馮金芝，鄧江波，鄭松林，李 原

(1.上海理工大學機械工程學院，上海 200093； 2.機械工業(yè)汽車機械零部件強度與可靠性評價重點實驗室，上海 200093)

2016123

基于材料替換的轎車副車架設計方法*

馮金芝1,2，鄧江波1，鄭松林1,2，李 原1

(1.上海理工大學機械工程學院，上海 200093； 2.機械工業(yè)汽車機械零部件強度與可靠性評價重點實驗室，上海 200093)

本文中基于原有副車架結構，通過材料替換和結構改進，并充分考慮鎂合金的加工工藝，改進設計出新型鎂合金副車架。首先，對原有結構進行鎂合金材料替換，進行了正常載荷、疲勞載荷和過載工況下的強度分析，計算得到副車架各階頻率與振型；接著結合副車架動剛度特性，對鎂合金副車架結構進行了改進設計，在確保滿足使用要求的前提下，副車架質量減輕50%。本文中采用的綜合強度、模態(tài)與動剛度分析的設計方法，可為汽車其它承載結構件的設計提供參考。

副車架；鎂合金；材料替換；強度；模態(tài)；動剛度

前言

在當今汽車市場競爭激烈的情況下，汽車輕量化已成為當今汽車設計追求的目標之一。目前，汽車輕量化設計主要有兩種方法，一種是對傳統(tǒng)材料在疲勞強度理論研究基礎上實現(xiàn)結構可靠性的優(yōu)化設計，即考慮低幅載荷對材料或結構強度的強化和損傷，設計時力求使汽車在使用過程中結構的強度潛力盡可能發(fā)揮[1]；另一種是采用高性能輕量化材料[2]，如TRIP鋼、DP鋼、硼鋼等高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料和碳纖維等來實現(xiàn)。

本文中以轎車副車架為研究對象，探索轎車底盤承載結構件副車架輕量化材料替換的設計方法,綜合強度、模態(tài)和動剛度分析方法，并考慮新材料的工藝需求，實現(xiàn)了原有結構的輕量化材料替換，設計出新型鎂合金副車架。

1 輕量化材料的選取

輕量化的重要途徑之一是選用輕質材料替換鋼材料，由于鎂合金密度在所有結構合金中是最小的，且具有比強度和比剛度高、壓鑄性能好、耐沖撞、阻尼吸振性能好和可循環(huán)利用等特性，是汽車輕量的理想材料之一[3-4]。本文中所用鎂合金材料特性見表1。

表1 材料特性參數(shù)

2 副車架有限元模型的建立和分析

2.1 有限元模型的建立

后副車架作為底盤系統(tǒng)重要的承載元件，與車身和懸掛系統(tǒng)相連，主要作用是提高懸掛系統(tǒng)的連接剛度，減小路面震動的傳入，從而帶來良好的舒適性。目前，一些中高檔轎車均采用獨立式前后懸掛系統(tǒng)，后副車架也應用得越來越廣泛。

基于CATIA V5平臺建立副車架3維模型。由于副車架零部件屬于板材沖壓件，故采用板殼2D網(wǎng)格格式，為保證有限元模型的準確性，盡可能采用了四邊形殼單元(Quad)，尺寸為6mm，單元數(shù)量21 236個，所建有限元模型如圖1所示。

圖1 副車架有限元模型

2.2 加載工況與約束

在轎車副車架強度分析時，依據(jù)制造商底盤零部件臺架強度試驗評價標準[5]，確定以下3種載荷工況：(1)正常載荷工況，副車架主要經(jīng)受一些普通的載荷，例如車身質量、正常行駛制動力等；(2)疲勞載荷工況，副車架承受循環(huán)載荷作用，如轎車加速、倒退、過彎轉向等；(3)過載工況，副車架會受到較大的沖擊，比如轎車過坑、后輪撞到路臺等狀況。

