李武泉

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

液壓成形技術(shù)最早廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，目前已成為汽車產(chǎn)業(yè)主流制造技術(shù)之一。圖1為液壓成形技術(shù)在汽車上的應(yīng)用概覽。液壓成形與傳統(tǒng)成形工藝最大的不同是采用水或者油作為傳力介質(zhì)，從而取代凸?；虬寄?，通過增加壓力使得待加工工件發(fā)生適當(dāng)?shù)乃苄宰冃?，從而達到設(shè)計要求。液壓成形技術(shù)的產(chǎn)品具有重量輕、形狀可塑性強、剛度高、精度高等特點。在生產(chǎn)過程中可減少零部件種類，焊縫長度、機械加工工序、產(chǎn)品組裝工序等，有降低生產(chǎn)成本、縮短加工周期等優(yōu)點[1]。

圖1　液壓成形技術(shù)在汽車上的應(yīng)用

本文以乘用車某車型鈑金沖壓后副車架作為優(yōu)化對象，通過拓撲、形貌和性能等多目標(biāo)方法優(yōu)化后，設(shè)計成采用液壓成形管件與鈑金沖壓件拼焊成的后副車架，將原型后副車架由原來的18.2 kg降低到14.6 kg，實現(xiàn)減重3.6 kg（19.7%），性能保持不變，最大應(yīng)力降低，同時，零部件采購成本降低25%，給企業(yè)帶來了非?？捎^的經(jīng)濟效益。

1　概述

本文所介紹的副車架原型為大型沖壓焊接件。該原型副車架的主要結(jié)構(gòu)是由前后、上下鈑金沖壓件以及一些加強板、附屬支架通過焊接構(gòu)成，焊接方式為二氧化碳和氬氣混合氣體保護電弧焊。

圖2　副車架優(yōu)化前后的對比

該原型副車架性能冗余、結(jié)構(gòu)臃腫、材料利用率低、零部件采購成本高，故而產(chǎn)生輕量化的需求。通過分析對比副車架發(fā)展趨勢和該原型副車架結(jié)構(gòu)特點，進行靜動態(tài)多目標(biāo)拓撲優(yōu)化，通過多目標(biāo)優(yōu)化，將其優(yōu)化成液壓成形管件和鈑金沖壓件拼焊結(jié)構(gòu)副車架，優(yōu)化前后的對比如圖2所示。最后的分析結(jié)果表明優(yōu)化后的副車架整體剛度性能、強度性能和模態(tài)固有頻率均有提高，減重效果明顯，實現(xiàn)了性能不變、結(jié)構(gòu)簡化、材料利用率提高、零部件采購成本降低的目標(biāo)。

2　設(shè)計優(yōu)化

副車架是汽車上的重要總成之一，它把懸架系統(tǒng)與車身連接起來。其主要作用是傳遞車輪和車身之間的力和力矩[2]，緩和不平路面?zhèn)鹘o車身的沖擊，衰減由此引起的系統(tǒng)振動，確保汽車的行駛平順性，同時副車架可以提高汽車的操縱穩(wěn)定性，加強承載式車身在載荷集中位置處的剛度與強度。為此，副車架應(yīng)有足夠的彎曲剛度，以使裝載在其上的有關(guān)機構(gòu)之間的相對運動位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身變形?。桓避嚰軕?yīng)有足夠強度，以保證其有足夠的可靠性與壽命，在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴重變形、開裂與脫焊。車架的剛度不足會引起振動與噪音，也使汽車乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。

2.1　拓撲優(yōu)化

（1）根據(jù)整車參數(shù)，在Adams/car中建立汽車懸架動力學(xué)模型，根據(jù)整車載荷以及載荷分布情況，在動力學(xué)模型中對整車11種典型工況進行仿真分析，得到懸架在相應(yīng)工況下的載荷[3]。

（2）建立拓撲優(yōu)化模型，其中包括拓撲優(yōu)化空間的包絡(luò)、邊界條件的定義和拓撲優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置等，它們會對優(yōu)化結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。

（3）根據(jù)建立好拓撲優(yōu)化模型，輸入相應(yīng)工況下的載荷進行拓撲優(yōu)化計算并得到拓撲優(yōu)化結(jié)果。

（4）參照撲優(yōu)化結(jié)果進行三維實體建模。拓撲優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3　拓撲優(yōu)化流程

2.2　強度和模態(tài)分析

（1）如圖4所示對優(yōu)化結(jié)果進行強度分析，單元尺寸為3 mm，單元類型以四邊形為主；螺栓連接采用RBE2單元模擬；焊縫連接殼單元之間采用共節(jié)點模擬；楊氏模量：2.1E5 MPa；泊松比：0.3；密度：7.9E-9 t/mm3，優(yōu)化結(jié)果對比見表1.

