某SUV白車身后輪罩區(qū)域優(yōu)化設(shè)計

賀勁剛　徐彪　路貽莎

摘 要：白車身作為整車體系的主體框架，其力學性能也是整車力學性能的基礎(chǔ)。減震器作為懸架系統(tǒng)中起到吸收、緩和路面不平帶來沖擊、振動的主要零件，是用戶評價車輛舒適性的重要依據(jù)之一。本文結(jié)合某SUV的后懸架減震器固定結(jié)構(gòu)在MTS試驗、道路試驗中出現(xiàn)的鈑金、焊點開裂問題的解決，總結(jié)出可靠的后減震器固定結(jié)構(gòu)所必需具備的要素，同時為后續(xù)車型設(shè)計提供了相應(yīng)的設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：白車身；后輪罩；后減震器；疲勞性能

中圖分類號：U463.82 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）03-0008-08

Optimized Design of SUV BIW Rear Wheel Cover Area

HE Jin-gang1，XU Biao1，LU Yi-sha2

（1.DongFeng Honda Automobile CO.， LTD.， Wuhan 430056， China；

2. Wuhan University of Engineering Science， Wuhan 430200， China）

Abstract： The BIW is the main frame of the vehicle system， which mechanical properties are also the basis of the mechanical properties of the vehicle. The shock absorber is used as the main part of suspension system to absorb and mitigate the impact of uneven pavement，which is an important basis for users to evaluate the comfort of vehicles. In this paper， we fix the structure of the rear suspension shock absorber of SUV to solve the problem of sheet metal and solder joint crack in MTS test and road test， and summarize the necessary elements for the reliable structure of rear shock absorber， which provides the corresponding design ideas for the design of the subsequent models.

1 前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車已走進千家萬戶。SUV （Sport Utility Vehicle）是運動型多功能車型，有著優(yōu)異的駕乘表現(xiàn)和對不同路面情況良好的適應(yīng)能力等優(yōu)點，受到廣大消費者青睞，如今消費者也越來越看重汽車的安全和品質(zhì)。

本文以某SUV車型輪罩焊點開裂失效，運用CAE 仿真分析等手段完成產(chǎn)品優(yōu)化的過程。不僅可以提前規(guī)避風險，還能在車型研發(fā)階段有效的降低成本投入。

2 后輪罩問題現(xiàn)狀

2.1 后輪罩區(qū)域結(jié)構(gòu)概述

如圖1所示，后減震器通過后減震器支座連接在后部輪罩上。

如圖2所示，后減震器通過后減震器支座連接到后輪罩內(nèi)板上，在后輪罩內(nèi)板的上側(cè)和內(nèi)側(cè)分別通過上下兩個支撐板將后懸減震器傳來的載荷傳遞到側(cè)圍和后地板上[1]。

2.2 后輪罩區(qū)域結(jié)構(gòu)的CAE強度分析結(jié)果

2.2.1 各單一工況下車身各零件的應(yīng)力狀態(tài)

針對一輪試制白車身進行了表1中九個工況的強度分析。后減震器周邊零件多數(shù)在工況二（誤用工況，Z向加速度4個g）、工況四（向前加速1個g）、工況五（向后制動1個g）存在較大應(yīng)力集中。部分零件在工況七（左轉(zhuǎn)彎0.6個g）、工況八（右轉(zhuǎn)彎0.6個g）也存在一些應(yīng)力集中。

圖3到圖6列舉了一輪試制白車身在各個工況下后減震器固定結(jié)構(gòu)中各個零件的應(yīng)力集中情況圖，可以看出在焊點位置、圓角根部以及加強板支撐受力位置均存在不同程度的應(yīng)力集中。

