元寶梁副車架的輕量化設(shè)計

姜飛

摘 要：近年來，能源與環(huán)境危機加速了各國政府對汽車行業(yè)產(chǎn)品能耗與排放的嚴格控制，而國內(nèi)在2020年7月1日將實施國六a排放標準。目前國內(nèi)在汽車零部件輕量化領(lǐng)域的發(fā)展逐步加快。副車架作為乘用車的主要承載零部件，如何進行輕量化研究變得非常有意義。基于此，本文對副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了分析研究。

關(guān)鍵詞：元寶梁 副車架 輕量化

1 輕量化的意義

20世紀70年代的兩次石油危機促進了汽車工業(yè)發(fā)展，提高了燃油經(jīng)濟性。80年代中期，保護人類居住和賴以生存的環(huán)境又一次推動了汽車工業(yè)提高燃油經(jīng)濟性和排放。近年來，能源與環(huán)境危機加速了各國政府對汽車行業(yè)產(chǎn)品能耗與排放的嚴格控制。到2020年，除美國之外的生產(chǎn)消費國和地區(qū)，對乘用車燃油消耗的要求都將嚴格限制在5L/100Km以下的水平，而且碳排放也更加嚴格（國內(nèi)在2020年7月1日將實施國六a排放標準）。

研究表明，約75%的油耗與整車質(zhì)量有關(guān)，汽車的質(zhì)量每減輕100Kg，百公里油耗將較少0.4-1.0L，汽車質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6%-8%，同時汽車的廢氣排放量也有明顯的降低。目前國內(nèi)在汽車零部件輕量化領(lǐng)域的發(fā)展逐步加快。副車架作為乘用車的主要承載零部件，如何進行輕量化研究變得非常有意義，本文對副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了分析研究。

2 副車架輕量化方向

副車架是承載前后車橋及懸掛的支架，主要作用是阻隔振動和噪聲，減少其直接進入車廂，提高整體懸架剛度。副車架的輕量化設(shè)計主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料應(yīng)用兩方面著手。

3 副車架性能指標的確定

3.1 原始三維數(shù)據(jù)建立

首先，采集標桿車副車架硬點坐標，分析結(jié)構(gòu)及工藝。其次，掃描車副車架數(shù)據(jù)，用Catia軟件進行逆向建模。再次，對副車架進行拆解，了解焊接結(jié)構(gòu)，分析焊接工藝，初步確定材料屬性。此副車架主體由沖壓件組焊而成，主要尺寸包含有四個車身安裝點與車身連接，2個擺臂安裝點，2個轉(zhuǎn)向機安裝點，4個穩(wěn)定桿安裝點，1個發(fā)動機懸置安裝點，具體結(jié)構(gòu)如圖1基礎(chǔ)版模型。

3.2 設(shè)計條件及要求確定

為應(yīng)對國六a的排放標準的實施，對此款副車架進行輕量化設(shè)計，以基礎(chǔ)版模型為準，保持硬點及性能指標不變，參考基礎(chǔ)版模型的包絡(luò)及設(shè)計條件，在滿足使用要求的情況下重量下降10%（2kg），以達到輕量化的目的。

3.3 基礎(chǔ)版模型性能指標分析確定

為確定減重優(yōu)化方向，減少優(yōu)化所需的時間，首先對基礎(chǔ)版模型的性能指標進行分析，確定各點在各工況下的剛度、強度及各階模態(tài)（如圖1基礎(chǔ)版指標所示）。

4 副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 減重思路確定

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與分析結(jié)果來看，為達到接近2KG目標重量的減少，最簡便快捷的方法就是對占主要重量的上、下板，以及羊角彎管支架進行減薄，但主體的減薄必然意味著整體剛、強度的下降。為保證性能的穩(wěn)定，需根據(jù)減薄的厚度及模型的結(jié)構(gòu)形狀在內(nèi)部增加加強板，不斷地進行迭代計算，最終確定需要增加加強板的結(jié)構(gòu)與位置。

4.2 第一輪材料減薄優(yōu)化與驗證

在不改變原有結(jié)構(gòu)的情況下，上板厚度減薄0.2mm，下板厚度減薄0.5mm，側(cè)加強板厚度減薄0.5mm，整體重量下降1.9KG，重量目標已經(jīng)達到，但整體性能嚴重下降（如圖1第一版方案所示）。

4.3 第二輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證

基礎(chǔ)版模型是彎管式羊角配合側(cè)加強板連接前、后安裝點結(jié)構(gòu)，根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合此類結(jié)構(gòu)的特點，整體優(yōu)化思路如下：

首先，提高前、后安裝點連線區(qū)域的剛度再配合后點加強板的改進，進行整體減重;其次由于基礎(chǔ)版模型無中間加強板，為防止主體變薄使懸置安裝點、前、后擺臂安裝點、穩(wěn)定桿安裝點變?nèi)酰柙黾又虚g加強板。整體優(yōu)化以靜剛度為起點，對其進行最大程度的加強，動、靜剛度以及模態(tài)會同步提高，之后通過對局部的改動增加動剛度，最后進行模態(tài)及強度的優(yōu)化。

