張海莉 謝濤

(恒大恒馳新能源汽車研究院(上海)有限公司第一車型研發(fā)院，上海201600)

1 前言

副車架作為懸架一個重要零件，其提供懸架系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)和動力傳動的安裝位置,并且從結構角度將載荷分配到最合適的車身區(qū)域。本文將詳細介紹副車架的功能、分類、內部結構與接口、新技術等要素。

2 副車架功能

副車架有三個基本功能，第一個功能是用來承載，例如承載前或后懸架零件，如果利用車身結構的前后端來達到這個目的會增加其不可接受的復雜性或成本，還會有制造或維修的困難。在裝配過程中可以將副車架直接螺接在車身結構上，這種固定在車身結構上而沒有隔離彈性體的副車架稱為剛性連接副車架。第二個功能是將懸架系統(tǒng)與車身之間的高頻振動隔離開來。在這種情況下，橡膠體或聚氨酯等隔離彈性體安裝在懸架控制臂與副車架，以及副車架與車身的接附點上，這種副車架與車身之間有彈性體的結構叫作彈性連接副車架。第三個功能是副車架可以隔離動力總成的振動，通常副車架和動力總成之間由一個三點或四點彈性懸置安裝系統(tǒng)。

為了讓副車架被批準生產，其必須滿足其功能和整車制造目標。任何一項功能的改變都會影響其他功能。因此，參與開發(fā)的人都必須對其跨職能需求有一個基本的了解。副車架的功能目標本質上是將客戶需求、法規(guī)需求轉化為設計和開發(fā)目標。副車架的主要目的是為動力總成及其他底盤零部件提供結構支撐，在一些車輛中，它可以完全或部分地支持動力總成。

副車架的功能目標主要有以下幾個方面:舒適與操穩(wěn)性、耐久性、NVH和耐碰撞性。為了保證車輛制造和性能目標，還有其他要求限制，如耐腐蝕、離地間隙、尺寸公差和布置等。下面列出了有關副車架的功能和車輛性能目標要求[1]。

操穩(wěn)和舒適性：副車架必須具有良好的操穩(wěn)和舒適性，其目標值應定義為等于或優(yōu)于其對標或競爭車輛。這些目標可以通過模擬分析靜剛度、在實驗室進行的運動學和順應性(K/C)測試以及主觀駕駛評價等來評估。剛度是副車架設計中最重要的一個指標，在產品設計中應當首先予以考慮，也可以作為零件拓撲優(yōu)化的邊界條件。剛度是全局問題，合理的結構決定了產品具有一定的剛度，副車架在不同方向剛度需求是不一樣的，整車橫向剛度建議保持一個較高水平，這樣不會因為剛度低而發(fā)生潰變，起到良好的支撐；而整車縱向剛度需要結合懸架系統(tǒng)縱向柔度和輔助碰撞的需求。

在首輪仿真分析時如果剛度離目標值很遠，應當考慮改變零件結構而不是局部優(yōu)化。在結構一定的情況下，剛度取決于材料的彈性模量。無論何種強度級別的鋼板，其楊氏模量基本一致，所以采用高強度鋼板并不能提高零件的剛度。剛度對材料板厚非常敏感，通過計算機進行板厚優(yōu)化能找出合理板厚分布。在剛度全部滿足指標的前提下，說明產品的結構基本是合理的，此時強度往往成為局部問題，切忌因為強度問題推翻整體結構。

耐久性：在零件試驗臺、道路模擬試驗臺和試驗場進行的所有耐久性測試結束后，副車架必須保持結構完整性和功能。工程師可以通過仿真，根據(jù)不同試驗工況下副車架上產生的工作應力來評估結構的完整性。一般來說，在極限工況和普通耐久載荷下，副車架應力必須在材料的屈服強度范圍內。此外，對于疲勞分析，由此產生的累積損傷因子應小于1。

NVH：司機耳內的噪音應低于55分貝，為保證良好的隔振效果，在0～800 Hz頻譜上，副車架與所有懸架系統(tǒng)和車身結構的接附點處的結構動剛度和襯套動剛度之比須至少為10∶1以上。這一要求改善了副車架的隔離特性，相對于是改善了結構噪聲[2]。副車架和車身作為一體，增加了整體的剛度，對抑制振動有好處；另副車架模態(tài)匹配需控制好，模態(tài)不要出現(xiàn)和其他振動系統(tǒng)的頻率耦合，尤其是動力總成模態(tài)。為了避免與其他系統(tǒng)避頻，對于剛性連接副車架，其一階約束模態(tài)要求大于200 Hz；而一般情況下，相近尺寸的副車架，框型結構的模態(tài)會低于蝶形結構的模態(tài)；彈性連接副車架，由于彈性體的存在，其模態(tài)低于剛性連接的副車架模態(tài),如彈性連接的框型副車架模態(tài)一般不會超過110 Hz，為了避免與動力總成共振，需與動力總成模態(tài)(如50 Hz左右)的間隔保持大于20 Hz以上，一般規(guī)定其模態(tài)大于70 Hz。模態(tài)主要取決于零件的剛度及重量分布，通過提高剛度以及調整零件的重量分布能有效提高副車架的模態(tài)。