表1 各種工況下作用力的分解情況（MPa）

從表1來看，工況二（誤用工況）下，減震器固定結(jié)構(gòu)應(yīng)力超標嚴重，其余四個工況也存在不同程度的應(yīng)力集中[2]。

2.2.2 一輪試制車身疲勞分析結(jié)果

針對一輪試制車身狀態(tài)進行了疲勞仿真分析，得到以下結(jié)果：

圖7中的損傷值代表滿載條件下道路試驗中每一個道路循環(huán)給結(jié)構(gòu)帶來的損傷。經(jīng)過計算，表2中列舉了圖7中各損傷部位出險損傷的周期數(shù)以及公里數(shù)。

從疲勞分析的結(jié)果看，只有疲勞損傷數(shù)為10-2.8和10-3.6的部位存在風險，會在道路試驗中出現(xiàn)損傷（道路試驗為2萬公里），其余部位損傷已經(jīng)超出了試驗公里范圍。

表2 各疲勞損傷部位的損傷周期數(shù)及公里數(shù)

2.3 一輪試制后輪罩區(qū)域結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果

2.3.1 MTS試驗結(jié)果

一輪試制車23個小時MTS試驗后，輪罩局部開裂，多處焊點開裂，如圖8和圖9所示：

從MTS試驗結(jié)果看，后輪罩焊點開裂的位置與CAE分析結(jié)果比較一致，相關(guān)位置的焊點在向后制動工況中均出現(xiàn)了高于材料屈服強度的應(yīng)力值（見表1）。

CAE分析結(jié)果來看，側(cè)圍內(nèi)部加強板與側(cè)圍內(nèi)板、后輪罩上支撐件之間的焊點也存在很大風險（見圖5）。

由于MTS試驗出現(xiàn)問題時間較早，問題出現(xiàn)后對車身進行了臨時性的加強。還有一些CAE分析中應(yīng)力較高的部位例如上下支撐板，其高應(yīng)力區(qū)域問題沒有體現(xiàn)。此外，工況二（誤用工況）由于存在單獨的試驗，所以誤用工況下所有應(yīng)力值嚴重超標的問題也沒有體現(xiàn)。

2.3.2 試驗場耐久試驗

路試車輛在試驗場地進行了7000公里道路試驗后，輪罩上下支撐件的多處焊點均出現(xiàn)了焊點開裂的問題，見圖10。與MTS試驗類似，出現(xiàn)問題也較早。

2.3.3 一輪試制試驗問題結(jié)論

綜合一輪試制狀態(tài)的CAE分析結(jié)果以及MTS、道路試驗出現(xiàn)的問題，可以得出以下結(jié)論：

1、MTS試驗場出現(xiàn)問題的部位基本上都是單一工況CAE分析中應(yīng)力集中的位置，說明單一工況的CAE分析能夠較好的模擬出結(jié)構(gòu)在受力過程中的應(yīng)力集中程度。

2、一輪試制的車身在后減震器固定結(jié)構(gòu)位置存在較嚴重的應(yīng)力集中，力的傳遞路徑設(shè)置不合理[3]。

3 基于一輪試制的后輪罩區(qū)域結(jié)構(gòu)改進

3.1 后輪罩區(qū)域結(jié)構(gòu)改進方案以及CAE分析結(jié)果

從圖2所示的斷面可以看出，由減震器支座、輪罩、上支撐板、下支撐板構(gòu)成的后減震器支撐結(jié)構(gòu)不夠連續(xù)，減震器支座傳來的作用力首先通過輪罩傳遞到上下支撐件上。由于減震器區(qū)域輪罩料厚偏薄，上下支撐件就存在較多應(yīng)力集中位置，所以在試驗中出現(xiàn)了較多問題。

3.1.1 針對一輪試制的兩個方向的優(yōu)化方案

根據(jù)分析對比，輪罩下支撐板與地板連接的焊點由于受到車身在轉(zhuǎn)彎中橫向擺動而容易產(chǎn)生疲勞問題，所以在改進結(jié)構(gòu)中取消此零件。

根據(jù)上述思路，設(shè)計出以下兩個方案：

方案1：增加材料P210、料厚2mm的加強件，加強件置于后輪罩上部，目的是讓輪罩上支撐件能夠隨后輪罩、地板一起協(xié)調(diào)變形，減少相關(guān)位置的應(yīng)力集中，見圖11。