圖4　CAE強度分析

表1　11種典型工況優(yōu)化前后最大應(yīng)力對比

（2）副車架模態(tài)要求一階彎曲模態(tài)在160～200 Hz之間，400 Hz以下不超過8階彎曲模態(tài) 模態(tài)間隔最好不小于20 Hz，優(yōu)化前后對比見表2.

表2　優(yōu)化前后模態(tài)對比

3　液壓成形工藝分析

副車架的液壓成形管件整個成形過程進行有限元模擬，其中包括：彎曲、預(yù)成形、內(nèi)高壓成形三個主要工序，并根據(jù)相應(yīng)的評定標(biāo)準(zhǔn)進行評定，彎曲工序中，對于彎曲半徑、彎曲步驟進行合理的調(diào)整以適應(yīng)實際加工，預(yù)成形工序中根據(jù)副車架不同位置的截面設(shè)計預(yù)成形模具，并根據(jù)成形模擬結(jié)果進行修改以達到最優(yōu)成形效果，內(nèi)高壓成形工序中對于重要的參數(shù)如進給量、成形壓力、整形壓力、初始壓力以及加載方式分別進行模擬，對不同參數(shù)下的壁厚分布以及成形極限圖進行分析，并對不同參數(shù)對于成形結(jié)果的影響進行總結(jié)，綜合以上模擬結(jié)果得出最優(yōu)成形結(jié)果。

副車架的液壓成形管成形工藝可以分為彎曲、預(yù)成形和內(nèi)高壓成形三道工序。

3.1　彎曲

如圖5所示，由于管坯是一根直管，因此需要預(yù)彎工序，將直管彎曲成與液壓成形管件最終形狀相近的U形管，現(xiàn)實生產(chǎn)中使用數(shù)控機床來進行彎曲，并加裝多節(jié)活芯、防皺塊等組件，這是為了保證管件彎曲工序的精確程度。但是在彎曲過程中，可能會出現(xiàn)一些問題，常見的問題有：（1）內(nèi)側(cè)管壁的起皺；（2）外側(cè)管壁的過度減薄；（3）回彈。

圖5　液壓成形分析

3.2　預(yù)成形

由于液壓成形管件的截面形狀復(fù)雜，考慮到最終成形質(zhì)量和放入內(nèi)高壓模具的可行性需要對于彎曲之后的管件進行預(yù)成形，使其成形過程具有更好的連續(xù)性和可行性，并且通過優(yōu)化預(yù)成形模具型面形狀，可以減小成形壓力和控制壁厚分布。所以預(yù)成形工序在副車架液壓成形管件整個成形工藝過程中至關(guān)重要。

3.3　內(nèi)高壓成形

內(nèi)高壓成形作為副車架液壓成形管件的最后一道工序，對于零件最終的質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，要注意初始壓力、成形壓力、整形壓力的大小，并要對加載路徑進行優(yōu)化，避免出現(xiàn)破裂、起皺以及屈曲等缺陷[4]。

4　臺架試驗

4.1　副車架要求

試驗樣件需正式得到認可的試驗報告必須在量產(chǎn)達到抽樣基數(shù)后進行符合設(shè)計圖樣要求，試驗樣件不得少于4件，試驗樣件必須為隨機抽取，抽樣基數(shù)不少于200件。前期試制驗證階段的樣件每批都要抽樣進行試驗，試制階段的抽樣基數(shù)不能少于10件，每次試驗的樣品不能少于2件。在試驗過程中，視試驗部件的破壞或失效程度決定何時終止試驗，在試驗中若發(fā)現(xiàn)橡膠襯套或其他陪試零件提前損壞或失效，應(yīng)及時更換該零件，并記錄疲勞試驗次數(shù)及相關(guān)零件的破壞程度。使副車架樣件以及對手件（副車架安裝墊片、緩沖塊、上下擺臂、后穩(wěn)定桿、螺旋彈簧、減振器、后懸縱臂、后懸縱臂安裝支架、穩(wěn)定桿拉桿、橡膠件等）在試驗臺上按照設(shè)計空載狀態(tài)位置進行裝配，如圖6所示。

圖6　臺架試驗

4.2　側(cè)向力疲勞試驗

側(cè)向力加載點為左右輪心點處，左右兩邊同步加載，加載頻率為1～3 Hz，兩端側(cè)向力加載-FY（向車輛外側(cè)）、+FY（向車輛內(nèi)側(cè)），加載力+FY=15 000 N，加載力-FY=4 000 N.

