汽車底盤懸架關(guān)鍵部件輕量化設(shè)計(jì)分析

李巍

（北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院，浙江 寧波 315800）

由汽車業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀可知，節(jié)能減排是大勢所趨。在燃油消耗量日益增加的當(dāng)下，要想搶占市場份額，從事汽車制造及相關(guān)工作的企業(yè)必然將燃油設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)提上日程，在確保汽車功能不被影響的前提下，通過減輕部件質(zhì)量的方式，避免燃油被大量消耗。只有落實(shí)輕量化設(shè)計(jì)，才能推動汽車業(yè)朝著持續(xù)發(fā)展的方向前進(jìn)，由此可見，本文所討論內(nèi)容有突出的社會價值。

1 底盤懸架概述

底盤懸架是彈性連接車輪和承載系統(tǒng)的裝置，其作用不僅有衰減振動、傳遞載荷，還有緩和沖擊，另外，對處于行駛狀態(tài)的汽車而言，底盤懸架往往可用來調(diào)節(jié)車身位置，避免安全事故出現(xiàn)。

現(xiàn)將其核心功能概括如下：①向車架傳遞車輪受路面作用所產(chǎn)生應(yīng)力，如支承力、制動力、驅(qū)動力和側(cè)向反力，當(dāng)然，上述應(yīng)力帶來的力矩同樣經(jīng)由底盤懸架向車架進(jìn)行傳遞，這點(diǎn)易被忽視；②緩沖并吸收不平路面給行駛中汽車帶來的沖擊、振動，為車載貨物的安全性提供保證，乘坐體驗(yàn)也會得到一定程度優(yōu)化；③確保車輪和車身的關(guān)系始終滿足動態(tài)幾何特征，具體來說，就是車輪按照特定規(guī)律跳動，車身自然可以按照預(yù)期軌跡運(yùn)動?，F(xiàn)有汽車的底盤懸架，以非獨(dú)立懸架較為常見，該懸架主要分為兩部分，由穩(wěn)定桿、減振器等部件組成的前懸架以及由緩沖塊、平衡軸等部件構(gòu)成的后懸架，其中，后懸架結(jié)構(gòu)以平衡結(jié)構(gòu)為主[1]。

2 輕量化設(shè)計(jì)探究

2.1 優(yōu)化策略

要想使底盤懸梁達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)所提出的要求，有關(guān)人員應(yīng)著重考慮結(jié)構(gòu)、工藝及材料的優(yōu)化，以下將逐一對其進(jìn)行介紹，希望能夠給人以啟發(fā)。

2.1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于底盤懸架而言，結(jié)構(gòu)優(yōu)化既能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，又可使零件質(zhì)量與成本處于平衡狀態(tài)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)滲透到各行各業(yè)的當(dāng)下，利用計(jì)算機(jī)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和優(yōu)化成為大勢所趨。隨著尺寸優(yōu)化及形狀優(yōu)化手段被引入，汽車業(yè)可在成本維持不變的前提下，盡量降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。經(jīng)由CAE 確定材料密度分布優(yōu)化方向，得出符合扭力梁主體需求的方案，通過對尺寸加以優(yōu)化，掌握結(jié)構(gòu)、管梁厚度的最佳參數(shù)，可使汽車質(zhì)量顯著降低，這也是輕量化設(shè)計(jì)被提出的初衷。

2.1.2 工藝優(yōu)化

要想使輕質(zhì)材料得到廣泛運(yùn)用，其前提不僅是保證產(chǎn)品可靠且穩(wěn)定，對制造工藝進(jìn)行優(yōu)化也很有必要。例如，由于不同部件需要達(dá)到的承載力、功能結(jié)構(gòu)要求通常有顯著差異，只有運(yùn)用不同工藝，完成設(shè)計(jì)輸入的相關(guān)工作，才能避免不必要問題出現(xiàn)。對鋁合金部件而言，工藝優(yōu)化方向可被概括為：以現(xiàn)有工藝為依托，同步開發(fā)零件承載力與結(jié)合方案，確保設(shè)計(jì)工藝優(yōu)勢均可得到充分發(fā)揮，由此而獲得設(shè)計(jì)方案，自然可使行業(yè)要求得到最大程度滿足[2]。

