底盘副车架轻量化设计分析

赵思文 谢评周 覃敏芳

柳州五菱汽车工业有限公司山东分公司 山东 青岛 266555

引言

随着人们出行需求的不断提高，汽车得到快速普及应用，逐渐发展成为人们常用的代步工具，人们对汽车使用频率的不断增加，促使人们对汽车的要求也向多样化发展，底盘副车架作为汽车重要的构成部分，其重要性是不容忽视的，目前底盘副车架轻量化设计已经受到汽车领域的重视与关注，而且相关人员也对底盘副车架轻量化展开了大量研究，这对于汽车的良性发展具有一定的助推作用，同时也有助于更好地满足汽车消费者关于汽车节能效果等方面的具体需求。

1 汽车副车架结构特点

汽车底盘的副车架是一种起传承作用的组成构件，它连接车身和悬架这种连接让悬架刚度大为提升，副车架的作用不可低估，在汽车底盘加装副车架，整个车型的减振效果立竿见影，可达五级，汽车行驶产生振动时，四级减振没有完全吸收的振动会通过加装了副车架的第五级橡胶衬套吸收殆尽，促进整车平顺行驶，由此也可看出副车架的重要功效，安装副车架，对其性能的要求主要体现在以下几点[1]：

①所安装的副车架在刚度和强度方面要达到要求，这是为了能保证力矩和力的有效传递，特殊情况下必须保证应力限制在材料屈服极限之内，即使工况处于极限条件下，对所有节点永久变形的规定也不能逾矩，同时塑性应变控制在规定范围之内；②前文所述，悬架和车身由副车架连接，同时横向稳定杆以及转向机支架等重要构件也在副车架上安装，其作用的特殊性要求汽车所有零部件不得对副车架产生任何交集和干涉；③汽车行驶途中副车架的低阶固有频率可能会和其他底盘配件出现共振现象，对其进行优化必不可少；④汽车行驶产生的交变载荷极其复杂，副车架是主要承受件，其使用寿命时长要求极高，校核副车架的系统和零部件时必须提高级别，其耐久性校核必须以整车级别衡量。

副车架与悬架部件实现连接在方式上有所不同，这也使副车架的形式分为安全承载和半承载两种形式，具体来讲，副车架为半承载式的，悬架系统部分连接副车架，部分连接车身，缺陷是不能获得良好振动衰减效果，副车架为安全承载式的，悬架系统在进行连接时是首先连接副车架，与车身的连接则需通过副车架来实现，相较于半承载式副车架，由此大幅提升振动衰减效果[2]。

从制作材料的角度来给副车架进行划分也有两种，即钢质和铝质副车架，相对来说，钢质副车架在制作工艺和成本方面具有简便易行且成本低廉的优势，在汽车车型制造中应用较为普遍，铝质副车架在重量上要低于钢质副车架，但是成型难度大且推高成本，因此使用范围受到限制，在中高端车型中应用较多。

副车架从成型工艺角度可划分为三种，一是板壳冲压成型形式，优点是工艺简单，缺点是模具成本高昂，二是管梁弯曲成型形式，优点是焊接作业量大幅降低，改装设计简便易行，缺点是材料极易发生弹性变形，精度控制比较困难，三是铸造成型形式，这种形式在铝质副车架制造中常用，无论是成型工艺难度还是成本造价方面都有较高难度，且需要糅合很多其他的复杂成型工艺，目前限制在高端车型中应用。

