某越野车全铝车架性能开发及试验验证

王 璋 王 磊 聂春红 胡东方 马忠民 肖介平

（1-北京汽车集团越野车有限公司 北京 101300 2-北京北汽越野车研究院有限公司）

引言

据有关研究表明，汽车油耗与整车质量非常相关，因此节能减排的一项有效措施就是降低汽车质量[1]。据相关资料介绍，一般情况下，汽车质量每减轻1 kg，则1 L 的汽油就可以使汽车多行驶0.011 km，也就是说汽车每运行10 000 km，就能够节省汽油0.7 L[2]。与此同时，汽车减重不仅减少了油耗，也减少了大气中二氧化碳的排放量，汽车质量减少50%，CO 的排放量就会减少13%，同时也减少了其他有害物质的排放，如硫化物、氮化物等，对提高环境质量也起到了很大作用[3]。

铝是工业最常用的轻金属之一，铝和铝合金材料具有比重小，比强度高，优良的物理性能、力学性能、成形性能、工艺性能和易于回收再利用等一系列的优良品质。目前，汽车有很多部件都使用铝材，如发动机本体、变速器壳体、车轮以及部分车身及四门两盖等，铝合金凭借自身的优良品质使汽车零部件有了较好的减重效果。车架作为非承载式车身结构中的重要部件，其质量控制也是整车轻量化的重要工作之一。

车架作为非承载式车身的主要系统部件，除承受车身系统、动力传动系统、底盘悬架系统、前后桥等静载荷外，还要承受汽车行驶时产生的各种动载荷及各种附加载荷。尤其当汽车在恶劣路况行驶或越野时，这些载荷将被放大。因此，车架在满足足够的强度和合适的刚度前提下，质量还应尽可能小。这就大大增加了设计开发难度。

全新开发的轻量化全铝合金车架，纵梁采用铝合金内高压成型的创新工艺，复杂承载部件采用铸造铝合金，车架整体进行固熔+人工时效热处理工艺。属行业内首次应用的大型铝合金构件，具有较高的先进性，同时具有较高的开发难度。

1 车架性能开发

全铝车架主要包含4 种成型工艺，其中车架纵梁采用内高压成型工艺，部分横梁及管梁采用挤出成型，支架类采用冲压成型工艺，车架整体进行固溶T4+人工时效T6 热处理工艺，如图1 所示。在充分考虑轻量化设计前提下，各项性能满足目标要求。

图1 车架成型工艺分布图

1.1 车架性能目标

车架性能开发类别如表1 所示。

表1 车架性能开发

1.2 车架性能仿真分析

为使车架各部件满足性能开发要求，进行了多工况多性能仿真分析，如表2 所示。

表2 车架性能分析

1.2.1 刚度性能仿真分析

1）车架弯扭刚度分析

铝合金的弹性模量约为钢材的三分之一，为获得与钢制车架相当的弯扭刚度性能，车架纵梁和横梁的截面及厚度进行了拓扑优化设计，车架弯扭刚度分析结果如表3 所示。纵梁采用新型的内高压一体化成型工艺，纵梁的截面为连续变化，并且左右纵梁可以互换通用。多轮优化最终使得车架弯曲、扭转刚度均满足刚度性能要求，车架质量为117 kg，较某既有车型车架减重73 kg，轻量化系数8.9，明显优于其他参考车型，如图2 所示。

表3 车架弯扭刚度分析结果

图2 各车型轻量化系数

2）车架安装点刚度分析

针对车架34 个安装点X，Y，Z 方向共102 个计算工况进行静刚度分析，如图3 所示，并与某既有平台车型及其他相关车型进行横向对比，并结合NVH动刚度分析结果综合评判，各安装点刚度均满足静刚度要求。

图3 安装点静刚度分析图

车架大部分安装点动刚度大于某既有车型相同部位安装点动刚度，主要安装点动刚度均满足要求。

1.2.2 强度性能仿真分析

对开发难度较高的强度耐久性能进行重点分析。车架为全铝车架，纵梁按均匀等厚设置，厚度4.8 mm。纵梁及钣金件材料Al6011-T6；前螺簧座、下摆臂前后支架、发动机悬置支架材料为Al-A356-T6。在整车强度分析28 个工况中选取12 个最极限工况进行强度性能设计。

针对传力路径上的关键部件，前螺簧座、下摆臂支架、减震器支架等，根据不同成型工艺进行了优化设计，经过8 轮仿真优化合计96 个工况项的强度分析及优化，满足强度性能要求，如表4 所示。

表4 车架强度分析结果 MPa

在车架28 个工况强度分析基础上，针对承载大质量部件的支架进行更加严苛工况的强度分析。针对油箱支架和电池包支架进行强度仿真分析及优化，均满足强度要求。为后续混动车型开发做好储备。