4.3　縱向力疲勞試驗

縱向力加載點為左右輪心點處，左右兩邊同步加載，加載頻率為1～3 Hz，兩端側(cè)向力加載-FX（向車輛前方）、+FX（向車輛后方），加載力±FX=3 500 N.

4.4　垂向力疲勞試驗

垂向加載點為左右輪心點處，加載方向±Fz，以擺臂球頭空載位置為基準(zhǔn)，+Fz距離為車輪上跳行程+125 mm，-Fz距離為車輪下跳行程-95 mm，左右兩邊相位相差180°，頻率為1～3 Hz.

4.5　試驗判斷

副車架在進行40萬次循環(huán)內(nèi)不允許產(chǎn)生明顯的永久變形或出現(xiàn)裂紋，每2000次循環(huán)檢查一次。

5　可靠性道路試驗

路況分配如表3所列。

表3　可靠性道路試驗路況分配

試驗路線：起點→石塊路→長波路→扭曲路（丙）→外部噪聲測試路→帶角度搓板路→錯位搓板路→長波路→扭曲路（丙）→外部噪聲測試路→石塊路。其中壞路占31.4%，連接路面占68.6%.

整車可靠性試驗場路面綜合強化系數(shù)20，試驗車按7座滿載加載進行可靠性試驗，滿載狀態(tài)為：整車油水加滿（或用重物擬合），隨車工具齊全、安裝備胎，乘員按以下方式加載：整車布置方式：前排乘坐兩個人，后中間乘坐三個人，第三排乘坐兩個人，按標(biāo)準(zhǔn)每人重量（每人75 kg）進行加載，其余載荷按行李箱行李布置加載，循環(huán)試驗要求里程30 000 km，在試驗過程中要檢查試驗零部件是否有開裂、變形、異響等不良現(xiàn)象，并如實記錄和反饋，若有金屬失效件斷裂等故障，需將斷口用塑料材料封裝纏繞與空氣隔絕，防止生銹影響后續(xù)的斷面分析。試驗結(jié)果無永久變形或出現(xiàn)裂紋，通過可靠性道路試驗驗證。

6　結(jié)束語

有研究表明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高 6% ～8%[5]；汽車整備質(zhì)量每減少 100 kg，百公里油耗可降低0.51 L.這使得輕量化被廣大汽車生產(chǎn)企業(yè)所重視。本文通過拓撲、形貌和性能等多目標(biāo)優(yōu)化方法并結(jié)合液壓成形技術(shù)實現(xiàn)了輕量化目標(biāo)，將某車型后副車架由原來的18.2 kg降低到14.6 kg，實現(xiàn)減重3.6 kg（19.7%），并通過試驗驗證和實現(xiàn)量產(chǎn)。

參考文獻：

[1]張立玲，黃 黎，葉子青，等.轎車副車架輕量化技術(shù)研究及應(yīng)用[J].塑性工程學(xué)報，2012，17（5）：71-75.

[2]龍 凱，左正興，閏清東.靜動態(tài)多目標(biāo)下的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化[J].宇航學(xué)報，2008，29（2）：456-460.

[3]范文杰，范子杰，蘇瑞意.汽車車架結(jié)構(gòu)多目標(biāo)拓撲優(yōu)化方法研究[J].中國機械工程，2008，19（12）：1505-1508.

[4]苑世劍，何祝斌，劉 鋼，等.內(nèi)高壓成形理論與技術(shù)的新進展[J].中國有色金屬學(xué)報，2011，21（10）：2523-2533.

[5]楊 勇，徐 峰，蘇海波，等.管件液壓成形技術(shù)及其在副車架上的應(yīng)用[J].上海汽車，2010（3）57-60.