趙思文 謝評(píng)周 覃敏芳

柳州五菱汽車工業(yè)有限公司山東分公司 山東 青島 266555

引言

隨著人們出行需求的不斷提高，汽車得到快速普及應(yīng)用，逐漸發(fā)展成為人們常用的代步工具，人們對(duì)汽車使用頻率的不斷增加，促使人們對(duì)汽車的要求也向多樣化發(fā)展，底盤副車架作為汽車重要的構(gòu)成部分，其重要性是不容忽視的，目前底盤副車架輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)受到汽車領(lǐng)域的重視與關(guān)注，而且相關(guān)人員也對(duì)底盤副車架輕量化展開了大量研究，這對(duì)于汽車的良性發(fā)展具有一定的助推作用，同時(shí)也有助于更好地滿足汽車消費(fèi)者關(guān)于汽車節(jié)能效果等方面的具體需求。

1 汽車副車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

汽車底盤的副車架是一種起傳承作用的組成構(gòu)件，它連接車身和懸架這種連接讓懸架剛度大為提升，副車架的作用不可低估，在汽車底盤加裝副車架，整個(gè)車型的減振效果立竿見影，可達(dá)五級(jí)，汽車行駛產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，四級(jí)減振沒(méi)有完全吸收的振動(dòng)會(huì)通過(guò)加裝了副車架的第五級(jí)橡膠襯套吸收殆盡，促進(jìn)整車平順行駛，由此也可看出副車架的重要功效，安裝副車架，對(duì)其性能的要求主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)[1]：

①所安裝的副車架在剛度和強(qiáng)度方面要達(dá)到要求，這是為了能保證力矩和力的有效傳遞，特殊情況下必須保證應(yīng)力限制在材料屈服極限之內(nèi)，即使工況處于極限條件下，對(duì)所有節(jié)點(diǎn)永久變形的規(guī)定也不能逾矩，同時(shí)塑性應(yīng)變控制在規(guī)定范圍之內(nèi)；②前文所述，懸架和車身由副車架連接，同時(shí)橫向穩(wěn)定桿以及轉(zhuǎn)向機(jī)支架等重要構(gòu)件也在副車架上安裝，其作用的特殊性要求汽車所有零部件不得對(duì)副車架產(chǎn)生任何交集和干涉；③汽車行駛途中副車架的低階固有頻率可能會(huì)和其他底盤配件出現(xiàn)共振現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化必不可少；④汽車行駛產(chǎn)生的交變載荷極其復(fù)雜，副車架是主要承受件，其使用壽命時(shí)長(zhǎng)要求極高，校核副車架的系統(tǒng)和零部件時(shí)必須提高級(jí)別，其耐久性校核必須以整車級(jí)別衡量。

副車架與懸架部件實(shí)現(xiàn)連接在方式上有所不同，這也使副車架的形式分為安全承載和半承載兩種形式，具體來(lái)講，副車架為半承載式的，懸架系統(tǒng)部分連接副車架，部分連接車身，缺陷是不能獲得良好振動(dòng)衰減效果，副車架為安全承載式的，懸架系統(tǒng)在進(jìn)行連接時(shí)是首先連接副車架，與車身的連接則需通過(guò)副車架來(lái)實(shí)現(xiàn)，相較于半承載式副車架，由此大幅提升振動(dòng)衰減效果[2]。

從制作材料的角度來(lái)給副車架進(jìn)行劃分也有兩種，即鋼質(zhì)和鋁質(zhì)副車架，相對(duì)來(lái)說(shuō)，鋼質(zhì)副車架在制作工藝和成本方面具有簡(jiǎn)便易行且成本低廉的優(yōu)勢(shì)，在汽車車型制造中應(yīng)用較為普遍，鋁質(zhì)副車架在重量上要低于鋼質(zhì)副車架，但是成型難度大且推高成本，因此使用范圍受到限制，在中高端車型中應(yīng)用較多。