根據(jù)整體減重優(yōu)化思路，對上板減薄0.2mm，將三塊拼接的下板合成一個整體，同時減薄0.4mm，羊角彎管保持不變，更改后車身安裝點加強板的結(jié)構(gòu)，并向上翻邊與上板焊接，去掉側(cè)加強板，將上、下板外側(cè)進行翻邊焊接，改變擺臂前點安裝支架的焊接結(jié)構(gòu)，增加一個整體的中間加強板，貫穿左右兩側(cè)，整體減重1.3KG（如圖1第二版方案所示）。

分析結(jié)果顯示除穩(wěn)定桿與轉(zhuǎn)向機位置部分結(jié)果略低，靜、動剛度基本高于基礎(chǔ)模型，下一次優(yōu)化將在此基礎(chǔ)上重點關(guān)注這兩個安裝點的剛度。

4.4 第三輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證

在第二輪進行優(yōu)化設(shè)計時，未考慮擺臂的運動包絡(luò)，只是單純的進行了一次減重設(shè)計，結(jié)果模型整體結(jié)構(gòu)略有些偏離，左右兩側(cè)的連接位置影響了擺臂的運動空間。此次在第二輪優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合運動包絡(luò)干涉位置進一步優(yōu)化。

第三輪方案主要是改變中間懸置加強板的結(jié)構(gòu)，將中間懸置加強板變?yōu)橐粋€盒子形狀，貫穿模型的X方向;將原來的一個整體的中間加強板改為左右兩段，并與中間懸置加強板進行焊接;在后車身連接點處，增加一個YZ方向的加強板，應(yīng)對模型輪廓向內(nèi)收縮造成的性能的下降，整體減重0.9KG。（如圖1第三版方案所示）。

經(jīng)過三輪優(yōu)化，除轉(zhuǎn)向機安裝點處的剛度略低于基礎(chǔ)版模型，其他硬點剛度結(jié)果都滿足目標，且其余安裝點的動、靜剛度和模態(tài)分析結(jié)果都遠高于基礎(chǔ)版模型的指標，各工況下強度都低于材料屈服極限，為后續(xù)優(yōu)化減重留出了足夠的設(shè)計空間。

4.5 第四輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證

目前性能指標已經(jīng)滿足且局部超過基礎(chǔ)版模型，但減重10%的目標還沒有達到要求，所以再次降低下板厚度0.1mm，同時增大彎管直徑10mm，并降低厚度1mm，彎管重量大幅下降;對左、右中間加強板與中間懸置加強板的厚度降低，根據(jù)分析云圖在性能過剩或不影響性能處開減重孔，對比基礎(chǔ)版模型整體重量下降1.97KG。（如圖1第四版方案所示）

4.6 第五輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證

經(jīng)過四輪的設(shè)計優(yōu)化，目前模態(tài)、剛度、強度及減重10%的目標全部達到要求。單考慮到成本的壓力，決定進行五輪優(yōu)化設(shè)計，看看是否還有降重的空間。

結(jié)合以往的設(shè)計經(jīng)驗，參考其他標桿車型的元寶梁副車架結(jié)構(gòu)，進行了第五輪設(shè)計改進，主要把羊角的彎管結(jié)構(gòu)設(shè)計改為兩個沖壓件的焊接結(jié)構(gòu)，此方案與第四輪方案相比，重量再次下降了0.31KG（如圖1第五版方案所示）。

4.7 材料屬性定義

材料屬性的定義是通過有限元分析結(jié)果決定的，原則上所有工況的應(yīng)力都不大于材料的屈服極限，所有極限工況的應(yīng)力都不大于材料的抗拉極限。通過分析結(jié)果來看，原模型上、下板使用材料為QSTE380，材料屈服極限380MPa，其他沖壓件采用SAPH440材料，屈服極限305MPa，滿足各工況最大強度，使用材料可以保持不變。

5 元寶梁副車架優(yōu)化方案確定

經(jīng)過五輪的優(yōu)化，確定了兩種優(yōu)化方案。第四版方案滿足了設(shè)計目標的同時，減重11.7%（1.97kg）;第五版方案某些剛度降低了9%左右，減重13.6%（2.28kg）;經(jīng)與客戶的溝通后，確定使用第四版方案。

6 結(jié)語

汽車的輕量化設(shè)計是大趨勢，目前隨著國六a標準的實施，副車架作為汽車的主要零部件，如何減重顯得尤為重要。本文講述了元寶梁副車架的優(yōu)化過程，主要描述了減重的思路，并通過對結(jié)構(gòu)及受力特點的分析，逐步進行優(yōu)化，盡量少走彎路。希望對同類型產(chǎn)品的減重優(yōu)化有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]晏海軍.某扭轉(zhuǎn)梁懸架運動學及動力學分析與優(yōu)化[D].湖南大學，2014.