2 副车架结构优化

实现汽车设计制造的结构轻量化追求，优化设计是必经之路，优化设计内容可分为拓扑，形貌以及尺寸等方面的优化。

对副车架进行动态性能分析通常意义上指模态性能，通过分析可对副车架承载时振动状态作出判断，副车架有保障整车行驶平顺性的功用，为最大限度控制共振现象的产生，校核其模态性能成为必须，以它的自由模态性能计算为例，要求模态此时无任何外力约束，对其进行计算需要所有安装点自由度得到充分释放，前文所述，副车架与车身和悬架连接在刚度方面提升副车架的性能，但是其固有频率也同步得到了提高，因此1D连接单元需要彻底删除，nastran计算求解器和兰索斯自由模态参数提取法是模态性能计算的高效辅助措施，在对副车架进行模态性能设计时须保证超过60Hz的一阶固有频率和超过75Hz的二阶固有频率，但是通过分析发现，自由模态性能下一和二阶固有频率数据参数是较低的60.3和67.6Hz，而且二阶固有频率数据明显低于设计要求，由此可判断出底盘有可能和别的零部件出现共振，另外需要注意的是，设计副车架须注意其固有频率尽量不接近邻近阶次的固有频率。

3 副车架结构轻量化设计[3]

①分析发现副车架的底板应力很小，可进行整体划分，通过是一分为四，板厚以及刚度性能保持原样，但是材料提高了利用率，便于后续继续进行轻量化设计；②分析发现转向机前安装点套管有刚度与设计要求不符的现象，可在邻近区域增设加强板来克服；③副车架的设计初版羊角部位安装设计不合理，左上板的安装过于简单，上下结构关联度不够，影响了整体刚度，羊角部位的改进设计是继续延伸，直至连接到底板，撤换原加强板结构，代之以羊角外板，上下板实现更紧密连接，整体刚度得以提升，也有利于副车架的轻量化设计；④自由模态性能分析发现副车架存在太低的低阶固有频率，可通过提高整体刚度进行弥补，同时利于减缓疲劳损伤，为进一步提高副车架的耐久性，可延长两侧加强板，同时重新加强设计；⑤设计副车架结构时为了规避其他干涉，转向机支架需要前上板进行避让，为了提升固有频率以及某些部位的刚度，可加设加强筋，对横向稳定杆进行安装底座的轻量化设计；⑥为最大限度发挥材料的使用价值，有必要对前防撞梁支架进行位置改进。

4 轻量化设计理念下的副车架疲劳寿命优化设计分析基础

4.1 疲劳分析循环应力求解方法

汽车长期行驶中，交变载荷复杂且长期变换不定，虽然材料受到的应力并未突破屈服极限，但如果应力值低于弹性极限，构件就会出现疲劳破坏，构件应力应变是这个过程涉及的主要参数，可通过下列方法获取。

4.1.1 静力学分析。载荷形式不同，适合求解循环应力的方法也会有所差异，工况特定时，整车参数，加速度综合考量或者多体动力模型等途径得到静态载荷，这种载荷形式需进行有限元模型的构建，通过分析静力学从而得到准确的应力数据，由于这种方法对材料应力应变曲线的真实性做到了充分考虑，因此确保了数据的精准度，计算过程无须纳入过多参数。

4.1.2 应力影响系数法。通过静力学分析得到的应力应变数据仅限于反映特定时刻，疲劳性能的准确计算无法满足，如果载荷时间历程成为载荷形式，应力影响系数法最为适用，这种方法不仅进行静力学分析，同时引进线性叠加，第一是把构件载荷方向定义成载荷通道，把单位载荷加载于某一载荷通道，其他通道不加载，此时引入静力学分析获取应力的计算数据结果，对这条通道进行影响系数确认，照此方法对其他载荷通道依次类推确认影响系数，把影响系数乘以载荷通道的真实载荷，就是这条载荷通道真正的应力结果数据。

4.1.3 直接积分瞬态法。若激励频率接近零部件的固有频率，再利用应力影响系数法计算应力结果就会有较大误差出现，动力学响应是需要此时考虑的问题，直接积分法是一种有效的计算方式，它有隐式和显式两种积分形式，缺点是需要相当大量的计算，尤其如果零部件耐久载荷谱历过长，进行循环应力计算的工作量更大。

