìn)了汽車工業(yè)發(fā)展，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。80年代中期，保護(hù)人類居住和賴以生存的環(huán)境又一次推動(dòng)了汽車工業(yè)提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。近年來，能源與環(huán)境危機(jī)加速了各國政府對(duì)汽車行業(yè)產(chǎn)品能耗與排放的嚴(yán)格控制。到2020年，除美國之外的生產(chǎn)消費(fèi)國和地區(qū)，對(duì)乘用車燃油消耗的要求都將嚴(yán)格限制在5L/100Km以下的水平，而且碳排放也更加嚴(yán)格（國內(nèi)在2020年7月1日將實(shí)施國六a排放標(biāo)準(zhǔn)）。

研究表明，約75%的油耗與整車質(zhì)量有關(guān)，汽車的質(zhì)量每減輕100Kg，百公里油耗將較少0.4-1.0L，汽車質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6%-8%，同時(shí)汽車的廢氣排放量也有明顯的降低。目前國內(nèi)在汽車零部件輕量化領(lǐng)域的發(fā)展逐步加快。副車架作為乘用車的主要承載零部件，如何進(jìn)行輕量化研究變得非常有意義，本文對(duì)副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了分析研究。

2 副車架輕量化方向

副車架是承載前后車橋及懸掛的支架，主要作用是阻隔振動(dòng)和噪聲，減少其直接進(jìn)入車廂，提高整體懸架剛度。副車架的輕量化設(shè)計(jì)主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料應(yīng)用兩方面著手。

3 副車架性能指標(biāo)的確定

3.1 原始三維數(shù)據(jù)建立

首先，采集標(biāo)桿車副車架硬點(diǎn)坐標(biāo)，分析結(jié)構(gòu)及工藝。其次，掃描車副車架數(shù)據(jù)，用Catia軟件進(jìn)行逆向建模。再次，對(duì)副車架進(jìn)行拆解，了解焊接結(jié)構(gòu)，分析焊接工藝，初步確定材料屬性。此副車架主體由沖壓件組焊而成，主要尺寸包含有四個(gè)車身安裝點(diǎn)與車身連接，2個(gè)擺臂安裝點(diǎn)，2個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)安裝點(diǎn)，4個(gè)穩(wěn)定桿安裝點(diǎn)，1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝點(diǎn)，具體結(jié)構(gòu)如圖1基礎(chǔ)版模型。

3.2 設(shè)計(jì)條件及要求確定

為應(yīng)對(duì)國六a的排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，對(duì)此款副車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，以基礎(chǔ)版模型為準(zhǔn)，保持硬點(diǎn)及性能指標(biāo)不變，參考基礎(chǔ)版模型的包絡(luò)及設(shè)計(jì)條件，在滿足使用要求的情況下重量下降10%（2kg），以達(dá)到輕量化的目的。

3.3 基礎(chǔ)版模型性能指標(biāo)分析確定

為確定減重優(yōu)化方向，減少優(yōu)化所需的時(shí)間，首先對(duì)基礎(chǔ)版模型的性能指標(biāo)進(jìn)行分析，確定各點(diǎn)在各工況下的剛度、強(qiáng)度及各階模態(tài)（如圖1基礎(chǔ)版指標(biāo)所示）。

4 副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 減重思路確定

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與分析結(jié)果來看，為達(dá)到接近2KG目標(biāo)重量的減少，最簡便快捷的方法就是對(duì)占主要重量的上、下板，以及羊角彎管支架進(jìn)行減薄，但主體的減薄必然意味著整體剛、強(qiáng)度的下降。為保證性能的穩(wěn)定，需根據(jù)減薄的厚度及模型的結(jié)構(gòu)形狀在內(nèi)部增加加強(qiáng)板，不斷地進(jìn)行迭代計(jì)算，最終確定需要增加加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)與位置。

4.2 第一輪材料減薄優(yōu)化與驗(yàn)證

在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)的情況下，上板厚度減薄0.2mm，下板厚度減薄0.5mm，側(cè)加強(qiáng)板厚度減薄0.5mm，整體重量下降1.9KG，重量目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到，但整體性能嚴(yán)重下降（如圖1第一版方案所示）。

4.3 第二輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證

基礎(chǔ)版模型是彎管式羊角配合側(cè)加強(qiáng)板連接前、后安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合此類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，整體優(yōu)化思路如下：

首先，提高前、后安裝點(diǎn)連線區(qū)域的剛度再配合后點(diǎn)加強(qiáng)板的改進(jìn)，進(jìn)行整體減重;其次由于基礎(chǔ)版模型無中間加強(qiáng)板，為防止主體變薄使懸置安裝點(diǎn)、前、后擺臂安裝點(diǎn)、穩(wěn)定桿安裝點(diǎn)變?nèi)?，需增加中間加強(qiáng)板。整體優(yōu)化以靜剛度為起點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行最大程度的加強(qiáng)，動(dòng)、靜剛度以及模態(tài)會(huì)同步提高，之后通過對(duì)局部的改動(dòng)增加動(dòng)剛度，最后進(jìn)行模態(tài)及強(qiáng)度的優(yōu)化。