耐碰撞性：為了獲得耐撞安全性，車輛碰撞需通過正碰、40%偏置碰、25%偏置碰、側碰等測試。在正碰時，副車架對碰撞的貢獻如下：配合車身縱梁等其他結構，輔助吸收碰撞能量；在碰撞時副車架須發(fā)生折彎變形(可在副車架縱臂上設計一級多兩級誘導變形潰縮槽)或者后點螺栓脫落，來輔助動力總成下沉，同時為縱梁變形提供更多空間。為了實現(xiàn)這一目標，部分汽油車副車架可設計后螺栓在極短時間內分離，進而副車架結構滑到車身下方的方案。但對于電動車，副車架后端布置的電池包，為防止碰撞時副車架與電池包干涉產生更大安全問題，一般不允許副車架后端螺栓脫落。因此對于不同的車輛方案，車輛和相應的副車架要求可能是不同的，可能需要副車架吸收能量并在特定模式下彎曲形式或保持剛性以支持車輛的要求也會不同[3]。為滿足25%偏置工況，建議設計時，多增加副車架與避障的重疊量。

耐蝕性：副車架暴露在車輛底部，承受濕、熱及碎石沖擊，遭受各類液體的腐蝕，并且副車架的使用壽命一般為終生免維護，所有副車架均需要滿足對應的耐腐蝕要求。一般副車架必須經過相當于10年的正常使用，而不會因為腐蝕而失去功能。為了減重所開的槽、孔一般應定義于最低處，這樣可以將進入的水直接排掉，避免水長期留存導致腐蝕。

尺寸公差：副車架局部公差應在安裝定位的規(guī)格范圍內，離地間隙要求和維修性也影響其設計形狀和尺寸。另外副車架的尺寸公差對四輪定位公差貢獻很大，以雙叉臂結構的前懸架為例，前副車架上的轉向器位置度、轉向器與前副車架的孔銷浮動均會影響前輪前束角公差；而副車架上的控制臂位置度和孔銷浮動，對前輪外傾、主銷內傾、主銷后傾的公差均有較大影響。

離地間隙：車輛必須在路沿等不同下有足夠的離地間隙，副車架設計時需注意其最低點或安裝最低點零件時的結構設計。

布置：副車架必須滿足其所有周邊零部件的布置要求，以便副車架和其他子系統(tǒng)的組裝和維修性。副車架與控制臂、穩(wěn)定桿的臂體間隙一般要求大于10 mm，與電機、電池包間隙大于25 mm，其中襯套件與副車架支架間隙一般要求在襯套徑向方向大于10 mm，襯套軸向方向大于5 mm。其的設計范圍是由這些周邊零件靜態(tài)和動態(tài)狀態(tài)的幾何形狀定義的。

重量：為了實現(xiàn)副車架支撐車輛的重量、成本等目標，重量盡可能輕。

3 副車架分類

一般按照副車架的形狀，主要形式可以劃分為蝶形(半副車架)和框型(全副車架)兩種類型，蝶形副車架較多用于部分前懸架結構，框型副車架可以用于前、后懸架結構。

圖1 蝶形副車架

圖2 框型副車架

按照配接懸架型式不同可劃分為前副車架和后副車架，前懸架有麥弗遜和雙叉臂兩種結構，但是這兩種懸架都是下控制臂裝配在副車架上，而雙叉臂結構的上控制臂都是直接裝配在車身上，所以前懸架的副車架結構都比較相似，都是扁平型副車架，其縱梁的高度跨度比較小。

后懸架一般都是多連桿結構形式，且后控制臂直接裝配在副車架上，所以如果具有上控制臂懸架的副車架在高度方向上的跨度都比較大，而如果是三連桿懸架的副車架由于沒有上控制臂，其高度跨度也比較小。

