連 昊，陳元衛(wèi)

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

0 前言

副車架作為車身與汽車懸掛連接部件之間的一種輔助裝置，屬于汽車底盤的安全結構件，它對于提高汽車的舒適性和安全性有很大的幫助，現(xiàn)在其材料一般為鋼。但近年來，汽車輕量化的發(fā)展勢頭迅猛，鉛合金在汽車行業(yè)中的使用比例越來越大，目前除合資車企以外，部分自主品牌車企也已開發(fā)鋁合金副車架的車型，鋁合金副車架已逐漸成為未來底盤的趨勢。本文主要闡述基于鋼制前副車架的輕量化設計而開發(fā)的一款鋁合金前副車架，通過CAE分析與臺架試驗驗證設計符合整車使用需求，且重量降低了約34%。

1 鋁合金前副車架設計

1.1 結構設計

本文鋁合金前副車架是基于一款鋼制前副車架的輕量化設計，其邊界數(shù)據均保持不變：包括下擺臂、轉向器、穩(wěn)定桿、隔震器、車身、排氣系統(tǒng)、傳動軸、發(fā)動機、變速器及其他附件等，形成了前副車架包絡，基于這個包絡創(chuàng)建出鋁合金前副車架設計的初始空間模型[1-3]。

目前市場上鋁合金前副車架結構形式以一體式鑄造和焊接式為主，針對該副車架的設計輸入，本文列出了三種結構方案及其優(yōu)缺點對比，最終，選擇了方案三，三段式鑄造拼焊，具體如下表1所示。

表1 鋁合金副車架方案對比分析

方案確定后就進行詳細的結構設計：首先創(chuàng)建出副車架初始的空間模型，然后利用Optistruct軟件的拓撲優(yōu)化功能進行拓撲優(yōu)化，約束剛度和模態(tài)，優(yōu)化目標質量最小；最后，基于優(yōu)化結果，對產品結構進行詳細的CAD設計。設計參考拓撲優(yōu)化結果的同時也要考慮零件工藝性，同時，需要滿足各項性能不低于鋼制副車架，最后設計得出鋁合金前副車架設計模型，優(yōu)化過程如下圖1所示。

圖1 鋁合金副車架拓撲優(yōu)化過程

該鋁合金副車架上開設有若干個不規(guī)則形狀的減重孔，同時還均勻分布有多組加強筋，副車架左右安裝臂和底部兩端均開設有車身安裝孔，壓入襯套后通過螺栓與車身連接，其重量比鋼制的下降約34%，不僅能夠帶來很好的懸架連接剛度，還能夠隔絕路面震動帶來良好的舒適性；同時還帶來經濟的燃油消耗量，不易生銹。同時，該鋁合金前副車架也采用了平臺化設計，對于輪距在一定范圍內變化的車型都能夠通過重新設計副車架中塊（加長或者縮短）來兼容，最大程度實現(xiàn)副車架的平臺化兼容，降低成本[4]。

1.2 工藝設計

國內外現(xiàn)有車型鑄鋁副車架鑄造工藝主要有：重力鑄造、壓力鑄造及擠壓鑄造等。重力鑄造工藝晶體組織不夠致密，且容易產生熱節(jié)缺陷，但可通過后期熱處理提升力學性能指標。壓力鑄造工藝晶體組織致密，鑄造毛坯力學性能好，但容易產生卷氣現(xiàn)象，導致延伸率較低，且無法進行熱處理。擠壓鑄造工藝適合做型材，晶體組織致密，鑄造毛坯力學性能好，且可以進行后期熱處理[5]。

綜合考慮以上鑄造工藝的優(yōu)缺點，同時兼顧鑄造設備等成本因素，確認該鋁合金前副車架左右塊采用重力鑄造，中塊采用擠壓鑄造，懸置套筒為型材機加，最終這些零件通過焊接連接在一起。零件焊接搭接處采用重疊搭接，保證了焊縫搭接處的連接強度。產品樣件實物圖如下圖2所示。