4.1.4 模态叠加法。这种方法是结合结构振型缩减同时对方程进行解耦，模态和物理各自拥有自己的坐标系和动力学方程，模态叠加法就是转化这些方程并求解，转换解得的模态向量，使之变成物理坐标系位移响应，由此计算系统应力，优点是不需所有各阶模态，低阶模态由于对结构动力有更大响应，所以只取前几阶即可。

4.2 副车架钣金结构疲劳寿命分析

利用专业软件开展疲劳分析，操作流程可分为以下步骤[4]：第一，向每个载荷通道施加1000牛顿的单位载荷，输入构建好的有限元模型，获取准确的应力结果，把耐久循环通道耐久载荷谱与单位力分析结果对应，进行循环次数的输入，对材料属性进行设置并得到S-N或者S-E曲线，结合技术参数计算并分析计算结果，再利用专业软件对计算结果进行分析处理得到结果，副车架钣金结构进行耐久性分析的数据结果是：10802537是危险节点，它的寿命值达到了耐久循环的8.882倍，设计要求中的这个倍数值为大于等于1.5倍，分析结果表明符合设计要求，第二，材料自身有疲劳强度焊缝结构的疲劳强度多数情况下较低，副车架多数冲压焊接失效均为焊缝开裂引起，所以需校核焊缝结构疲劳寿命。

4.3 轻量化设计理念下副车架疲劳寿命优化设计[5]

4.3.1 预处理副车架耐久载荷谱，处理内容包括趋势项和毛刺的去除以及低频滤波，副车架主要材料通过四点关联法获取应变寿命曲线，分析副车架焊缝和钣金结构疲劳寿命，两项相对于耐久循环的倍数值分别是：钣金结构8.88倍，焊缝结构是2.75倍，符合轻量化设计理念下对耐久性能的设计要求。

4.3.2 以台架方式测试轻量化设计理念下设计的副车架耐久性，选取10个副车架关键载荷方向，分析它们的相位相关性，找出无相位相关性通道，对其实施以伪损伤为出发点的Block缩减和多载荷块等效划分，若通道相位相关，则对其实施以损伤保留为出发点的缩减剔除小损伤，缩减完成后再对通道进行相位相关测试，路谱缩减有效性验证测试则通过伪损伤，真实损伤以及雨流计数等方式方法进行分析。

4.3.3 为方便各种性能测试分析，制作了样品副车架，目标谱采用路谱缩减载荷谱，用专业测试系统台架方式对副车架进行6通道角度加载测试耐久性，当耐久循环倍数值为1.9时，试验观测到副车架有焊缝结构裂纹出现，位于左控制臂焊缝，有限元模型分析的失效位置与现场试验位置完全相符，耐久循环寿命倍数值1.9的数据符合轻量化设计理念下耐久性能的技术设计要求。

5 副车架轻量化设计优化策略

进行副车架轻量化设计的过程中一定要对车辆运行的情况进行综合分析，并输入车架运行的参数，通过模型设计与运行确定最合适的设计关键参数，并为副车架设计的效果优化提供保障[6]。轻量化设计过程中还应结合材料、结构设计的要求，尽量选择与车辆设计理念相符合、制造成本较低的设计方案。在轻量化设计过程中还应落实好设计质量控制责任，一旦发现设计有与整车设计不协调的问题就要及时进行设计方案修改，并做好各环节设计的整体模型搭建与分析，以此来提升副车架轻量化设计的实用性，为车辆结构与材料优化提供助力。

6 结束语

目前我国民众的经济实力有了普遍提高，汽车已经走入千家万户，汽车消费者的增加，促使人们对汽车的要求也越来越多，因此汽车设计面对的重重考验与挑战，随着轻量化设计理念的不断渗透，汽车底盘副车架轻量化设计越来越受关注，以上文章着重探讨了轻量化设计理念的副车架疲劳寿命优化设计，希望与相关人员共同交流参详。