麥弗遜前懸系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃曉珍，宋建新，李家烽,秦海濱,韋春萍

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

汽車懸掛系統(tǒng)是車架與車橋或車輪之間傳力連接裝置的總稱，其功能是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力矩，緩沖路面的沖擊力，并衰減由此引起的振動，以保證汽車平順行駛。麥弗遜式懸掛系統(tǒng)是一種獨(dú)立式的汽車懸掛系統(tǒng)，以結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、舒適性佳的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用。麥弗遜前懸系統(tǒng)由減振器支柱總成及副車架總成組成，包含了前減振支柱座總成、平面軸承、彈簧上座、緩沖塊、彈簧、減振器、轉(zhuǎn)向節(jié)、副車架、下擺臂、穩(wěn)定桿等零部件。本文作者論述了對某汽車平臺前懸系統(tǒng)制定模塊化策略，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行前懸系統(tǒng)硬點(diǎn)以及各零部件模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了前懸系統(tǒng)零部件在轎車、WAGON、SUV差異化的車型中最大化共用[1]。

1 某汽車平臺前懸系統(tǒng)模塊化布置策略

文中研究的前懸系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)是基于某汽車平臺，該平臺包含轎車、WAGON、SUV 3款基本車型。這3款車型具有不同的整車基本尺寸參數(shù)、不同的質(zhì)量參數(shù)、不同的輪胎參數(shù)，并且搭載了多種動力總成。

文中采用的前懸系統(tǒng)模塊化布置策略為：(1)不同輪胎采用不同車輪偏距，以滿足不同車型的要求；(2)減振器、輪轂軸承、轉(zhuǎn)向節(jié)、下擺臂、副車架等共用部件均通過有限元分析優(yōu)化保證強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等滿足各個(gè)車型的要求；(3)制動器、彈簧、穩(wěn)定桿、橡膠襯套、減振器閥系結(jié)構(gòu)等采用差異化設(shè)計(jì)，滿足不同車型的使用要求，并體現(xiàn)不同車型的調(diào)試風(fēng)格； (4)差異化的零件接口一致，以滿足差異化的總成裝配。文中研究的某汽車平臺麥弗遜前懸系統(tǒng)硬點(diǎn)布置如圖1所示，該平臺包含的轎車、WAGON、SUV 3款基本車型的前懸系統(tǒng)硬點(diǎn)相同[2]。

圖1 麥弗遜懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)布置

2 某平臺前懸系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)及性能分析

2.1 前支柱總成模塊化設(shè)計(jì)及分析

前支柱總成是麥弗遜式懸架的主要結(jié)構(gòu)，起懸架運(yùn)動導(dǎo)向及吸收衰減振動作用，主要由減振器、上襯套、平面止推軸承、彈簧座、緩沖塊及彈簧組成，如圖2所示。通過差異化的減振器行程，減振器壓縮、拉伸阻尼，螺旋彈簧剛度實(shí)現(xiàn)平臺轎車、WAGON、SUV各車型不同性能匹配調(diào)校風(fēng)格。該平臺各車型除螺旋彈簧差異化設(shè)計(jì)外, 減振支柱座總成、平面軸承、緩沖塊、減振器、轉(zhuǎn)向節(jié)均實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)共用。

圖2 前支柱總成結(jié)構(gòu)

2.1.1 前減振支柱座模塊化設(shè)計(jì)及分析

前減振器支柱座的作用是集成彈簧、緩沖塊、減振器，通過襯套連接到車身上，起到吸收和衰減振動、緩和沖擊、限制懸架跳動行程作用，通過襯套連接允許減振器有一定的相對運(yùn)動擺角，以使轉(zhuǎn)向或車輪跳動時(shí)支座橡膠襯套存在變形退讓，釋放運(yùn)動自由度。

滿載工況時(shí),WAGON前軸載荷最大，為滿足Car、WAGON、SUV共用要求, 前減振器支柱座按照最大載荷設(shè)計(jì)(文中是基于某個(gè)平臺的轎車、WAGON、SUV 3個(gè)車型同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此3款同平臺的車型最大載荷相差不大，某些零件按其中最大載荷的車型設(shè)計(jì)，不會有很大的設(shè)計(jì)冗余，下同)。靜剛度特性曲線如圖3所示，公差在±15%以內(nèi)。

圖3 Top mount靜剛度特性曲線及疲勞試驗(yàn)

