鋁合金后副車架結構設計與強度分析

顧華朋 楊平 許書生 馬麗春

摘要：本文針對某純電動大七座SUV后副車架采用鋁合金材質的設計需求，采用了結構設計、多體動力學分析以及結構強度分析，三者聯合的設計手段。首先利用結構設計軟件正向設計鋁合金后副車架結構，然后通過多體動力學分析軟件提取車輛特殊工況載荷，最后經結構強度分析軟件對鋁合金后副車架進行強度校核，最終評估該鋁合金后副車架結構設計滿足強度要求。本文展示新型鋁合金后副車架結構的同時，也為該類零部件提供行之有效的設計指導。

關鍵詞：鋁合金;結構設計;后副車架

中圖分類號：TP391.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0042-02

0? 引言

鋁合金相比鋼由于具有質量輕、抗氧化、易回收的特點，被稱為汽車輕量化的理想結構材料。副車架是汽車底盤系統的關重零件，它與下車體相連，用于固定動力總成、擺臂、方向機等底盤零件，同時起到提高整車剛性，并衰減地面及動力總成的振動，提高整車舒適性的作用。副車架在使用過程中承受著制動、沖擊、轉向等各個工況的載荷，受力情況復雜，副車架的可靠性直接影響整車的行駛安全[1]。因此，在副車架設計過程中必須對其進行強度校核。本文針對某車型后副車架的設計要求，采用鋁合金型材和鑄件組合的結構形式。在工藝數據設計完成后，建立其結構強度分析模型，運用多體動力學分析提取懸架各硬點載荷信息[2]，經仿真驗證，后副車架強度滿足強度設計要求。

1? 結構設計

在鋁合金副車架結構設計中，常用兩種結構形式，一種是整體鑄造類型，另一種是鋁合金型材和鑄件組合類型。這兩種結構各有其優缺點。整體鑄造結構由于可以對梁系截面進行深度設計，材料整體分布合理，重量更輕，加工工序少，尺寸精度高，但因其整體成型工藝復雜，制造成本較高。鋁合金型材和鑄件組合類型副車架，制造成本相對較低，開發周期短，但單體零件之間多采用MIG焊進行連接，存在焊接變形大的缺點。在尺寸精度得以有效控制的前提下，不失為一種經濟性較好的副車架輕量化設計方案[3]。

本文所述后副車架綜合考慮設計各項設計指標，采用鋁合金型材和鑄件組合結構。根據設計硬點輸入，結合底盤其他零件包絡及間隙要求，副車架整體呈現“#”形，縱梁承載擺臂鉸接點，同時與下車體后縱梁連接，相對位置精度要求較高，故采用鑄件縱梁結構輔以截面深度優化設計;起連接作用的橫梁，采用鋁合金型材圓管經折彎工藝制成，縱梁和橫梁經MIG焊裝配成副車架總成。經測量，副車架總成設計重量為13.9kg，輕量化效果較鋼制副車架顯著，其結構形式如圖1所示。

2? 強度分析

2.1 工況載荷提取

如圖2所示，利用多體動力學分析軟件建立后懸架動力學模型。模擬前進制動、倒車制動、濫用過坑（垂直沖擊）、轉向四種工況，各工況加速度取值大小如表1所示。經計算，以濫用過坑工況為例，后副車架各硬點處的作用力如表2所示。

2.2 分析模型建立

在結構強度分析過程中，通過對幾何模型的合理簡化來建立優化的前處理模型，鑄件由于截面多變，采用3D網格，型材截面固定，采用2D網格，采用剛性單元模擬焊接進行連接。優化后的前處理模型如圖3所示，共計包含241793個節點，86745個單元。

2.3 材料屬性定義

鋁合金后副車架材料參數設置如下：彈性模量78GPa，泊松比0.3，屈服強度266MPa，密度2700kg/m3。

3? 分析結果

后副車架最大應力分析結構如表3所示，其分析應力云圖詳見圖4至圖7。

4? 結論

本文運用多體動力學仿真分析獲得后副車架前進制動、倒車制動、濫用過坑、轉向四種工況下各硬點的載荷，并將其導入到強度分析軟件進行強度校核，仿真結果表明該鋁合金后副車架結構強度滿足設計要求。本文僅對鋁合金后副車架典型工況進行了強度仿真分析驗證，展示新型鋁合金后副車架結構的同時，為該類零部件提供行之有效的強度設計指導。

參考文獻：

[1]宛銀生.副車架及其對車輛性能的影響[J].中國城市經濟，2010（8）：183.

[2]王霄鋒.汽車懸架和轉向系統設計[M].北京：清華大學出版社，2015：1-13.

[3]王祝堂，熊慧.汽車用鋁材手冊[M].長沙：中南大學出版社，2012：55-70.