一體化鑄鋁副車架輕量化設(shè)計與性能試驗

摘要：基于副車架原鋼制件模型，將其結(jié)構(gòu)改為一體化鑄鋁結(jié)構(gòu)，并采用ZL101A替換原材料。經(jīng)過結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化，副車架質(zhì)量由16.13 kg減少至9.75 kg，減重比例達39.6%，滿足設(shè)計要求。同時通過模態(tài)試驗驗證了一體化鑄鋁副車架有限元模型具有較高的準確度，保證了輕量化，同時也滿足了性能要求。

關(guān)鍵詞：前副車架;輕量化;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;有限元分析

中圖分類號：U462收稿日期：2022-04-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.009

1前言

當今世界，環(huán)境問題日益嚴重，為了響應(yīng)環(huán)保政策早日實現(xiàn)碳中和，汽車開始向輕量化的方向發(fā)展。前副車架與底盤和懸架相連接，起著重要的作用，它增加了懸架系統(tǒng)的整體剛度，降低了由路面激勵帶來的振動，并且提高了汽車行駛的穩(wěn)定性，提高了駕駛員與乘客的乘車舒適性[1-3]。但是副車架輕量化的同時，它的力學(xué)性能以及模態(tài)等各方面性能也需要得到保障，不可因過度輕量化而導(dǎo)致性能的不足。因此本文不僅對副車架輕量化進行了研究，也驗證了其性能是否符合要求[4-5]。

本文的研究對象是某汽車前副車架的鋼制沖壓件，主要由薄板沖壓件組成，通過焊接或螺栓將各個部件互相裝配，但其較為笨重，為達到輕量化，首先從材料方面入手，將材料替換為ZL101A，其次再從結(jié)構(gòu)和加工工藝方面進行優(yōu)化，將原本焊接件改制成一體化鑄造。

2一體化精密鑄鋁副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計過程中，如果僅僅簡單從其材料入手，將鋼制件替換成鋁合金的話，可能對副車架剛度和強度性能有所影響，達不到性能要求，因此需要重新設(shè)計滿足性能要求的新結(jié)構(gòu)。除此之外，有些設(shè)計僅僅是增加材料的厚度來確保強度和剛度的合格，雖然這種設(shè)計最終也能滿足性能要求，但是卻造成了材料的過度浪費，違背輕量化的設(shè)計理念。這些問題不僅不利于環(huán)保，而且也不能完全保證其質(zhì)量。為了避免設(shè)計過程中問題的發(fā)生，因此提出一體化精密鑄造鋁合金前副車架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計方法，以提高設(shè)計質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，達到輕量化效果。

原鋼制前副車架主要由薄板沖壓件組成，通過焊接或螺栓將各個部件進行裝配，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且笨重，為了優(yōu)化其質(zhì)量，首先從材料和結(jié)構(gòu)方面入手，用鋁合金替換鋼制件，再對其結(jié)構(gòu)進行改變。

2.1安裝面及安裝孔的設(shè)計

如圖1，安裝面及安裝孔的設(shè)計主要包括：與車身連接的安裝面與安裝孔、與穩(wěn)定桿托連接的安裝面與安裝孔、與轉(zhuǎn)向器連接的安裝面與安裝孔以及與懸置連接的安裝面與安裝孔。這些安裝面與安裝孔和原鋼制件保持一致。

2.2下板的設(shè)計

如圖2所示，依據(jù)設(shè)計原則，為了避免鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致工藝實施困難，鑄件應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單易加工。把原前副車架的下板部分替換掉，通過肋板將其取代，這樣既保證了鑄造工藝的合理性，也避免了優(yōu)化后的副車架強度不足的問題。

2.3上板的設(shè)計

如圖3所示，根據(jù)鑄造工藝原則，為了避免鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致工藝實施困難，鑄件應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單易加工。取消原鋼制件的一些圓角和焊接搭邊，采用光滑過度的平面來替代，有利于鑄造工藝的成型。

2.4與車身安裝位置的設(shè)計

如圖4所示，利用鑄造工藝的優(yōu)勢，將車身安裝孔一體化設(shè)計于副車架本體上，既簡化了結(jié)構(gòu)，又增大了強度。同時，對安裝位置進行局部加厚，利于鑄造時的定向凝固，并采用加強筋的結(jié)構(gòu)來保證其強度性能。

3模態(tài)試驗

通過對副車架的模態(tài)試驗和仿真結(jié)果進行對比，可以驗證副車架有限元模型及其模態(tài)仿真分析的準確性。如圖5所示，在該副車架上分別標記出10個位置用于放置傳感器，并將副車架采用彈性繩懸掛靜置于空中，使其處于水平狀態(tài)。此次試驗采用激振錘敲擊的測試方法，單點激勵下對測點數(shù)據(jù)進行采集頻響函數(shù)和相干曲線。試驗測試副車架頻率采集最大為1000 Hz，數(shù)據(jù)采樣頻率取為2.56 KHz，分析頻率為1000 Hz，采樣點數(shù)取2 048。

如表1所示，為副車架模態(tài)仿真與試驗對比。由表1可知，副車架的一階模態(tài)頻率誤差率為2.2%，第二階模態(tài)頻率仿真值與試驗值的誤差率為2.8%，其誤差率均在實際工程應(yīng)用的允許范圍之內(nèi)，因此驗證了前副車架有限元模型具有較高的準確度。

4結(jié)語

基于前副車架鋼制件沖壓模型，然后進行輕量化設(shè)計，最后試制輕量化方案樣件進行模態(tài)試驗，主要結(jié)論如下：

a.基于原副車架模型，將其導(dǎo)入CATIA軟件中進行重新建模，將其設(shè)計為一體化鑄鋁模型。

b.通過模態(tài)試驗驗證了一體化鑄鋁副車架有限元模型具有較高的準確度，故此次輕量化設(shè)計達到了預(yù)先的優(yōu)化效果。

參考文獻：

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作者簡介：

孫亮，男，1997年生，碩士研究生，研究方向為汽車輕量化。