鋁合金后副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

顧華朋 楊平 許書生 馬麗春

摘要：本文針對(duì)某純電動(dòng)大七座SUV后副車架采用鋁合金材質(zhì)的設(shè)計(jì)需求，采用了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多體動(dòng)力學(xué)分析以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，三者聯(lián)合的設(shè)計(jì)手段。首先利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件正向設(shè)計(jì)鋁合金后副車架結(jié)構(gòu)，然后通過多體動(dòng)力學(xué)分析軟件提取車輛特殊工況載荷，最后經(jīng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析軟件對(duì)鋁合金后副車架進(jìn)行強(qiáng)度校核，最終評(píng)估該鋁合金后副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。本文展示新型鋁合金后副車架結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也為該類零部件提供行之有效的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：鋁合金;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);后副車架

中圖分類號(hào)：TP391.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0042-02

0? 引言

鋁合金相比鋼由于具有質(zhì)量輕、抗氧化、易回收的特點(diǎn)，被稱為汽車輕量化的理想結(jié)構(gòu)材料。副車架是汽車底盤系統(tǒng)的關(guān)重零件，它與下車體相連，用于固定動(dòng)力總成、擺臂、方向機(jī)等底盤零件，同時(shí)起到提高整車剛性，并衰減地面及動(dòng)力總成的振動(dòng)，提高整車舒適性的作用。副車架在使用過程中承受著制動(dòng)、沖擊、轉(zhuǎn)向等各個(gè)工況的載荷，受力情況復(fù)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(shè)計(jì)過程中必須對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。本文針對(duì)某車型后副車架的設(shè)計(jì)要求，采用鋁合金型材和鑄件組合的結(jié)構(gòu)形式。在工藝數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)完成后，建立其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)分析提取懸架各硬點(diǎn)載荷信息[2]，經(jīng)仿真驗(yàn)證，后副車架強(qiáng)度滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

1? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鋁合金副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常用兩種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。整體鑄造結(jié)構(gòu)由于可以對(duì)梁系截面進(jìn)行深度設(shè)計(jì)，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(fù)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(duì)較低，開發(fā)周期短，但單體零件之間多采用MIG焊進(jìn)行連接，存在焊接變形大的缺點(diǎn)。在尺寸精度得以有效控制的前提下，不失為一種經(jīng)濟(jì)性較好的副車架輕量化設(shè)計(jì)方案[3]。

本文所述后副車架綜合考慮設(shè)計(jì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用鋁合金型材和鑄件組合結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)硬點(diǎn)輸入，結(jié)合底盤其他零件包絡(luò)及間隙要求，副車架整體呈現(xiàn)“#”形，縱梁承載擺臂鉸接點(diǎn)，同時(shí)與下車體后縱梁連接，相對(duì)位置精度要求較高，故采用鑄件縱梁結(jié)構(gòu)輔以截面深度優(yōu)化設(shè)計(jì);起連接作用的橫梁，采用鋁合金型材圓管經(jīng)折彎工藝制成，縱梁和橫梁經(jīng)MIG焊裝配成副車架總成。經(jīng)測(cè)量，副車架總成設(shè)計(jì)重量為13.9kg，輕量化效果較鋼制副車架顯著，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

2? 強(qiáng)度分析

2.1 工況載荷提取

如圖2所示，利用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件建立后懸架動(dòng)力學(xué)模型。模擬前進(jìn)制動(dòng)、倒車制動(dòng)、濫用過坑（垂直沖擊）、轉(zhuǎn)向四種工況，各工況加速度取值大小如表1所示。經(jīng)計(jì)算，以濫用過坑工況為例，后副車架各硬點(diǎn)處的作用力如表2所示。

2.2 分析模型建立

在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析過程中，通過對(duì)幾何模型的合理簡(jiǎn)化來建立優(yōu)化的前處理模型，鑄件由于截面多變，采用3D網(wǎng)格，型材截面固定，采用2D網(wǎng)格，采用剛性單元模擬焊接進(jìn)行連接。優(yōu)化后的前處理模型如圖3所示，共計(jì)包含241793個(gè)節(jié)點(diǎn)，86745個(gè)單元。

2.3 材料屬性定義

鋁合金后副車架材料參數(shù)設(shè)置如下：彈性模量78GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度266MPa，密度2700kg/m3。

3? 分析結(jié)果

后副車架最大應(yīng)力分析結(jié)構(gòu)如表3所示，其分析應(yīng)力云圖詳見圖4至圖7。

4? 結(jié)論

本文運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)仿真分析獲得后副車架前進(jìn)制動(dòng)、倒車制動(dòng)、濫用過坑、轉(zhuǎn)向四種工況下各硬點(diǎn)的載荷，并將其導(dǎo)入到強(qiáng)度分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核，仿真結(jié)果表明該鋁合金后副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。本文僅對(duì)鋁合金后副車架典型工況進(jìn)行了強(qiáng)度仿真分析驗(yàn)證，展示新型鋁合金后副車架結(jié)構(gòu)的同時(shí)，為該類零部件提供行之有效的強(qiáng)度設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]宛銀生.副車架及其對(duì)車輛性能的影響[J].中國(guó)城市經(jīng)濟(jì)，2010（8）：183.

[2]王霄鋒.汽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015：1-13.

[3]王祝堂，熊慧.汽車用鋁材手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2012：55-70.