底盤副車架輕量化設計分析

趙思文 謝評周 覃敏芳

柳州五菱汽車工業(yè)有限公司山東分公司 山東 青島 266555

引言

隨著人們出行需求的不斷提高，汽車得到快速普及應用，逐漸發(fā)展成為人們常用的代步工具，人們對汽車使用頻率的不斷增加，促使人們對汽車的要求也向多樣化發(fā)展，底盤副車架作為汽車重要的構成部分，其重要性是不容忽視的，目前底盤副車架輕量化設計已經受到汽車領域的重視與關注，而且相關人員也對底盤副車架輕量化展開了大量研究，這對于汽車的良性發(fā)展具有一定的助推作用，同時也有助于更好地滿足汽車消費者關于汽車節(jié)能效果等方面的具體需求。

1 汽車副車架結構特點

汽車底盤的副車架是一種起傳承作用的組成構件，它連接車身和懸架這種連接讓懸架剛度大為提升，副車架的作用不可低估，在汽車底盤加裝副車架，整個車型的減振效果立竿見影，可達五級，汽車行駛產生振動時，四級減振沒有完全吸收的振動會通過加裝了副車架的第五級橡膠襯套吸收殆盡，促進整車平順行駛，由此也可看出副車架的重要功效，安裝副車架，對其性能的要求主要體現在以下幾點[1]：

①所安裝的副車架在剛度和強度方面要達到要求，這是為了能保證力矩和力的有效傳遞，特殊情況下必須保證應力限制在材料屈服極限之內，即使工況處于極限條件下，對所有節(jié)點永久變形的規(guī)定也不能逾矩，同時塑性應變控制在規(guī)定范圍之內；②前文所述，懸架和車身由副車架連接，同時橫向穩(wěn)定桿以及轉向機支架等重要構件也在副車架上安裝，其作用的特殊性要求汽車所有零部件不得對副車架產生任何交集和干涉；③汽車行駛途中副車架的低階固有頻率可能會和其他底盤配件出現共振現象，對其進行優(yōu)化必不可少；④汽車行駛產生的交變載荷極其復雜，副車架是主要承受件，其使用壽命時長要求極高，校核副車架的系統(tǒng)和零部件時必須提高級別，其耐久性校核必須以整車級別衡量。

副車架與懸架部件實現連接在方式上有所不同，這也使副車架的形式分為安全承載和半承載兩種形式，具體來講，副車架為半承載式的，懸架系統(tǒng)部分連接副車架，部分連接車身，缺陷是不能獲得良好振動衰減效果，副車架為安全承載式的，懸架系統(tǒng)在進行連接時是首先連接副車架，與車身的連接則需通過副車架來實現，相較于半承載式副車架，由此大幅提升振動衰減效果[2]。

從制作材料的角度來給副車架進行劃分也有兩種，即鋼質和鋁質副車架，相對來說，鋼質副車架在制作工藝和成本方面具有簡便易行且成本低廉的優(yōu)勢，在汽車車型制造中應用較為普遍，鋁質副車架在重量上要低于鋼質副車架，但是成型難度大且推高成本，因此使用范圍受到限制，在中高端車型中應用較多。

副車架從成型工藝角度可劃分為三種，一是板殼沖壓成型形式，優(yōu)點是工藝簡單，缺點是模具成本高昂，二是管梁彎曲成型形式，優(yōu)點是焊接作業(yè)量大幅降低，改裝設計簡便易行，缺點是材料極易發(fā)生彈性變形，精度控制比較困難，三是鑄造成型形式，這種形式在鋁質副車架制造中常用，無論是成型工藝難度還是成本造價方面都有較高難度，且需要糅合很多其他的復雜成型工藝，目前限制在高端車型中應用。

