某鋁合金前副車架設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

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(jié)構(gòu)件，它對(duì)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(lái)，汽車輕量化的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，鉛合金在汽車行業(yè)中的使用比例越來(lái)越大，目前除合資車企以外，部分自主品牌車企也已開(kāi)發(fā)鋁合金副車架的車型，鋁合金副車架已逐漸成為未來(lái)底盤的趨勢(shì)。本文主要闡述基于鋼制前副車架的輕量化設(shè)計(jì)而開(kāi)發(fā)的一款鋁合金前副車架，通過(guò)CAE分析與臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)，其邊界數(shù)據(jù)均保持不變：包括下擺臂、轉(zhuǎn)向器、穩(wěn)定桿、隔震器、車身、排氣系統(tǒng)、傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及其他附件等，形成了前副車架包絡(luò)，基于這個(gè)包絡(luò)創(chuàng)建出鋁合金前副車架設(shè)計(jì)的初始空間模型[1-3]。

目前市場(chǎng)上鋁合金前副車架結(jié)構(gòu)形式以一體式鑄造和焊接式為主，針對(duì)該副車架的設(shè)計(jì)輸入，本文列出了三種結(jié)構(gòu)方案及其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)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(duì)比分析

方案確定后就進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：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?fù)鋬?yōu)化功能進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，約束剛度和模態(tài)，優(yōu)化目標(biāo)質(zhì)量最小；最后，基于優(yōu)化結(jié)果，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的CAD設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)參考拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的同時(shí)也要考慮零件工藝性，同時(shí)，需要滿足各項(xiàng)性能不低于鋼制副車架，最后設(shè)計(jì)得出鋁合金前副車架設(shè)計(jì)模型，優(yōu)化過(guò)程如下圖1所示。

圖1 鋁合金副車架拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程

該鋁合金副車架上開(kāi)設(shè)有若干個(gè)不規(guī)則形狀的減重孔，同時(shí)還均勻分布有多組加強(qiáng)筋，副車架左右安裝臂和底部?jī)啥司_(kāi)設(shè)有車身安裝孔，壓入襯套后通過(guò)螺栓與車身連接，其重量比鋼制的下降約34%，不僅能夠帶來(lái)很好的懸架連接剛度，還能夠隔絕路面震動(dòng)帶來(lái)良好的舒適性；同時(shí)還帶來(lái)經(jīng)濟(jì)的燃油消耗量，不易生銹。同時(shí)，該鋁合金前副車架也采用了平臺(tái)化設(shè)計(jì)，對(duì)于輪距在一定范圍內(nèi)變化的車型都能夠通過(guò)重新設(shè)計(jì)副車架中塊（加長(zhǎng)或者縮短）來(lái)兼容，最大程度實(shí)現(xiàn)副車架的平臺(tái)化兼容，降低成本[4]。

1.2 工藝設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)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(chǎn)生熱節(jié)缺陷，但可通過(guò)后期熱處理提升力學(xué)性能指標(biāo)。壓力鑄造工藝晶體組織致密，鑄造毛坯力學(xué)性能好，但容易產(chǎn)生卷氣現(xiàn)象，導(dǎo)致延伸率較低，且無(wú)法進(jìn)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(xué)性能好，且可以進(jìn)行后期熱處理[5]。

綜合考慮以上鑄造工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)兼顧鑄造設(shè)備等成本因素，確認(rèn)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(jī)加，最終這些零件通過(guò)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(qiáng)度。產(chǎn)品樣件實(shí)物圖如下圖2所示。

圖2 鋁合金副車架樣件實(shí)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(shí)體單元模擬，單元大小3 mm，焊縫采用實(shí)體單元?jiǎng)?chuàng)建，與零件進(jìn)行共節(jié)點(diǎn)連接，襯套采用Spring單元模擬；前副車架安裝點(diǎn)與載荷力施加點(diǎn)處采用rbe2單元進(jìn)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(qiáng)度200 MPa以上，中塊與懸置套筒為6061-T6，屈服強(qiáng)度220 MPa以上。