副車架從成型工藝角度可劃分為三種，一是板殼沖壓成型形式，優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是模具成本高昂，二是管梁彎曲成型形式，優(yōu)點(diǎn)是焊接作業(yè)量大幅降低，改裝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便易行，缺點(diǎn)是材料極易發(fā)生彈性變形，精度控制比較困難，三是鑄造成型形式，這種形式在鋁質(zhì)副車架制造中常用，無(wú)論是成型工藝難度還是成本造價(jià)方面都有較高難度，且需要糅合很多其他的復(fù)雜成型工藝，目前限制在高端車型中應(yīng)用。

2 副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

實(shí)現(xiàn)汽車設(shè)計(jì)制造的結(jié)構(gòu)輕量化追求，優(yōu)化設(shè)計(jì)是必經(jīng)之路，優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容可分為拓?fù)洌蚊惨约俺叽绲确矫娴膬?yōu)化。

對(duì)副車架進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析通常意義上指模態(tài)性能，通過(guò)分析可對(duì)副車架承載時(shí)振動(dòng)狀態(tài)作出判斷，副車架有保障整車行駛平順性的功用，為最大限度控制共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，校核其模態(tài)性能成為必須，以它的自由模態(tài)性能計(jì)算為例，要求模態(tài)此時(shí)無(wú)任何外力約束，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算需要所有安裝點(diǎn)自由度得到充分釋放，前文所述，副車架與車身和懸架連接在剛度方面提升副車架的性能，但是其固有頻率也同步得到了提高，因此1D連接單元需要徹底刪除，nastran計(jì)算求解器和蘭索斯自由模態(tài)參數(shù)提取法是模態(tài)性能計(jì)算的高效輔助措施，在對(duì)副車架進(jìn)行模態(tài)性能設(shè)計(jì)時(shí)須保證超過(guò)60Hz的一階固有頻率和超過(guò)75Hz的二階固有頻率，但是通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，自由模態(tài)性能下一和二階固有頻率數(shù)據(jù)參數(shù)是較低的60.3和67.6Hz，而且二階固有頻率數(shù)據(jù)明顯低于設(shè)計(jì)要求，由此可判斷出底盤有可能和別的零部件出現(xiàn)共振，另外需要注意的是，設(shè)計(jì)副車架須注意其固有頻率盡量不接近鄰近階次的固有頻率。

3 副車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[3]

①分析發(fā)現(xiàn)副車架的底板應(yīng)力很小，可進(jìn)行整體劃分，通過(guò)是一分為四，板厚以及剛度性能保持原樣，但是材料提高了利用率，便于后續(xù)繼續(xù)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)；②分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)前安裝點(diǎn)套管有剛度與設(shè)計(jì)要求不符的現(xiàn)象，可在鄰近區(qū)域增設(shè)加強(qiáng)板來(lái)克服；③副車架的設(shè)計(jì)初版羊角部位安裝設(shè)計(jì)不合理，左上板的安裝過(guò)于簡(jiǎn)單，上下結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度不夠，影響了整體剛度，羊角部位的改進(jìn)設(shè)計(jì)是繼續(xù)延伸，直至連接到底板，撤換原加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，代之以羊角外板，上下板實(shí)現(xiàn)更緊密連接，整體剛度得以提升，也有利于副車架的輕量化設(shè)計(jì)；④自由模態(tài)性能分析發(fā)現(xiàn)副車架存在太低的低階固有頻率，可通過(guò)提高整體剛度進(jìn)行彌補(bǔ)，同時(shí)利于減緩疲勞損傷，為進(jìn)一步提高副車架的耐久性，可延長(zhǎng)兩側(cè)加強(qiáng)板，同時(shí)重新加強(qiáng)設(shè)計(jì)；⑤設(shè)計(jì)副車架結(jié)構(gòu)時(shí)為了規(guī)避其他干涉，轉(zhuǎn)向機(jī)支架需要前上板進(jìn)行避讓，為了提升固有頻率以及某些部位的剛度，可加設(shè)加強(qiáng)筋，對(duì)橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行安裝底座的輕量化設(shè)計(jì)；⑥為最大限度發(fā)揮材料的使用價(jià)值，有必要對(duì)前防撞梁支架進(jìn)行位置改進(jìn)。

4 輕量化設(shè)計(jì)理念下的副車架疲勞壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)分析基礎(chǔ)