2 副車架結構優(yōu)化

實現汽車設計制造的結構輕量化追求，優(yōu)化設計是必經之路，優(yōu)化設計內容可分為拓撲，形貌以及尺寸等方面的優(yōu)化。

對副車架進行動態(tài)性能分析通常意義上指模態(tài)性能，通過分析可對副車架承載時振動狀態(tài)作出判斷，副車架有保障整車行駛平順性的功用，為最大限度控制共振現象的產生，校核其模態(tài)性能成為必須，以它的自由模態(tài)性能計算為例，要求模態(tài)此時無任何外力約束，對其進行計算需要所有安裝點自由度得到充分釋放，前文所述，副車架與車身和懸架連接在剛度方面提升副車架的性能，但是其固有頻率也同步得到了提高，因此1D連接單元需要徹底刪除，nastran計算求解器和蘭索斯自由模態(tài)參數提取法是模態(tài)性能計算的高效輔助措施，在對副車架進行模態(tài)性能設計時須保證超過60Hz的一階固有頻率和超過75Hz的二階固有頻率，但是通過分析發(fā)現，自由模態(tài)性能下一和二階固有頻率數據參數是較低的60.3和67.6Hz，而且二階固有頻率數據明顯低于設計要求，由此可判斷出底盤有可能和別的零部件出現共振，另外需要注意的是，設計副車架須注意其固有頻率盡量不接近鄰近階次的固有頻率。

3 副車架結構輕量化設計[3]

①分析發(fā)現副車架的底板應力很小，可進行整體劃分，通過是一分為四，板厚以及剛度性能保持原樣，但是材料提高了利用率，便于后續(xù)繼續(xù)進行輕量化設計；②分析發(fā)現轉向機前安裝點套管有剛度與設計要求不符的現象，可在鄰近區(qū)域增設加強板來克服；③副車架的設計初版羊角部位安裝設計不合理，左上板的安裝過于簡單，上下結構關聯度不夠，影響了整體剛度，羊角部位的改進設計是繼續(xù)延伸，直至連接到底板，撤換原加強板結構，代之以羊角外板，上下板實現更緊密連接，整體剛度得以提升，也有利于副車架的輕量化設計；④自由模態(tài)性能分析發(fā)現副車架存在太低的低階固有頻率，可通過提高整體剛度進行彌補，同時利于減緩疲勞損傷，為進一步提高副車架的耐久性，可延長兩側加強板，同時重新加強設計；⑤設計副車架結構時為了規(guī)避其他干涉，轉向機支架需要前上板進行避讓，為了提升固有頻率以及某些部位的剛度，可加設加強筋，對橫向穩(wěn)定桿進行安裝底座的輕量化設計；⑥為最大限度發(fā)揮材料的使用價值，有必要對前防撞梁支架進行位置改進。

4 輕量化設計理念下的副車架疲勞壽命優(yōu)化設計分析基礎

4.1 疲勞分析循環(huán)應力求解方法

汽車長期行駛中，交變載荷復雜且長期變換不定，雖然材料受到的應力并未突破屈服極限，但如果應力值低于彈性極限，構件就會出現疲勞破壞，構件應力應變是這個過程涉及的主要參數，可通過下列方法獲取。

4.1.1 靜力學分析。載荷形式不同，適合求解循環(huán)應力的方法也會有所差異，工況特定時，整車參數，加速度綜合考量或者多體動力模型等途徑得到靜態(tài)載荷，這種載荷形式需進行有限元模型的構建，通過分析靜力學從而得到準確的應力數據，由于這種方法對材料應力應變曲線的真實性做到了充分考慮，因此確保了數據的精準度，計算過程無須納入過多參數。

4.1.2 應力影響系數法。通過靜力學分析得到的應力應變數據僅限于反映特定時刻，疲勞性能的準確計算無法滿足，如果載荷時間歷程成為載荷形式，應力影響系數法最為適用，這種方法不僅進行靜力學分析，同時引進線性疊加，第一是把構件載荷方向定義成載荷通道，把單位載荷加載于某一載荷通道，其他通道不加載，此時引入靜力學分析獲取應力的計算數據結果，對這條通道進行影響系數確認，照此方法對其他載荷通道依次類推確認影響系數，把影響系數乘以載荷通道的真實載荷，就是這條載荷通道真正的應力結果數據。

4.1.3 直接積分瞬態(tài)法。若激勵頻率接近零部件的固有頻率，再利用應力影響系數法計算應力結果就會有較大誤差出現，動力學響應是需要此時考慮的問題，直接積分法是一種有效的計算方式，它有隱式和顯式兩種積分形式，缺點是需要相當大量的計算，尤其如果零部件耐久載荷譜歷過長，進行循環(huán)應力計算的工作量更大。