如圖4所示，CAE強(qiáng)度分析顯示向前緊急制動工況最大應(yīng)力值、過單側(cè)深坑工況最大應(yīng)力值均小于材料屈服極限，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 Top mount CAE強(qiáng)度分析

2.1.2 前螺旋彈簧模塊化設(shè)計(jì)及分析

轎車及WAGON以舒適性為主，SUV偏重操控性能。對彈簧剛度進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，考慮減振器的模塊化設(shè)計(jì)，彈簧與減振器的接口完全相同。設(shè)計(jì)得到的前螺旋彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 前螺旋彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1.3 前減振器模塊化設(shè)計(jì)及分析

滿載工況時(shí),WAGON前軸載荷最大,為滿足Car、WAGON、SUV共用要求, 前減振器按照最大載荷設(shè)計(jì)。Car、WAGON、SUV減振器行程平臺化設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 前減振器設(shè)計(jì)參數(shù) mm

分別對減振器儲油筒、活塞桿、彈簧上座及彈簧下座在單側(cè)過深坑工況(左側(cè))、向前緊急制動工況、極限轉(zhuǎn)向工況(右轉(zhuǎn))進(jìn)行虛擬強(qiáng)度分析，其中以單側(cè)過深坑工況下減振器強(qiáng)度最大。對于減振器儲油筒材料屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)，要求不小于1.2，否則會有彎曲漏油風(fēng)險(xiǎn)。減振器總成強(qiáng)度分析結(jié)果如表3所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 減振器總成強(qiáng)度分析結(jié)果

2.1.4 緩沖塊模塊化設(shè)計(jì)及分析

滿載工況時(shí),WAGON前軸載荷最大,為滿足Car、WAGON、SUV共用要求, 前緩沖塊按照最大載荷設(shè)計(jì)。Car、WAGON、SUV前緩沖塊長度參數(shù)平臺化設(shè)計(jì)為58 mm，空載緩沖塊間隙為30 mm，減振器與緩沖塊起碰時(shí)輪跳量為32 mm，緩沖塊壓縮2/3時(shí)輪跳量為75 mm，減振器與緩沖塊座接觸(鐵碰鐵)時(shí)輪跳量為100 mm。緩沖塊間隙及特性如圖5所示。

圖5 緩沖塊間隙及特性

2.1.5 轉(zhuǎn)向節(jié)模塊化設(shè)計(jì)及分析

為滿足Car、WAGON、SUV共用轉(zhuǎn)向節(jié)要求,在進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)采用軸荷最大的WAGON的載荷工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。輪胎力邊界條件見表4。

表4 輪胎力邊界條件 N

根據(jù)輪胎力邊界條件分析向前緊急制動工況(載荷工況系數(shù)為1倍)、單側(cè)過深坑工況(載荷工況系數(shù)縱向?yàn)?倍、垂向?yàn)?倍)、極限轉(zhuǎn)向工況(載荷工況系數(shù)為1.2倍)，分析和校核轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)是否滿足材料的屈服極限和抗拉極限。轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度分析結(jié)果如表5所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度分析結(jié)果

2.2 副車架總成模塊化設(shè)計(jì)及分析

2.2.1 副車架模塊化設(shè)計(jì)及分析

副車架是前后懸架擺臂的安裝支架，是前后車橋的重要組成部分。一般副車架通過4點(diǎn)橡膠襯套與車身連接，與動力懸置一樣,襯套起隔振作用。副車架不僅可提高懸架整體剛度，還能提升整車的乘坐舒適性。依據(jù)公司技術(shù)成熟適用原則及小型車平臺的特點(diǎn)選用成本低、質(zhì)量輕蝶形副車架結(jié)構(gòu)。在該平臺中，由于滿載工況時(shí)WAGON前軸載荷最大,為滿足Car、WAGON、SUV共用要求, 副車架按照最大載荷設(shè)計(jì)。經(jīng)過CAE模擬仿真，副車架模態(tài)200 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求；單側(cè)過深坑工況最大應(yīng)力值159 MPa，向前緊急制動工況最大應(yīng)力值204 MPa，均小于材料屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖6所示。