圖3 鋁合金前副車架有限元模型

2.2 強(qiáng)度分析

該前副車架通過(guò)四個(gè)襯套與車身進(jìn)行螺栓連接，故對(duì)四個(gè)襯套進(jìn)行全自由度約束。將ADAMS動(dòng)力學(xué)分析得出的各工況下前副車架各硬點(diǎn)受到的力和力矩（如表2所示）輸入到Hypermesh中，將對(duì)應(yīng)的力和力矩施加在對(duì)應(yīng)硬點(diǎn)上。利用Optistruct求解器對(duì)前副車架有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)工況下前副車架的應(yīng)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(yīng)力云圖

鋁合金前副車架向前緊急制動(dòng)工況最大應(yīng)力位于右塊擺臂前點(diǎn)附近減重孔邊緣處，應(yīng)力值為111.6 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度200 MPa；極限轉(zhuǎn)向工況最大應(yīng)力位于左塊車身前安裝臂下端與加強(qiáng)筋相交圓角處，應(yīng)力值為117.0 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度200 MPa；單側(cè)過(guò)深坑工況最大應(yīng)力位于左塊車身前安裝臂下端內(nèi)部加強(qiáng)筋邊緣，應(yīng)力值為152.3 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度200 MPa；滿足強(qiáng)度要求。

3 前副車架試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 耐久臺(tái)架試驗(yàn)

為了驗(yàn)證有限元分析的可靠性，對(duì)鋁合金前副車架進(jìn)行兩種工況下的臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，分別為縱向力和側(cè)向力耐久臺(tái)架試驗(yàn)。

利用四立柱工裝將前副車架模擬與車身進(jìn)行螺栓連接，縱向力試驗(yàn)用X向（-6，+8.6）kN的力值按照正弦波同時(shí)加載在左右擺臂球銷上，側(cè)向力試驗(yàn)按Y向±9 kN的力值按照正弦波同時(shí)反向加載在左右擺臂球銷上，具體如下圖5、圖6所示。試驗(yàn)頻率為2Hz，每個(gè)試驗(yàn)需完成3臺(tái)樣件合格，縱向力試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)需達(dá)到35萬(wàn)次，側(cè)向力試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)需達(dá)到30萬(wàn)次，評(píng)價(jià)指標(biāo)為樣件在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)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(tái)架試驗(yàn)

圖6 前副車架側(cè)向力耐久臺(tái)架試驗(yàn)

最后，兩個(gè)試驗(yàn)一共6個(gè)樣件都達(dá)到了試驗(yàn)要求的循環(huán)次數(shù)，樣件無(wú)開(kāi)裂，順利通過(guò)了耐久臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與分析的可靠性。

3.2 臺(tái)架應(yīng)變片試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該鋁合金前副車架CAE分析方法的準(zhǔn)確性，以將此設(shè)計(jì)分析方法等效沿用到后續(xù)鋁合金底盤件的開(kāi)發(fā)，需對(duì)CAE分析結(jié)果與樣件應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)校核。下面以縱向力臺(tái)架試驗(yàn)為例，在前副車架上兩處平整位置貼上兩個(gè)應(yīng)變片，位置如下圖7所示，然后在擺臂球銷處分別施加X(jué)向+8.6 kN和-6 kN的力值，以采集該兩處位置應(yīng)力值，并將應(yīng)變片采集的數(shù)據(jù)與CAE分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

圖7 鋁合金前副車架應(yīng)變片位置

表3 CAE分析值與應(yīng)變片采集值對(duì)比表

根據(jù)應(yīng)變片采集的應(yīng)力值與CAE分析值對(duì)比可知，兩者稍微有點(diǎn)偏差，偏差結(jié)果為2.0%～4.2%，工程上認(rèn)為偏差結(jié)果在5%之內(nèi)可以接受，因此可說(shuō)明CAE結(jié)果與實(shí)際應(yīng)力采集結(jié)果比較吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該分析方法的準(zhǔn)確性，對(duì)后續(xù)鋁合金底盤件的開(kāi)發(fā)均有借鑒指導(dǎo)意義。

4 總結(jié)

本文基于鋼制前副車架設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)上可進(jìn)行平臺(tái)化拓展，不僅能夠滿足耐久臺(tái)架試驗(yàn)要求，而且達(dá)到了減重34%的效果。同時(shí)，通過(guò)CAE分析與臺(tái)架應(yīng)變片試驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)分析方法的準(zhǔn)確性，對(duì)后續(xù)鋁合金底盤件的開(kāi)發(fā)有借鑒意義。