2.1.3 材料優(yōu)化

設(shè)計(jì)底盤懸架部件時，“出鏡率”較高的方法是運(yùn)用輕質(zhì)材料，該法擁有良好的發(fā)展前景，這是因?yàn)槠浼饶転槠囘\(yùn)行的可靠性提供保證，還可使底盤質(zhì)量減小。在合金制造技術(shù)趨于完善的當(dāng)下，以鋁合金、高強(qiáng)度鋼為代表的諸多材料，均已被用來制造汽車，沖焊零件固有優(yōu)勢通?？梢虼硕玫匠浞职l(fā)揮。例如，在對B 級汽車進(jìn)行設(shè)計(jì)時，有關(guān)人員選擇運(yùn)用鋁合金制造控制臂及副車架，汽車質(zhì)量降低幅度明顯，與此同時，底盤懸架功能的實(shí)現(xiàn)并未受到影響。由此可見，對中端和低端汽車而言，材料優(yōu)化是輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.2 設(shè)計(jì)方法

2.2.1 集成設(shè)計(jì)

要想使汽車業(yè)具備實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的前提條件，將產(chǎn)品質(zhì)量提升到更高水平，前提是對設(shè)計(jì)方案加以調(diào)整，現(xiàn)階段，橡膠懸架、空氣懸架均已得到推廣，二者的優(yōu)勢主要是以懸架承載力達(dá)到行業(yè)要求為前提，通過對質(zhì)量進(jìn)行大幅降低，將制造成本控制在合理范圍內(nèi)。上述提到的橡膠懸架，強(qiáng)調(diào)用橡膠彈簧替代鋼板彈簧，通常由推力桿、均衡梁及橡膠主（副）簧組成，其優(yōu)勢往往表現(xiàn)在三個方面，分別是無需維護(hù)、舒適性能佳、滿足輕量化要求。在落實(shí)輕量化設(shè)計(jì)的相關(guān)工作時，有關(guān)人員往往將集成設(shè)計(jì)作為首選方案，通過細(xì)化分工的方式，使部件擁有更為理想的兼容性及實(shí)用性。在傳統(tǒng)觀念里，兼用性并非細(xì)化分工需要考慮的部分，因此，多數(shù)汽車的底盤部件均有明顯界限，其中，界限最為分明的部件主要是前縱梁和彈簧支架，即便空間分布十分緊湊，仍然無法達(dá)到輕量化要求[3]。而引入集成設(shè)計(jì)理念，通?？墒股鲜鰡栴}迎刃而解，有關(guān)人員以零件集成應(yīng)用為切入點(diǎn)，通過系統(tǒng)優(yōu)化的方式，獲得集成零件。事實(shí)證明，這樣做可使零件質(zhì)量得到有效降低，輕量化設(shè)計(jì)初衷隨之實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 等邊界設(shè)計(jì)

事實(shí)證明，將等邊界設(shè)計(jì)用于底盤懸架部件設(shè)計(jì)，對其質(zhì)量的降低有突出效果。由底盤部件所用材料表現(xiàn)出的力學(xué)特征可知，以等邊界條件為前提，參考現(xiàn)有制造工藝，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通?？墒馆p量化設(shè)計(jì)優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)。例如，控制臂適用減重方案，強(qiáng)調(diào)利用高強(qiáng)度鋼材料替代原有材料，通過比對不同車型所用控制臂的方式，確定順利通過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)方案，隨著減重設(shè)計(jì)得到落實(shí)，汽車沿用率往往有所提高。而底盤懸架質(zhì)量減輕所帶來的積極影響還有降低成本和增加效益，這點(diǎn)應(yīng)當(dāng)尤為注意。

2.2.3 等應(yīng)力設(shè)計(jì)