在建立有限元模型的過程中，各零件邊緣采用REB2形式連接，約束6個自由度，并且通過REB2單元可將力傳遞到各個零部件，使模型成為一個整體。此外，在副車架與車身相連的4個支撐位置施加約束，固定住整個模型。對于多種工況下的加載，很難進行合理的約束，為消除約束點的反力對結構受力狀態(tài)的影響，需要在副車架靜力分析中引入慣性釋放的方法，這將有助于得到更加合理和符合實際情況的計算結果[6-7]。在求剛度動態(tài)響應時，需要將其中4個加載點逐個單一加載，而其他加載點限制x，y，z方向上的平動位移，從而分別觀察每個點的動態(tài)響應情況。

2.3 應力應變分析

對副車架進行結構強度分析,主要計算應力分布、最大應力與位置和最大位移形變，如表2所示。

由表2可知：應力值基本一致，但鎂合金的屈服極限較小，某些工況已經(jīng)超過或接近其屈服極限；在左、右轉彎疲勞載荷工況下，鎂合金應力已超過材料的疲勞強度(264MPa)；此外，鎂合金的位移最大值均大于鋼的最大值，主要是因為鎂合金的材質較軟，彈性模量小于鋼材。

3 副車架模態(tài)動剛度對比分析

3.1 模態(tài)對比分析

副車架結構的振動特性與轎車的乘坐舒適性、噪聲控制、部件的疲勞和共振破壞等問題密切相關[8]。其模態(tài)特性直接涉及轎車實際行駛時的動態(tài)響應，如果行駛路面的激勵頻率與副車架模態(tài)頻率接近，便會引起共振，使得轎車的操縱穩(wěn)定性和舒適性變差，振動噪聲增強，對轎車相關構件的疲勞壽命產(chǎn)生不利影響[9]。

對使用兩種材料的副車架進行自由模態(tài)對比分析,得到副車架的固有頻率與振型,如表3所示。

由模態(tài)分析結果可知，兩種材料的原結構模態(tài)均基本達到設計目標。整體上各階模態(tài)平滑連續(xù)，沒有明顯的局部斷點。但鎂合金副車架各階模態(tài)頻率都低于鋼材結構，其振動特性相對較差。

從模態(tài)振型結果可以看出，兩種材料副車架的振動位移最大處均發(fā)生在4個車身連接支撐位置，說明該位置的振動比較明顯，容易影響整個副車架的振動特性，應該加以改善。為進一步研究副車架振動特性和4個支撐處動態(tài)特性，還需對副車架做動剛度分析。

3.2 動剛度對比分析

副車架上的一些關鍵點是向車身傳遞振動的主要途徑，對車身的振動和疲勞破壞有重要的影響,因此對這些關鍵點進行動剛度分析具有重要的意義[10]。

計算頻率范圍為0～400Hz，求解頻率間隔步長為5Hz。分別在連接點處施加1N的單位力，對副車架的4個連接點進行動剛度分析，加載點的設置如圖2所示。

圖2 動剛度分析加載點

經(jīng)過求解得到各加載點位置的速度頻率響應曲線和位移頻率響應曲線，選取其中加載點1001和1004加以分析，結果如圖3所示。

圖3 副車架動剛度分析

由圖可見，在4個支撐點位置動剛度曲線有較大差別。鎂合金副車架速度和位移的頻率響應曲線均高于原始鋼材料；鎂合金的峰值比鋼材料的先出現(xiàn)，都超過了鋼材料的最大值；且鎂合金的動剛度曲線起伏比較明顯，在0～200Hz的范圍內(nèi)鎂合金副車架速度頻率響應曲線高出參考評價曲線，說明該處位置的剛性較差。

通過動剛度頻響分析，進一步證明在采用鎂合金材料后，4個支撐位置的動態(tài)特性不如鋼結構，而且差距比較明顯。在設計新鎂合金副車架時，應該著重對這4個位置加以改進，提升其動態(tài)特性。