圖6 副車架應(yīng)力云圖

2.2.2 擺臂模塊化設(shè)計(jì)及分析

麥弗遜懸架下擺臂一般為三角形結(jié)構(gòu)，主要起到對懸架的導(dǎo)向和支撐作用。下擺臂需要具有足夠的剛度以免由于變形影響車輪與地面的接觸情況，保證行駛穩(wěn)定性。該平臺車型采用上下兩片焊接而成的剛性臂結(jié)構(gòu)。如表6所示，單側(cè)過深坑工況最大應(yīng)力值為175 MPa，向前緊急制動工況最大應(yīng)力值為247 MPa，極限轉(zhuǎn)向工況最大應(yīng)力值為184 MPa，均小于材料屈服強(qiáng)度305 MPa，安全系數(shù)大于1.2，均滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 下擺臂強(qiáng)度分析結(jié)果

2.2.3 橫向穩(wěn)定桿模塊化設(shè)計(jì)及分析

在麥弗遜懸架中，穩(wěn)定桿兩端一般通過帶有球銷的推桿連接在左右懸架上，中間部分通過兩個(gè)橡膠襯套連接在副車架或者車身上。穩(wěn)定桿控制車身的側(cè)傾,避免由于車輛行駛過程中產(chǎn)生的軸荷轉(zhuǎn)移影響車輛操縱穩(wěn)定性[3]。為了保證穩(wěn)定桿、推桿等部件的共用性，將穩(wěn)定桿形狀及接口設(shè)計(jì)成一致，穩(wěn)定桿直徑差異化設(shè)計(jì)使得穩(wěn)定桿能夠提供不同的扭轉(zhuǎn)剛度，以滿足各個(gè)車型的要求。經(jīng)計(jì)算，Car、WAGON、SUV的穩(wěn)定桿直徑分別為17、19、21 mm。對Car、WAGON、SUV車型穩(wěn)定桿在極限轉(zhuǎn)向工況、對角扭曲工況分別進(jìn)行強(qiáng)度校核，均滿足強(qiáng)度要求，如圖7所示。

2.3 前懸系統(tǒng)平臺化

文中研究的前懸系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)是基于某汽車平臺，該平臺包含轎車、WAGON、SUV 3款基本車型。這3款車型具有不同的整車基本尺寸參數(shù)、不同的質(zhì)量參數(shù)、不同的輪胎、人機(jī)工程及方向盤位置差異化，并且兼容了多種動力總成。在諸多條件限制下，通過以上的模塊化設(shè)計(jì)，該汽車平臺車型麥弗遜前懸系統(tǒng)零件共用率達(dá)到了70%～80%，模塊化架構(gòu)如圖8所示。

2.4 前懸系統(tǒng)總成臺架實(shí)驗(yàn)

為模擬乘用車客戶實(shí)際使用，以評估結(jié)構(gòu)件在使用壽命內(nèi)的可靠性，將整個(gè)前懸系統(tǒng)裝在臺架實(shí)驗(yàn)臺上，依據(jù)試驗(yàn)場采集的實(shí)際路譜，分別完成壞路、坡道、16°倒車臺、13°倒車臺、側(cè)向力、L轉(zhuǎn)向、直角轉(zhuǎn)向、方坑、搓板路制動等子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)規(guī)范。前懸系統(tǒng)總成試驗(yàn)臺架見圖9。

圖9 前懸系統(tǒng)總成臺架實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)完成后，前減振支柱座總成無破損、開裂和其他損壞，靜剛度、動剛度變化均滿足設(shè)計(jì)要求；平面軸承未出現(xiàn)破損、開裂和明顯磨損等異?，F(xiàn)象；Car、WAGON、SUV前螺旋彈簧均無斷裂、裂紋，空載高度損失、永久變形量均滿足設(shè)計(jì)要求；減振器測試全程無漏油現(xiàn)象，無永久變形或結(jié)構(gòu)失效,無異響；緩沖塊無裂紋，轉(zhuǎn)向節(jié)完好，滿足設(shè)計(jì)要求；副車架、下擺臂、穩(wěn)定桿、壓塊均無斷裂與裂紋，襯套無破裂、擠爛現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

文中論述了基于某汽車平臺上麥弗遜前懸系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)。通過前懸硬點(diǎn)以及各系統(tǒng)零部件的模塊化設(shè)計(jì)，該汽車平臺前懸系統(tǒng)零部件共用率達(dá)到了70%～80%。這種基于多車型差異化需求的麥弗遜前懸系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整車開發(fā)從產(chǎn)品到產(chǎn)品群的突破，減少了設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工作，降低了研發(fā)成本。