有關(guān)人員考慮到底盤懸架質(zhì)量與設(shè)計(jì)效果的關(guān)系，遂決定經(jīng)由等應(yīng)力設(shè)計(jì)的方式，在確保底盤懸架有效性的基礎(chǔ)上，對其質(zhì)量進(jìn)行減輕，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、科學(xué)分布材料等手段，將強(qiáng)度冗余維持在理想范圍內(nèi)，隨著零件位置與結(jié)構(gòu)得到約束，設(shè)計(jì)效果自然可以達(dá)到預(yù)期。其中，最應(yīng)當(dāng)引起重視的部件是控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)。以轉(zhuǎn)向節(jié)為例，在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)時，有關(guān)人員將鑄鋁材料作為首選，在CAE 結(jié)構(gòu)的輔助下，弱化低應(yīng)力區(qū)域并強(qiáng)化高應(yīng)力區(qū)域，確保零件擁有均衡應(yīng)力，而這樣做所帶來的積極影響，通常表現(xiàn)為：使提高效果的目標(biāo)成為現(xiàn)實(shí)，均衡的零部件應(yīng)力為質(zhì)量降低提供了保證。

2.3 發(fā)展方向

2.3.1 引入計(jì)算機(jī)

在汽車業(yè)快速進(jìn)步的當(dāng)下，輕量化設(shè)計(jì)走入人們視野，如何科學(xué)選用輕量化材料與技術(shù)，確保汽車制造及相關(guān)工作得到順利開展，現(xiàn)已成為亟待解決的問題。由上述內(nèi)容可知，對鋁合金、高強(qiáng)度鋼等新型材料加以運(yùn)用，可使底盤功能得到保證，此外，汽車油耗也會隨著質(zhì)量的降低而降低，這與社會倡導(dǎo)的節(jié)能減排理念不謀而合。

信息時代的來臨，使計(jì)算機(jī)技術(shù)呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展勢頭，對底盤懸架進(jìn)行設(shè)計(jì)時，如果條件允許，有關(guān)人員可引入計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化的方式，使零件質(zhì)量大幅降低，在優(yōu)化制造效率的基礎(chǔ)上，將驗(yàn)證零件需要投入的成本控制在合理范圍內(nèi)，這樣做可使產(chǎn)品更具競爭力。由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，計(jì)算機(jī)的運(yùn)用方向主要有概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)等，具體如下：對概念設(shè)計(jì)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，使部件擁有更為理想的空間布置方案及結(jié)構(gòu)；以動力學(xué)為切入點(diǎn)，對方案進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化，確保懸架部件空間與載荷均衡；比對并優(yōu)化結(jié)構(gòu)，對設(shè)計(jì)成熟度有顯著的提升效果；在汽車進(jìn)入量產(chǎn)前，運(yùn)用計(jì)算機(jī)優(yōu)化已成型工藝，通常能夠賦予產(chǎn)品更為理想的穩(wěn)定性及工藝性[4]。

2.3.2 控制設(shè)計(jì)成本

研究表明，要想使汽車制造表現(xiàn)出更為理想的經(jīng)濟(jì)效益，既要對底盤懸架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，還應(yīng)當(dāng)以制造成本為依據(jù)，通過評估現(xiàn)有方案的方式，確保汽車兼具實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)型。簡單來說，就是全方位、多角度衡量技術(shù)成本和材料成本，確定符合實(shí)際需求的方案，通過推動輕量化發(fā)展的方式，為汽車業(yè)注入動力，使其擁有更大的影響力和競爭實(shí)力。

2.3.3 加大產(chǎn)品開發(fā)力度

在開發(fā)底盤懸架部件時，有關(guān)人員應(yīng)將輕量化設(shè)計(jì)作為指導(dǎo)思想，確保該原則貫穿產(chǎn)品制造的各個環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品功能性與安全性提供保證。除此之外，以下內(nèi)容也需要加以了解：以優(yōu)化開發(fā)全過程為前提，通過建立開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，確保懸架及其他部件始終處于均衡狀態(tài)，隨后，結(jié)合不同目標(biāo)所表現(xiàn)出的特征，擬定切實(shí)可行的提升方案，通常可取得事半功倍的效果。

3 結(jié)論

綜上所述，對懸架關(guān)鍵部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，其效果能否達(dá)到預(yù)期，主要取決于兩個方面：設(shè)計(jì)工作是否貫穿制造及驗(yàn)證始終；設(shè)計(jì)方案是否做到工藝、材料與成本的平衡。只有滿足上述要求，才能使設(shè)計(jì)目標(biāo)具備達(dá)成的條件，在未來一段時間內(nèi)，上述內(nèi)容仍然是討論的重點(diǎn)，有關(guān)人員應(yīng)對此引起重視。