4 副車架結構改進設計

通過以上有限元分析結果對比,原結構鎂合金副車架的薄弱位置主要是在后橫臂處和中間擺臂箱體處。故在采用鎂合金材料替換鋼材料副車架之前必須進行結構改進。

結構改進，既要滿足強度、模態(tài)約束和動剛度的要求，也要以減輕質量作為目標。具體改進措施如下。

(1) 由于后連接上下沖壓件的后橫臂距離較長，且此次鎂合金副車架為小批量生產(chǎn)，為減小沖壓件尺寸，降低沖壓模具成本，將后連接焊接總成分為3段式，通過焊接連接。

(2) 為改善副車架的結構強度，新設計鎂合金副車架在原有結構基礎上分別增加了各部件的壁厚，特別是中間擺臂箱體處，從原2mm調(diào)整到5mm，具體尺寸見圖4。改善了部件的截面模量，在相同載荷的情況下，可在一定程度上減小局部應力。

圖4 新設計鎂合金副車架結構

(3) 左右后橫臂采用與前副車架主體骨架相似的管型結構，既可提高長臂的強度和剛度，也保持了用料的一致性，節(jié)約了制造成本。

(4) 考慮到在加載過程中，左右支撐處的位移比較大，為進一步提高長橫臂的扭轉剛度，在左右后橫臂處設置加強筋，使管材截面近似為橫“日”字結構。

改進后新鎂合金副車架三維模型如圖4所示。改進后的鎂合金副車架質量約為5kg，比原始鋼材料的副車架減輕5.135kg，質量減輕了50.7%。

5 鎂合金新副車架強度校核與模態(tài)動 剛度校驗

5.1 副車架改進設計后的強度校核

設計強度要求鎂合金副車架應力小于屈服應力400MPa，疲勞載荷工況疲勞強度小于264MPa(2×105次)，分析時同樣以最大位移小于3mm為約束，結果見表4。

由表4可以看出，新設計的鎂合金副車架最大應力值都有不同幅度的下降，左、右轉彎工況的最大應力值低于鎂合金的疲勞極限值，滿足使用要求。最大位移值均小于2mm，且所有工況下的最大位移還小于原始鋼結構的副車架。新設計鎂合金副車架的強度滿足使用要求。

表4 副車架強度與變形位移的計算結果

5.2 副車架改進設計后的模態(tài)與動剛度校驗

改進后副車架模態(tài)分析結果如表5所示。

表5 鎂合金新副車架與原副車架模態(tài)分析結果

根據(jù)模態(tài)分析結果可知，新鎂合金副車架各階頻率都有所提高。1階模態(tài)頻率為284.2Hz，超過了設計要求的200Hz，從第2階起就達到了400Hz以上，有效地避開了車身共振頻率范圍，且各階模態(tài)連續(xù)無斷點。新設計鎂合金副車架的相鄰兩階模態(tài)頻率也遠大于20Hz，避免了接近的模態(tài)頻率[11]。說明新設計鎂合金副車架模態(tài)滿足設計要求。

由之前動剛度分析結果可知，4個支撐點位置的振動位移較大，故接下來還須對新設計鎂合金副車架作進一步的動剛度校驗。

通過比較副車架各點處單位力激勵下速度頻率響應和位移頻率響應來評價副車架的動態(tài)剛度性能，以原始鋼結構的結果曲線作為參考評價[12]。圖5為加載點1001和1004處速度頻率響應和位移頻率響應分析結果。

圖5 副車架動剛度分析

由圖可見，新設計鎂合金副車架速度和位移的頻率響應曲線最大值均小于原始副車架。在0～200Hz范圍內(nèi)，新設計鎂合金副車架速度和位移的頻率響應曲線與原結構基本一致，保證了工作時的穩(wěn)定性。新設計鎂合金副車架速度和位移的頻率響應峰值基本出現(xiàn)在300Hz以后，處于較高頻率范圍內(nèi)，對副車架的正常使用影響不大。

