元宝梁副车架的轻量化设计

姜飞

摘 要：近年来，能源与环境危机加速了各国政府对汽车行业产品能耗与排放的严格控制，而国内在2020年7月1日将实施国六a排放标准。目前国内在汽车零部件轻量化领域的发展逐步加快。副车架作为乘用车的主要承载零部件，如何进行轻量化研究变得非常有意义。基于此，本文对副车架的结构优化进行了分析研究。

关键词：元宝梁 副车架 轻量化

1 轻量化的意义

20世纪70年代的两次石油危机促进了汽车工业发展，提高了燃油经济性。80年代中期，保护人类居住和赖以生存的环境又一次推动了汽车工业提高燃油经济性和排放。近年来，能源与环境危机加速了各国政府对汽车行业产品能耗与排放的严格控制。到2020年，除美国之外的生产消费国和地区，对乘用车燃油消耗的要求都将严格限制在5L/100Km以下的水平，而且碳排放也更加严格（国内在2020年7月1日将实施国六a排放标准）。

研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，汽车的质量每减轻100Kg，百公里油耗将较少0.4-1.0L，汽车质量每减少10%，燃油消耗可降低6%-8%，同时汽车的废气排放量也有明显的降低。目前国内在汽车零部件轻量化领域的发展逐步加快。副车架作为乘用车的主要承载零部件，如何进行轻量化研究变得非常有意义，本文对副车架的结构优化进行了分析研究。

2 副车架轻量化方向

副车架是承载前后车桥及悬挂的支架，主要作用是阻隔振动和噪声，减少其直接进入车厢，提高整体悬架刚度。副车架的轻量化设计主要从结构优化、新材料应用两方面着手。

3 副车架性能指标的确定

3.1 原始三维数据建立

首先，采集标杆车副车架硬点坐标，分析结构及工艺。其次，扫描车副车架数据，用Catia软件进行逆向建模。再次，对副车架进行拆解，了解焊接结构，分析焊接工艺，初步确定材料属性。此副车架主体由冲压件组焊而成，主要尺寸包含有四个车身安装点与车身连接，2个摆臂安装点，2个转向机安装点，4个稳定杆安装点，1个发动机悬置安装点，具体结构如图1基础版模型。

3.2 设计条件及要求确定

为应对国六a的排放标准的实施，对此款副车架进行轻量化设计，以基础版模型为准，保持硬点及性能指标不变，参考基础版模型的包络及设计条件，在满足使用要求的情况下重量下降10%（2kg），以达到轻量化的目的。

3.3 基础版模型性能指标分析确定

为确定减重优化方向，减少优化所需的时间，首先对基础版模型的性能指标进行分析，确定各点在各工况下的刚度、强度及各阶模态（如图1基础版指标所示）。

4 副车架结构优化

4.1 减重思路确定

根据产品结构与分析结果来看，为达到接近2KG目标重量的减少，最简便快捷的方法就是对占主要重量的上、下板，以及羊角弯管支架进行减薄，但主体的减薄必然意味着整体刚、强度的下降。为保证性能的稳定，需根据减薄的厚度及模型的结构形状在内部增加加强板，不断地进行迭代计算，最终确定需要增加加强板的结构与位置。

4.2 第一轮材料减薄优化与验证

在不改变原有结构的情况下，上板厚度减薄0.2mm，下板厚度减薄0.5mm，侧加强板厚度减薄0.5mm，整体重量下降1.9KG，重量目标已经达到，但整体性能严重下降（如图1第一版方案所示）。

4.3 第二輪结构优化与验证

基础版模型是弯管式羊角配合侧加强板连接前、后安装点结构，根据以往的设计经验，结合此类结构的特点，整体优化思路如下：

首先，提高前、后安装点连线区域的刚度再配合后点加强板的改进，进行整体减重;其次由于基础版模型无中间加强板，为防止主体变薄使悬置安装点、前、后摆臂安装点、稳定杆安装点变弱，需增加中间加强板。整体优化以静刚度为起点，对其进行最大程度的加强，动、静刚度以及模态会同步提高，之后通过对局部的改动增加动刚度，最后进行模态及强度的优化。