方案2：將后輪罩切口，在切口部位增加材料P210料厚1.8mm的加強件，目的是讓后減震器傳遞于車身上的力能更有效的傳遞出去，見圖12。

3.1.2 方案1和方案2CAE分析結(jié)果比較

對方案1和方案2的后減震器固定結(jié)構(gòu)進行了各單獨工況下的CAE分析，了解兩種優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案的應(yīng)力分布，結(jié)果如表3所示。

表3 各工況下原結(jié)構(gòu)與改進方案1、2的對比

表3的應(yīng)力值分布可以反映以下情況：

1、方案1由于增加了料厚2mm的輪罩加強板，降低了誤用工況下的輪罩內(nèi)板的應(yīng)力，但左右轉(zhuǎn)彎的應(yīng)力反而提高，這可能與輪罩上支撐板變?nèi)跤嘘P(guān)，此外輪罩上支撐板變?nèi)?，大幅提高了減震器支座的應(yīng)力，對于上支撐板本身的應(yīng)力也沒有什么改善。

2、方案2在減震器局部位置增加料厚為1.8mm加強板，顯著降低了減震器支座和輪罩內(nèi)板的應(yīng)力，而支撐板本身的應(yīng)力也降低了一部分，新增的輪罩加強板的應(yīng)力值，方案2也比方案1小。

計算結(jié)果表明，一輪試制后輪罩結(jié)構(gòu)主要存在的問題是傳力路徑不夠連續(xù)，傳力路徑本身不夠合理，也證明了方案2思路的正確性，后續(xù)的優(yōu)化也是在方案2思路的基礎(chǔ)上進行[4]。

3.2 對于方案2的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及CAE分析結(jié)果

對方案2進一步探究，仔細研究了零件的應(yīng)力情況，發(fā)現(xiàn)一輪試制中后輪罩以及側(cè)圍部分應(yīng)力集中的問題依然存在，輪罩上支撐板接觸的側(cè)圍內(nèi)板以及側(cè)圍內(nèi)部加強板存在局部的應(yīng)力集中。

3.2.1 針對方案2的三種優(yōu)化方案

針對側(cè)圍部分的應(yīng)力集中，做了三種方案的優(yōu)化。

方案2.1：將上支撐板與側(cè)圍內(nèi)板接觸面調(diào)整為平面，在側(cè)圍內(nèi)板增加局部補強板。

方案2.2：將上支撐板與側(cè)圍內(nèi)板接觸面調(diào)整為平面，在側(cè)圍內(nèi)板增加幾字型支架。

方案2.3：將上支撐板與側(cè)圍內(nèi)板接觸面調(diào)整為平面，在側(cè)圍內(nèi)板增加加強板，與側(cè)圍內(nèi)板之間形成空腔。

針對輪罩內(nèi)板的應(yīng)力集中，將應(yīng)力集中位置的圓角進行放緩，減少應(yīng)力集中。

3.2.2 三種優(yōu)化方案的CAE分析結(jié)果

針對上述三種方案，分析了工況二、工況五下的應(yīng)力分布，表4列出了各零件的應(yīng)力分布情況：

表4 各改進方案在工況二、五的應(yīng)力分布

對比表3、表4，可以得到以下結(jié)論：

1、方案2.1中各零件應(yīng)力分布比較均勻，同時焊接工藝性較好；

2、方案2.2中由于幾字型支架過強，側(cè)圍內(nèi)板、內(nèi)部加強板應(yīng)力偏大，而且焊接可行性沒有方案2.1好；

3、方案2.3中增加的側(cè)圍補強板剛度不足，導致側(cè)圍內(nèi)部加強板應(yīng)力在方案2.2的基礎(chǔ)上進一步增大。

綜合上述分析，最終選擇方案2.1作為后輪罩區(qū)域優(yōu)化方案。

4 最終后輪罩區(qū)域優(yōu)化方案

4.1 最終后輪罩區(qū)域結(jié)構(gòu)