根據(jù)整體減重優(yōu)化思路，對(duì)上板減薄0.2mm，將三塊拼接的下板合成一個(gè)整體，同時(shí)減薄0.4mm，羊角彎管保持不變，更改后車身安裝點(diǎn)加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，并向上翻邊與上板焊接，去掉側(cè)加強(qiáng)板，將上、下板外側(cè)進(jìn)行翻邊焊接，改變擺臂前點(diǎn)安裝支架的焊接結(jié)構(gòu)，增加一個(gè)整體的中間加強(qiáng)板，貫穿左右兩側(cè)，整體減重1.3KG（如圖1第二版方案所示）。

分析結(jié)果顯示除穩(wěn)定桿與轉(zhuǎn)向機(jī)位置部分結(jié)果略低，靜、動(dòng)剛度基本高于基礎(chǔ)模型，下一次優(yōu)化將在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)關(guān)注這兩個(gè)安裝點(diǎn)的剛度。

4.4 第三輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證

在第二輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，未考慮擺臂的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，只是單純的進(jìn)行了一次減重設(shè)計(jì)，結(jié)果模型整體結(jié)構(gòu)略有些偏離，左右兩側(cè)的連接位置影響了擺臂的運(yùn)動(dòng)空間。此次在第二輪優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合運(yùn)動(dòng)包絡(luò)干涉位置進(jìn)一步優(yōu)化。

第三輪方案主要是改變中間懸置加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，將中間懸置加強(qiáng)板變?yōu)橐粋€(gè)盒子形狀，貫穿模型的X方向;將原來的一個(gè)整體的中間加強(qiáng)板改為左右兩段，并與中間懸置加強(qiáng)板進(jìn)行焊接;在后車身連接點(diǎn)處，增加一個(gè)YZ方向的加強(qiáng)板，應(yīng)對(duì)模型輪廓向內(nèi)收縮造成的性能的下降，整體減重0.9KG。（如圖1第三版方案所示）。

經(jīng)過三輪優(yōu)化，除轉(zhuǎn)向機(jī)安裝點(diǎn)處的剛度略低于基礎(chǔ)版模型，其他硬點(diǎn)剛度結(jié)果都滿足目標(biāo)，且其余安裝點(diǎn)的動(dòng)、靜剛度和模態(tài)分析結(jié)果都遠(yuǎn)高于基礎(chǔ)版模型的指標(biāo)，各工況下強(qiáng)度都低于材料屈服極限，為后續(xù)優(yōu)化減重留出了足夠的設(shè)計(jì)空間。

4.5 第四輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證

目前性能指標(biāo)已經(jīng)滿足且局部超過基礎(chǔ)版模型，但減重10%的目標(biāo)還沒有達(dá)到要求，所以再次降低下板厚度0.1mm，同時(shí)增大彎管直徑10mm，并降低厚度1mm，彎管重量大幅下降;對(duì)左、右中間加強(qiáng)板與中間懸置加強(qiáng)板的厚度降低，根據(jù)分析云圖在性能過?；虿挥绊懶阅芴庨_減重孔，對(duì)比基礎(chǔ)版模型整體重量下降1.97KG。（如圖1第四版方案所示）

4.6 第五輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證

經(jīng)過四輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化，目前模態(tài)、剛度、強(qiáng)度及減重10%的目標(biāo)全部達(dá)到要求。單考慮到成本的壓力，決定進(jìn)行五輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，看看是否還有降重的空間。

結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參考其他標(biāo)桿車型的元寶梁副車架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了第五輪設(shè)計(jì)改進(jìn)，主要把羊角的彎管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改為兩個(gè)沖壓件的焊接結(jié)構(gòu)，此方案與第四輪方案相比，重量再次下降了0.31KG（如圖1第五版方案所示）。

4.7 材料屬性定義

材料屬性的定義是通過有限元分析結(jié)果決定的，原則上所有工況的應(yīng)力都不大于材料的屈服極限，所有極限工況的應(yīng)力都不大于材料的抗拉極限。通過分析結(jié)果來看，原模型上、下板使用材料為QSTE380，材料屈服極限380MPa，其他沖壓件采用SAPH440材料，屈服極限305MPa，滿足各工況最大強(qiáng)度，使用材料可以保持不變。

5 元寶梁副車架優(yōu)化方案確定

經(jīng)過五輪的優(yōu)化，確定了兩種優(yōu)化方案。第四版方案滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)的同時(shí)，減重11.7%（1.97kg）;第五版方案某些剛度降低了9%左右，減重13.6%（2.28kg）;經(jīng)與客戶的溝通后，確定使用第四版方案。

6 結(jié)語

汽車的輕量化設(shè)計(jì)是大趨勢(shì)，目前隨著國六a標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，副車架作為汽車的主要零部件，如何減重顯得尤為重要。本文講述了元寶梁副車架的優(yōu)化過程，主要描述了減重的思路，并通過對(duì)結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)的分析，逐步進(jìn)行優(yōu)化，盡量少走彎路。希望對(duì)同類型產(chǎn)品的減重優(yōu)化有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]晏海軍.某扭轉(zhuǎn)梁懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析與優(yōu)化[D].湖南大學(xué)，2014.