根据整体减重优化思路，对上板减薄0.2mm，将三块拼接的下板合成一个整体，同时减薄0.4mm，羊角弯管保持不变，更改后车身安装点加强板的结构，并向上翻边与上板焊接，去掉侧加强板，将上、下板外侧进行翻边焊接，改变摆臂前点安装支架的焊接结构，增加一个整体的中间加强板，贯穿左右两侧，整体减重1.3KG（如图1第二版方案所示）。

分析结果显示除稳定杆与转向机位置部分结果略低，静、动刚度基本高于基础模型，下一次优化将在此基础上重点关注这两个安装点的刚度。

4.4 第三轮结构优化与验证

在第二轮进行优化设计时，未考虑摆臂的运动包络，只是单纯的进行了一次减重设计，结果模型整体结构略有些偏离，左右两侧的连接位置影响了摆臂的运动空间。此次在第二轮优化方案的基础上，结合运动包络干涉位置进一步优化。

第三轮方案主要是改变中间悬置加强板的结构，将中间悬置加强板变为一个盒子形状，贯穿模型的X方向;将原来的一个整体的中间加强板改为左右两段，并与中间悬置加强板进行焊接;在后车身连接点处，增加一个YZ方向的加强板，应对模型轮廓向内收缩造成的性能的下降，整体减重0.9KG。（如图1第三版方案所示）。

经过三轮优化，除转向机安装点处的刚度略低于基础版模型，其他硬点刚度结果都满足目标，且其余安装点的动、静刚度和模态分析结果都远高于基础版模型的指标，各工况下强度都低于材料屈服极限，为后续优化减重留出了足够的设计空间。

4.5 第四轮结构优化与验证

目前性能指标已经满足且局部超过基础版模型，但减重10%的目标还没有达到要求，所以再次降低下板厚度0.1mm，同时增大弯管直径10mm，并降低厚度1mm，弯管重量大幅下降;对左、右中间加强板与中间悬置加强板的厚度降低，根据分析云图在性能过剩或不影响性能处开减重孔，对比基础版模型整体重量下降1.97KG。（如图1第四版方案所示）

4.6 第五轮结构优化与验证

经过四轮的设计优化，目前模态、刚度、强度及减重10%的目标全部达到要求。单考虑到成本的压力，决定进行五轮优化设计，看看是否还有降重的空间。

结合以往的设计经验，参考其他标杆车型的元宝梁副车架结构，进行了第五轮设计改进，主要把羊角的弯管结构设计改为两个冲压件的焊接结构，此方案与第四轮方案相比，重量再次下降了0.31KG（如图1第五版方案所示）。

4.7 材料属性定义

材料属性的定义是通过有限元分析结果决定的，原则上所有工况的应力都不大于材料的屈服极限，所有极限工况的应力都不大于材料的抗拉极限。通过分析结果来看，原模型上、下板使用材料为QSTE380，材料屈服极限380MPa，其他冲压件采用SAPH440材料，屈服极限305MPa，满足各工况最大强度，使用材料可以保持不变。

5 元宝梁副车架优化方案确定

经过五轮的优化，确定了两种优化方案。第四版方案满足了设计目标的同时，减重11.7%（1.97kg）;第五版方案某些刚度降低了9%左右，减重13.6%（2.28kg）;经与客户的沟通后，确定使用第四版方案。

6 结语

汽车的轻量化设计是大趋势，目前随着国六a标准的实施，副车架作为汽车的主要零部件，如何减重显得尤为重要。本文讲述了元宝梁副车架的优化过程，主要描述了减重的思路，并通过对结构及受力特点的分析，逐步进行优化，尽量少走弯路。希望对同类型产品的减重优化有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]晏海军.某扭转梁悬架运动学及动力学分析与优化[D].湖南大学，2014.