4.1 疲勞分析循環(huán)應(yīng)力求解方法

汽車長(zhǎng)期行駛中，交變載荷復(fù)雜且長(zhǎng)期變換不定，雖然材料受到的應(yīng)力并未突破屈服極限，但如果應(yīng)力值低于彈性極限，構(gòu)件就會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞，構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變是這個(gè)過(guò)程涉及的主要參數(shù)，可通過(guò)下列方法獲取。

4.1.1 靜力學(xué)分析。載荷形式不同，適合求解循環(huán)應(yīng)力的方法也會(huì)有所差異，工況特定時(shí)，整車參數(shù)，加速度綜合考量或者多體動(dòng)力模型等途徑得到靜態(tài)載荷，這種載荷形式需進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建，通過(guò)分析靜力學(xué)從而得到準(zhǔn)確的應(yīng)力數(shù)據(jù)，由于這種方法對(duì)材料應(yīng)力應(yīng)變曲線的真實(shí)性做到了充分考慮，因此確保了數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，計(jì)算過(guò)程無(wú)須納入過(guò)多參數(shù)。

4.1.2 應(yīng)力影響系數(shù)法。通過(guò)靜力學(xué)分析得到的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)僅限于反映特定時(shí)刻，疲勞性能的準(zhǔn)確計(jì)算無(wú)法滿足，如果載荷時(shí)間歷程成為載荷形式，應(yīng)力影響系數(shù)法最為適用，這種方法不僅進(jìn)行靜力學(xué)分析，同時(shí)引進(jìn)線性疊加，第一是把構(gòu)件載荷方向定義成載荷通道，把單位載荷加載于某一載荷通道，其他通道不加載，此時(shí)引入靜力學(xué)分析獲取應(yīng)力的計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)這條通道進(jìn)行影響系數(shù)確認(rèn)，照此方法對(duì)其他載荷通道依次類推確認(rèn)影響系數(shù)，把影響系數(shù)乘以載荷通道的真實(shí)載荷，就是這條載荷通道真正的應(yīng)力結(jié)果數(shù)據(jù)。

4.1.3 直接積分瞬態(tài)法。若激勵(lì)頻率接近零部件的固有頻率，再利用應(yīng)力影響系數(shù)法計(jì)算應(yīng)力結(jié)果就會(huì)有較大誤差出現(xiàn)，動(dòng)力學(xué)響應(yīng)是需要此時(shí)考慮的問(wèn)題，直接積分法是一種有效的計(jì)算方式，它有隱式和顯式兩種積分形式，缺點(diǎn)是需要相當(dāng)大量的計(jì)算，尤其如果零部件耐久載荷譜歷過(guò)長(zhǎng)，進(jìn)行循環(huán)應(yīng)力計(jì)算的工作量更大。

4.1.4 模態(tài)疊加法。這種方法是結(jié)合結(jié)構(gòu)振型縮減同時(shí)對(duì)方程進(jìn)行解耦，模態(tài)和物理各自擁有自己的坐標(biāo)系和動(dòng)力學(xué)方程，模態(tài)疊加法就是轉(zhuǎn)化這些方程并求解，轉(zhuǎn)換解得的模態(tài)向量，使之變成物理坐標(biāo)系位移響應(yīng)，由此計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)力，優(yōu)點(diǎn)是不需所有各階模態(tài)，低階模態(tài)由于對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力有更大響應(yīng)，所以只取前幾階即可。

4.2 副車架鈑金結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析

利用專業(yè)軟件開展疲勞分析，操作流程可分為以下步驟[4]：第一，向每個(gè)載荷通道施加1000牛頓的單位載荷，輸入構(gòu)建好的有限元模型，獲取準(zhǔn)確的應(yīng)力結(jié)果，把耐久循環(huán)通道耐久載荷譜與單位力分析結(jié)果對(duì)應(yīng)，進(jìn)行循環(huán)次數(shù)的輸入，對(duì)材料屬性進(jìn)行設(shè)置并得到S-N或者S-E曲線，結(jié)合技術(shù)參數(shù)計(jì)算并分析計(jì)算結(jié)果，再利用專業(yè)軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析處理得到結(jié)果，副車架鈑金結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性分析的數(shù)據(jù)結(jié)果是：10802537是危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，它的壽命值達(dá)到了耐久循環(huán)的8.882倍，設(shè)計(jì)要求中的這個(gè)倍數(shù)值為大于等于1.5倍，分析結(jié)果表明符合設(shè)計(jì)要求，第二，材料自身有疲勞強(qiáng)度焊縫結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度多數(shù)情況下較低，副車架多數(shù)沖壓焊接失效均為焊縫開裂引起，所以需校核焊縫結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