圖3 前懸副車架

圖4 后懸副車架

從材料劃分，可把副車架分為鋼制副車架和鋁制副車架，由于鋼制副車架和鋁制副車架制造工藝的不一樣，如果考慮后期需要兩種材料的切換，需在開發(fā)前期開發(fā)一款副車架時就兼顧另一種材料的布置空間保護。鋼制副車架主要由沖壓+焊接或者液壓成型+焊接兩種型式，鋁制副車架主要有整體鑄造(主要應用低壓鑄造、高壓鑄造、擠壓鑄造等工藝)、鑄鋁+鋁擠壓件、鋁擠壓拼焊(如寶馬4)等三種基本型式。部分車型還會用到以下型式：整體液壓成型(如大眾輝騰)、鋁液壓成型+鋁擠壓件、鑄鋁+鋁液壓成型+鋁擠壓(如奧迪A6)、鋁沖壓+鋁擠壓、鑄鋁+鋁沖壓等型式。其中鑄鋁+鋁擠壓型式主要由鋁低壓永久模鑄件和鋁擠壓件組成，鑄件和鋁擠壓件通過金屬惰性氣體(MIG)熔焊工藝連接，見圖5。低壓鑄造和擠壓鋁制造工藝能夠結合中空型材，提供了一個有效的輕量化機會，同時滿足產品剛度目標和布置空間要求。

圖5 低壓鑄造鋁+擠壓鋁副車架示意

如前文所述，由副車架與車身接附點不同，副車架可以分為彈性連接副車架和剛性連接副車架。采用剛性連接副車架可以簡化裝配過程，降低副車架安裝系統(tǒng)的一定成本，并顯著提高整體系統(tǒng)的剛度。

彈性連接副車架對輪胎端路面滾動噪音衰減效果更好，同時其可配合動力彈性懸置，實現(xiàn)動力總成振動的二級衰減；而剛性連接副車架更強調轉向的直接感受，在操控性上有所優(yōu)勢，成本也低。傳統(tǒng)汽油車部分車型會設計副車架后螺栓點脫落結構，來降低碰撞時的加速度峰值；但彈性連接副車架由于襯套的存在，力不能全部直接傳遞到后點螺栓，導致后點脫落不易實現(xiàn)且不好控制；但電動車是不需要設計后點脫落結構，因此不受此影響。

從副車架與車身接附點數(shù)量對比，主要可分為六點連接或四點連接副車架。六點連接整體剛度、模態(tài)更高。六點連接與車身固定的結構更多，導致車身縱梁變形受副車架影響更大，可以通過其結構優(yōu)化碰撞時的車身縱梁變形；相對于四點連接，六點連接更不容易設計螺栓脫落結構；同時因副車架的縱臂單邊被中塔結構分成兩部分，縱臂需和車身縱梁對應結構設計碰撞結構，副車架和車身縱梁可否穩(wěn)定地同步壓潰為設計難點。

4 副車架內部結構和接口設計

副車架的結構設計具有多樣性的特點，不管是蝶形副車架還是框型副車架，都沒有固定的設計形式。蝶形副車架一般由于其一體化的設計，無法對其進行嚴格的結構劃分。而框型副車架往往可以分為橫梁部分、縱梁部分及相關附屬支架部分。橫梁是體現(xiàn)副車架強度性能最關鍵的構件，一般副車架都會要求較高的橫向剛度和強度，整個副車架的橫向方向受力也是最嚴峻的方向?？v梁主要起到連接副車架橫梁的作用，同時也是影響碰撞安全性能最重要的構件。

副車架的接口一般可以分為兩類，一類是副車架安裝在車身上的接口，另一類是安裝在副車架上零件的接口，這些接口有些直接集成在副車架的橫梁、縱梁上面，也可能需要單獨設計一些支架提供這些接口，這些單獨設計的支架往往構成了副車架的附屬支架部分，為改善舒適性，部分車身會增加彈性襯套結構[4]。

硬點和動力裝置確定后，一般副車架的大體結構就能確定了。

縱臂設計：左右縱臂的橫向跨度盡量小，能夠提高副車架的強度，同時能夠提高控制臂的長度。但縱臂受制于動力裝置的影響，所以設計時縱臂往往盡量貼近動力裝置。

橫梁設計：橫梁的位置主要取決于相關硬點的位置，包括控制臂硬點和動力裝置硬點。往往動力裝置的支架直接布置在橫梁上，可以不用重新設計額外的支架，橫梁還應該盡量靠近控制臂著力點，這可以盡可能增加副車架的強度和剛度。同時橫梁上也會布置轉向器、穩(wěn)定桿等安裝接口。