1.2.3 动刚度性能仿真分析

1）车架模态

车架主要模态频率远高于某既有参考车型1 和某既有参考车型2 车架模态频率，从模态分析角度来看，满足设计要求，如表5 和图4 所示。

图4 全铝车架模态振型图

表5 模态分析结果 Hz

1.2.4 工艺支持仿真分析

进行内高压成型全铝合金车架工程化开发为行业内首次，各项工艺均具有较高难度，在车架制造过程中需重点考虑成型减薄、褶皱、管材选型、焊接、开孔等工艺因素，同时对车架强度影响大的相关因素进行深度评估。

针对车架在制造过程中的减薄、开孔、焊缝变更等工艺问题提供技术支持。进行车架相关工艺支持分析，确保考虑工艺因素影响后的车架强度满足要求。

1）减薄因素

依据纵梁内高压成型后实测数据针对仿真模型进行厚度调整，将纵梁分割成22 段，重点针对6～20段进行壁厚测量，每段测量截断面16 个点的壁厚，共计240 块区域，如图5 所示。选取减薄率大于15%的24 个区域进行厚度变更，如图6 所示。

图5 车架成型厚度检查分段图

图6 车架成型厚度检查分块图

将各个状态与设计状态（等厚）进行对比分析，选择φ142 方案，减薄区域最少，强度结果满足目标要求，如图7、表6 和图8～10 所示。

图7 车架仿真分析分块图

表6 车架减薄强度分析结果 MPa

图8 纵梁（内高压成型）应力云图

图9 钣金件（冲压）应力云图

图10 螺簧座（铸造）应力云图

2 车架性能试验验证

针对全新开发的内高压成型的全铝合金车架，为充分验证其刚度、模态、强度耐久等性能，策划了系列试验进行验证，如表7 所示。其中重点对车架的强度耐久性能进行验证。

表7 试验策划表

2.1 车架试验-车架弯曲刚度

车架弯曲刚度满足目标要求，车架弯曲刚度试验与仿真分析对比如图11 和表8 所示。

图11 车架弯曲刚度试验与仿真分析对比

表8 车架弯曲刚度试验与仿真结果对比

2.2 车架试验-车架扭转刚度

车架扭转刚度满足目标要求，车架扭转刚度试验与仿真分析对比如图12 和表9 所示。

图12 车架扭转刚度试验与仿真分析对比

2.3 车架试验-车架模态

车架模态满足目标要求，车架模态试验与仿真结果对比如图13、表10 所示。

表10 车架模态试验与仿真结果对比

图13 车架模态试验

2.4 车架台架耐久试验

为验证车架关键性能-强度耐久性能，采用国际先进技术进行车架的台架耐久试验。主要验证车架整体、纵梁和横梁的搭接强度性能。

2.4.1 台架试验流程

台架试验流程如图14 所示。

图14 台架试验流程

2.4.2 道路载荷谱采集

为保证道路载荷采集的准确性，对关键零部件进行标定试验，如表11 所示。

表11 标定零部件

采集通道设置力、位移、加速度、应变和GPS 信号共计140 个通道，如图15 所示。

图15 道路载荷采集车辆及信号

2.4.3 车架台架耐久试验

基于道路载荷开展车架台架耐久试验，重点验证铝合金车架的纵梁、横梁及其搭接部位的耐久性能，试验完成检查纵梁、横梁、各支架主要构件及其焊缝热影响区均正常，如图16 所示。经试验验证车架疲劳强度性能满足设计要求。

图16 车架台架耐久试验图

对比检查仿真分析关注位置均正常，如图17、18所示。

图17 仿真与试验对比1

图18 仿真与试验对比2

3 结论

经仿真分析及试验验证，全铝车架强度耐久、弯扭刚度、模态性能均满足要求，减重约76 kg，减重比例39.4%。其中在车架台架耐久试验中，满足民用车耐久性要求的前提下，进一步满足军车的耐久性要求。

通过此次铝合金车架的各项性能开发中，从性能开发工作流程、仿真能力提升、铝合金车架耐久性开发及试验验证等领域积累了一定的经验。

由于全铝车架纵梁及部分横梁成型工艺特殊性，在仿真分析工作流程中更加关注工艺问题影响与验证分析工作，在铝合金构件的工艺影响方面积累了仿真分析经验，为后续车型中铝合金构件的拓展应用提供了技术支持和设计经验。

在此全铝车架的开发过程中，充分发挥了CAE仿真技术的优势，强调CAE 技术在概念设计阶段的应用，突破了原有的“结构CAD->工程CAE->试验验证”开发路线，打造了“前期CAE->结构CAD->工程CAE->试验验证”的新应用途径。在此过程中系统应用了多学科协同（结构耐久+碰撞安全+NVH 仿真），扩宽了设计空间，有利于正向驱动CAD 设计，推动设计创新。