主要針對以下幾個方面進行了優(yōu)化：

1、加強輪罩本身強度，避讓后減震器集中受力部位，在受力大的部位增加料厚為1.8mm的輪罩加強板，使輪罩薄板避開減震器的沖擊；

2、增強輪罩上支撐板，使傳力路徑更加完整，消除力傳遞過程中存在的薄弱環(huán)節(jié)帶來的應(yīng)力集中；

3、優(yōu)化減震器支座位置的焊點和局部結(jié)構(gòu)，使減震器能夠通過減震器支座均勻而穩(wěn)定地向側(cè)圍內(nèi)部傳導。

4.2 最終后輪罩區(qū)域結(jié)構(gòu)的 CAE確認結(jié)果

4.2.1 各獨立工況下的CAE確認結(jié)果

表5為最終白車身后減震器固定結(jié)構(gòu)的在各種工況下的確認結(jié)果，上面一行數(shù)字為相關(guān)零件在一輪試制結(jié)構(gòu)中的最高應(yīng)力。相比一輪試制，優(yōu)化后的后減震器結(jié)構(gòu)中各零件的應(yīng)力在各工況下均有大幅下降。

表5 最終減震器固定結(jié)構(gòu)在各工況的應(yīng)力分布

對于誤用工況的考核（大的單次顛簸試驗）不考慮疲勞情況，需要在后期相關(guān)試驗中進行驗證[5]。

4.2.2 疲勞確認結(jié)果

針對最終后減震器結(jié)構(gòu)，做了疲勞分析方面的驗算，驗算結(jié)果如圖18所示。除輪罩前部與側(cè)圍內(nèi)板搭接處損傷為10-3.9之外，其余部位在計算中均為無限壽命。損傷為10-3.9折合到試驗場里程為39716公里。

體現(xiàn)了后減震器最終結(jié)構(gòu)的二輪試制車進行了耐久試驗，已在試驗場進行了2100公里的半載試驗和900公里的滿載試驗，然后進行了160余小時的MTS試驗，減震器固定結(jié)構(gòu)均未發(fā)生焊點開裂或零件撕裂等問題。

5 經(jīng)驗總結(jié)

根據(jù)此次SUV后輪罩區(qū)域優(yōu)化設(shè)計，得出一個合格的承力結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備以下條件：

1、與作用力接觸的零件也就是受力起點，應(yīng)該足夠強，應(yīng)為它起到向結(jié)構(gòu)整體傳力的作用；

2、整個承力結(jié)構(gòu)應(yīng)該有完整清晰的力傳導路徑；

3、結(jié)構(gòu)中力的傳導路徑中不應(yīng)該存在薄弱環(huán)節(jié)，薄弱焊點很容易造成應(yīng)力集中，導致試驗不合格；

4、在承力結(jié)構(gòu)的末端與力傳導路徑接觸部分，應(yīng)保證一定的剛度和強度。而其末端的其他部分則應(yīng)可以很好的消散、分解作用力。使作用在整體結(jié)構(gòu)的載荷首先能夠得到很好的支撐，其次能夠得到很好的傳遞，直至作用在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力很好的分解和消散。

參考文獻：

[1]賀麗麗，張娜，史榮波，等.汽車輪罩護板選材方案探討[J] .合肥學院學報（自然科學版），2012（2）.

[2]王偉其.新型汽車輪罩行業(yè)情景分析及工藝研究[J].上海汽車，2009（10）.

[3]馮剛. 白車身強度臺架試驗方法及疲勞壽命的研究[D].重慶大學，2005.

[4]周方明，王華杰，趙永昌，等.基于有限元法的底盤結(jié)構(gòu)件焊接變形預(yù)測及優(yōu)化[J].江蘇科技大學學報（自然科學版），2012，26（4）：337-340.

[5]SulaimanMS，Manurung Y H P， Haruman E， et al.Simulation and experimental study ondistortion of butt and T-joints using WELDPLANNER[J].Journal ofmechanical science and technology，2011，25（10）： 2641-2646.