擺臂支架的設計：擺臂支架是副車架上應力相對較大的部件，一般鋼副車架的擺臂支架是焊接在縱梁上，而鋁副車架的擺臂支架一般為鑄造生成的支架再經過機加工而成。支架與襯套配合的寬度間隙會影響支架的疲勞強度，而鋁副車架支架的疲勞強度對間隙相對更為敏感。一般鋁副車架是后機加工而成，相對精度更高一些，所以如果對于位置要求更高的鋼制副車架，可能需要考慮焊接柔性沖孔的工藝。經四輪定位公差累積分析結果和供應商制造能力的相互匹配，可以定義出擺臂支架的標準化接口尺寸定義，如主定位孔位置度、過孔同軸度及位置度、開檔尺寸公差、襯套安裝面輪廓度等等。對于鋼制副車架，帶前束、外傾調節(jié)機構的擺臂支架分為兩種結構，刺破和不刺破形式，刺破形式可實現(xiàn)的精度更高，但強度低于不刺破形式。設計時，需注意調節(jié)凸包相對于偏心墊片的高度、對稱度等因素。

彈性襯套設計：彈性襯套布置在整車Z向，其在整車X向剛度需設計軟，以改善其縱向沖擊舒適性；而在整車Y向剛度需設計較硬，起到良好的支撐作用，提高轉向響應。

5 副車架新技術

材料及生產工藝優(yōu)化：隨著材料技術以及制造工藝的發(fā)展，副車架越來越不局限于傳統(tǒng)的鋼制副車架和鋁制副車架，現(xiàn)代副車架也一直在采用新的材料以及新的工藝以達到更輕的重量或者更低的成本。

由于副車架的工作工況，對可靠性要求比較高，且為最重要的安全構件，所以一般鋁副車架采用低壓鑄造或者擠壓鋁等作為構成副車架的基本材料，以保證鋁材微觀組織的一致性和致密性。部分車型，如本田鋁副車架開始采用高壓鑄造的鋁副車架，高壓鑄造相對于低壓鑄造生產效率更高，成本更低，可以制造更薄的壁厚以實現(xiàn)更低的重量。但是由于高壓鑄造時金屬液高速充填型腔的過程中容易卷入氣體,使得生產的鑄件內部氣孔多,無法進行熱處理,產品伸長率很低,在應用上受到限制。同時目前行業(yè)內還沒有太多針對高壓鑄鋁副車架的標準，包括設計指導標準、材料機械性能還是微觀結構標準，因此高壓鑄造需要有關課題的詳細研究才能在更多車型上量產[5]。

鋼鋁混合副車架目前市面上比較少，目前有本田北美版本田雅閣、奧迪Q5產品。鋼鋁連接一般通過IW(鋼釘沖鉚鋁板和鋼釘與鋼板點焊)、SPR(自沖鉚連接)和FDS(自攻螺紋連接)技術實現(xiàn)鋼制結構件和鋁制結構件的連接。

相對于傳統(tǒng)金屬材料，復合材料，如碳纖維在重量上具有絕對的優(yōu)勢，同時成本也不會大幅增加。但是碳纖維復合材料可靠性相對較低，且材料的延伸率相對較低，受到沖擊容易出現(xiàn)較為嚴重的破壞，且碳纖維復合材料對溫度比較敏感，所以目前新型復合材料在副車架上并沒有推廣[6]。

尺寸精度優(yōu)化：為進一步提供懸架精度和四輪定位公差，以改善操穩(wěn)性能。對于鋼制副車架上的控制臂安裝支架孔，現(xiàn)多家汽車制造商在推進柔性沖孔工藝。柔性沖孔可以在總成焊接完成后再對控制臂安裝支架孔沖孔，其沖孔力遠小于傳統(tǒng)沖壓，被沖件變形很小，從而控制臂安裝孔位置度精度很高。安裝孔徑向方向位置度可以達到0.6 mm以內，而傳統(tǒng)沖壓工藝位置度要做到2.0 mm左右。另外柔性沖孔生產節(jié)拍快，如某副車架8個孔位，可以在70秒內完成沖孔。柔性沖孔難點在于沖頭模具的布置方案和沖壓順序的設定。目前做得比較好的供應商有Widdel等。

6 總結

隨著政府監(jiān)管部門對整車的操穩(wěn)和舒適性、耐久性、NVH、抗碰撞性等性能的日益關注，汽車制造商對這些性能的要求越來越高，副車架各項性能設計顯得尤為重要。本文從從副車架需滿足整車的各方面性能切入，詳細描述了副車架為滿足整車各方面性能所需達成的功能；并從副車架結構、材料、與車身接附點的軟硬連接及數(shù)量等展開討論副車架各類型結構的優(yōu)劣勢，同時對副車架的目前最新技術進行了分析，嘗試闡述副車架的設計時須注意的要點。