由此對比分析可知，經(jīng)改進后的鎂合金副車架動剛度與原始鋼材料副車架動剛度在工作頻率范圍內(nèi)大致相近，某些頻率范圍下新設計鎂合金略好于原始鋼材料，能夠滿足副車架的正常使用。

6 結論

通過材料替換和結構改進，并充分考慮鎂合金的加工工藝，實現(xiàn)了轎車副車架的輕量化設計，質量減輕了50.7%。仿真結果表明，設計的鎂合金副車架的強度、模態(tài)和動剛度特性均達到了要求。目前，為實現(xiàn)鎂合金在汽車底盤承載結構上的推廣應用，需要深入研究鎂合金材料與鋼、鋁等其它材料的連接技術，此外，還需采取措施解決鎂合金的耐蝕性差和易燃性等問題。

[1] 趙禮輝,鄭松林,馮金芝.基于低載強化特性的疲勞壽命估計方法[J].機械工程學報,2013,49(8):115-122.

[2] BERTRAM R, KAY A. Using new lightweight materials in automotive construction[J]. Galvanotechnik,2011(7):1460-1467.

[3] 鄭松林,鄭鉆璽,徐洪慧,等.汽車鎂合金車輪動態(tài)特性分析[J].汽車工程,2011,33(2):148-151.

[4] MAO P, LIU Z, WANG C, et al. Fatigue behavior of magnesium alloy and application in auto steering wheel frame[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2008,18(10):218-222.

[5] 王樹英,鄭松林,馮金芝,等.燃料電池轎車前副車架輕量化設計[J].機械設計,2013,30(2):41-44.

[6] Jean Marie Lagache, Samir Assafb, Christian Schulte. Finite element synthesis of structural or acoustic receptances in view of practical design applications[J]. Journal of Sound and Vibration,2008,310:313-351.

[7] 趙婷婷,李長波,王軍杰,等.基于有限元法的某微型貨車車身疲勞壽命分析[J].汽車工程,2011,33(5):428-432.

[8] 宋海生,史文庫,郭福祥,等.基于車地板振動控制的副車架分析與優(yōu)化[J].汽車工程,2010,32(7):601-604.

[9] 左曙光,閻礁,靳曉雄,等.扭桿梁后橋結構輕量化分析[J].同濟大學學報(自然科學版),2006,34(12):1674-1678.

[10] 高云凱,汪翼,林典,等.白車身質量塊安裝點動剛度分析與優(yōu)化[J].中國機械工程,2010(6):721-724.

[11] 鄭松林,趙德彪,馮金芝,等.基于強度與模態(tài)靈敏度分析的轎車前副車架輕量化設計[J].機械設計,2012,29(2):92-96.

[12] 周安勇,侯蕾,劉旌揚.白車身接附點動剛度優(yōu)化設計[J].汽車技術,2013(6):16-19.

Design Method of Car Subframe Based on Material Substitution

Feng Jinzhi1,2, Deng Jiangbo1, Zheng Songlin1,2& Li Yuan1

1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093； 2.CMIFKeyLabforAutomotiveStrength&ReliabilityEvaluation,Shanghai200093

In this paper, based on the original structure of subframe and through material substitution and structural modification, with consideration of the manufacturing technology of magnesium alloy, a nvel magnesium alloy subframe is redesigned. Firstly the material of original structure is substituted by magnesium alloy and a strength analysis is conducted on subframe under the conditions of normal load, fatigue load and overload to calculate the frequencies and vibration modes of different orders. Then combined with the dynamic stiffness characteristics of subframe, the structure of magnesium alloy subframe is redesigned. As a result the mass reduction rate of subframe reaches more than 50%. The design method of comprehensive strength, modal and dynamic stiffnes analyses adopted in the paper provides a reference for the design of other load-bearing components of vehicles.

subframe; magnesium alloy; material substitution; strength; vibration mode; dynamic stiffness

*國家自然科學基金(51375313，51305269)和上海市科委基礎研究重點項目(13JC1408500)資助。

原稿收到日期為2015年4月22日，修改稿收到日期為2015年7月13日。