4.3 輕量化設(shè)計(jì)理念下副車架疲勞壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]

4.3.1 預(yù)處理副車架耐久載荷譜，處理內(nèi)容包括趨勢(shì)項(xiàng)和毛刺的去除以及低頻濾波，副車架主要材料通過(guò)四點(diǎn)關(guān)聯(lián)法獲取應(yīng)變壽命曲線，分析副車架焊縫和鈑金結(jié)構(gòu)疲勞壽命，兩項(xiàng)相對(duì)于耐久循環(huán)的倍數(shù)值分別是：鈑金結(jié)構(gòu)8.88倍，焊縫結(jié)構(gòu)是2.75倍，符合輕量化設(shè)計(jì)理念下對(duì)耐久性能的設(shè)計(jì)要求。

4.3.2 以臺(tái)架方式測(cè)試輕量化設(shè)計(jì)理念下設(shè)計(jì)的副車架耐久性，選取10個(gè)副車架關(guān)鍵載荷方向，分析它們的相位相關(guān)性，找出無(wú)相位相關(guān)性通道，對(duì)其實(shí)施以偽損傷為出發(fā)點(diǎn)的Block縮減和多載荷塊等效劃分，若通道相位相關(guān)，則對(duì)其實(shí)施以損傷保留為出發(fā)點(diǎn)的縮減剔除小損傷，縮減完成后再對(duì)通道進(jìn)行相位相關(guān)測(cè)試，路譜縮減有效性驗(yàn)證測(cè)試則通過(guò)偽損傷，真實(shí)損傷以及雨流計(jì)數(shù)等方式方法進(jìn)行分析。

4.3.3 為方便各種性能測(cè)試分析，制作了樣品副車架，目標(biāo)譜采用路譜縮減載荷譜，用專業(yè)測(cè)試系統(tǒng)臺(tái)架方式對(duì)副車架進(jìn)行6通道角度加載測(cè)試耐久性，當(dāng)耐久循環(huán)倍數(shù)值為1.9時(shí)，試驗(yàn)觀測(cè)到副車架有焊縫結(jié)構(gòu)裂紋出現(xiàn)，位于左控制臂焊縫，有限元模型分析的失效位置與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)位置完全相符，耐久循環(huán)壽命倍數(shù)值1.9的數(shù)據(jù)符合輕量化設(shè)計(jì)理念下耐久性能的技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

5 副車架輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

進(jìn)行副車架輕量化設(shè)計(jì)的過(guò)程中一定要對(duì)車輛運(yùn)行的情況進(jìn)行綜合分析，并輸入車架運(yùn)行的參數(shù)，通過(guò)模型設(shè)計(jì)與運(yùn)行確定最合適的設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，并為副車架設(shè)計(jì)的效果優(yōu)化提供保障[6]。輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，盡量選擇與車輛設(shè)計(jì)理念相符合、制造成本較低的設(shè)計(jì)方案。在輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)落實(shí)好設(shè)計(jì)質(zhì)量控制責(zé)任，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)有與整車設(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)的問(wèn)題就要及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案修改，并做好各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的整體模型搭建與分析，以此來(lái)提升副車架輕量化設(shè)計(jì)的實(shí)用性，為車輛結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化提供助力。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)民眾的經(jīng)濟(jì)實(shí)力有了普遍提高，汽車已經(jīng)走入千家萬(wàn)戶，汽車消費(fèi)者的增加，促使人們對(duì)汽車的要求也越來(lái)越多，因此汽車設(shè)計(jì)面對(duì)的重重考驗(yàn)與挑戰(zhàn)，隨著輕量化設(shè)計(jì)理念的不斷滲透，汽車底盤副車架輕量化設(shè)計(jì)越來(lái)越受關(guān)注，以上文章著重探討了輕量化設(shè)計(jì)理念的副車架疲勞壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)，希望與相關(guān)人員共同交流參詳。