圖2 鋁合金副車架樣件實物圖

2 前副車架CAE分析

2.1 有限元模型建立

該鋁合金前副車架組成零件均為鑄造件，采用四面體實體單元模擬，單元大小3 mm，焊縫采用實體單元創(chuàng)建，與零件進行共節(jié)點連接，襯套采用Spring單元模擬；前副車架安裝點與載荷力施加點處采用rbe2單元進行處理，最后得到前副車架的有限元模型，如圖3所示。該鋁合金前副車架左右塊材料為ZL114A，屈服強度200 MPa以上，中塊與懸置套筒為6061-T6，屈服強度220 MPa以上。

圖3 鋁合金前副車架有限元模型

2.2 強度分析

該前副車架通過四個襯套與車身進行螺栓連接，故對四個襯套進行全自由度約束。將ADAMS動力學分析得出的各工況下前副車架各硬點受到的力和力矩（如表2所示）輸入到Hypermesh中，將對應的力和力矩施加在對應硬點上。利用Optistruct求解器對前副車架有限元模型進行分析計算，得到對應工況下前副車架的應力云圖，如圖4所示。

表2 副車架各工況下的受力載荷

圖4 各工況下鋁合金前副車架應力云圖

鋁合金前副車架向前緊急制動工況最大應力位于右塊擺臂前點附近減重孔邊緣處，應力值為111.6 MPa，小于材料屈服強度200 MPa；極限轉向工況最大應力位于左塊車身前安裝臂下端與加強筋相交圓角處，應力值為117.0 MPa，小于材料屈服強度200 MPa；單側過深坑工況最大應力位于左塊車身前安裝臂下端內部加強筋邊緣，應力值為152.3 MPa，小于材料屈服強度200 MPa；滿足強度要求。

3 前副車架試驗驗證

3.1 耐久臺架試驗

為了驗證有限元分析的可靠性，對鋁合金前副車架進行兩種工況下的臺架疲勞試驗，分別為縱向力和側向力耐久臺架試驗。

利用四立柱工裝將前副車架模擬與車身進行螺栓連接，縱向力試驗用X向（-6，+8.6）kN的力值按照正弦波同時加載在左右擺臂球銷上，側向力試驗按Y向±9 kN的力值按照正弦波同時反向加載在左右擺臂球銷上，具體如下圖5、圖6所示。試驗頻率為2Hz，每個試驗需完成3臺樣件合格，縱向力試驗循環(huán)次數(shù)需達到35萬次，側向力試驗循環(huán)次數(shù)需達到30萬次，評價指標為樣件在整個試驗過程中不能有裂紋、異響等失效出現(xiàn)。

圖5 前副車架縱向力耐久臺架試驗

圖6 前副車架側向力耐久臺架試驗

最后，兩個試驗一共6個樣件都達到了試驗要求的循環(huán)次數(shù)，樣件無開裂，順利通過了耐久臺架試驗，驗證了產品設計與分析的可靠性。

3.2 臺架應變片試驗

為了進一步驗證該鋁合金前副車架CAE分析方法的準確性，以將此設計分析方法等效沿用到后續(xù)鋁合金底盤件的開發(fā)，需對CAE分析結果與樣件應變片實驗進行對標校核。下面以縱向力臺架試驗為例，在前副車架上兩處平整位置貼上兩個應變片，位置如下圖7所示，然后在擺臂球銷處分別施加X向+8.6 kN和-6 kN的力值，以采集該兩處位置應力值，并將應變片采集的數(shù)據與CAE分析的數(shù)據進行對比，如表3所示。

圖7 鋁合金前副車架應變片位置

表3 CAE分析值與應變片采集值對比表

根據應變片采集的應力值與CAE分析值對比可知，兩者稍微有點偏差，偏差結果為2.0%～4.2%，工程上認為偏差結果在5%之內可以接受，因此可說明CAE結果與實際應力采集結果比較吻合，進一步驗證了該分析方法的準確性，對后續(xù)鋁合金底盤件的開發(fā)均有借鑒指導意義。

4 總結

本文基于鋼制前副車架設計出了一款鋁合金前副車架，該鋁合金前副車架采用三段式鑄件拼焊的結構形式，結構上可進行平臺化拓展，不僅能夠滿足耐久臺架試驗要求，而且達到了減重34%的效果。同時，通過CAE分析與臺架應變片試驗的對比，驗證了該設計分析方法的準確性，對后續(xù)鋁合金底盤件的開發(fā)有借鑒意義。