4.1.4 模態(tài)疊加法。這種方法是結合結構振型縮減同時對方程進行解耦，模態(tài)和物理各自擁有自己的坐標系和動力學方程，模態(tài)疊加法就是轉化這些方程并求解，轉換解得的模態(tài)向量，使之變成物理坐標系位移響應，由此計算系統(tǒng)應力，優(yōu)點是不需所有各階模態(tài)，低階模態(tài)由于對結構動力有更大響應，所以只取前幾階即可。

4.2 副車架鈑金結構疲勞壽命分析

利用專業(yè)軟件開展疲勞分析，操作流程可分為以下步驟[4]：第一，向每個載荷通道施加1000牛頓的單位載荷，輸入構建好的有限元模型，獲取準確的應力結果，把耐久循環(huán)通道耐久載荷譜與單位力分析結果對應，進行循環(huán)次數的輸入，對材料屬性進行設置并得到S-N或者S-E曲線，結合技術參數計算并分析計算結果，再利用專業(yè)軟件對計算結果進行分析處理得到結果，副車架鈑金結構進行耐久性分析的數據結果是：10802537是危險節(jié)點，它的壽命值達到了耐久循環(huán)的8.882倍，設計要求中的這個倍數值為大于等于1.5倍，分析結果表明符合設計要求，第二，材料自身有疲勞強度焊縫結構的疲勞強度多數情況下較低，副車架多數沖壓焊接失效均為焊縫開裂引起，所以需校核焊縫結構疲勞壽命。

4.3 輕量化設計理念下副車架疲勞壽命優(yōu)化設計[5]

4.3.1 預處理副車架耐久載荷譜，處理內容包括趨勢項和毛刺的去除以及低頻濾波，副車架主要材料通過四點關聯法獲取應變壽命曲線，分析副車架焊縫和鈑金結構疲勞壽命，兩項相對于耐久循環(huán)的倍數值分別是：鈑金結構8.88倍，焊縫結構是2.75倍，符合輕量化設計理念下對耐久性能的設計要求。

4.3.2 以臺架方式測試輕量化設計理念下設計的副車架耐久性，選取10個副車架關鍵載荷方向，分析它們的相位相關性，找出無相位相關性通道，對其實施以偽損傷為出發(fā)點的Block縮減和多載荷塊等效劃分，若通道相位相關，則對其實施以損傷保留為出發(fā)點的縮減剔除小損傷，縮減完成后再對通道進行相位相關測試，路譜縮減有效性驗證測試則通過偽損傷，真實損傷以及雨流計數等方式方法進行分析。

4.3.3 為方便各種性能測試分析，制作了樣品副車架，目標譜采用路譜縮減載荷譜，用專業(yè)測試系統(tǒng)臺架方式對副車架進行6通道角度加載測試耐久性，當耐久循環(huán)倍數值為1.9時，試驗觀測到副車架有焊縫結構裂紋出現，位于左控制臂焊縫，有限元模型分析的失效位置與現場試驗位置完全相符，耐久循環(huán)壽命倍數值1.9的數據符合輕量化設計理念下耐久性能的技術設計要求。

5 副車架輕量化設計優(yōu)化策略

進行副車架輕量化設計的過程中一定要對車輛運行的情況進行綜合分析，并輸入車架運行的參數，通過模型設計與運行確定最合適的設計關鍵參數，并為副車架設計的效果優(yōu)化提供保障[6]。輕量化設計過程中還應結合材料、結構設計的要求，盡量選擇與車輛設計理念相符合、制造成本較低的設計方案。在輕量化設計過程中還應落實好設計質量控制責任，一旦發(fā)現設計有與整車設計不協調的問題就要及時進行設計方案修改，并做好各環(huán)節(jié)設計的整體模型搭建與分析，以此來提升副車架輕量化設計的實用性，為車輛結構與材料優(yōu)化提供助力。

6 結束語

目前我國民眾的經濟實力有了普遍提高，汽車已經走入千家萬戶，汽車消費者的增加，促使人們對汽車的要求也越來越多，因此汽車設計面對的重重考驗與挑戰(zhàn)，隨著輕量化設計理念的不斷滲透，汽車底盤副車架輕量化設計越來越受關注，以上文章著重探討了輕量化設計理念的副車架疲勞壽命優(yōu)化設計，希望與相關人員共同交流參詳。