汽車底盤結(jié)構(gòu)件設(shè)計方法探討

冷鴻彬　羅森僑

摘 要：汽車底盤是汽車除發(fā)動機、變速器之外最重要的組成部分，底盤懸架結(jié)構(gòu)件主要包括控制臂、前副車架、后扭梁、后副車架等支撐車身、連接車輪的零件。汽車懸架能夠過濾和緩沖來自地面的沖擊，其結(jié)構(gòu)決定了汽車的駕駛性和舒適性，是汽車維持平穩(wěn)行駛的關(guān)鍵部分。由于汽車懸架具有承受和傳遞載荷的作用，所以在進行結(jié)構(gòu)件設(shè)計時應(yīng)選擇合理的形狀和材料，使結(jié)構(gòu)件具有足夠強度和耐久疲勞特性，從而保證整車的可靠性。本文對底盤結(jié)構(gòu)件進行了簡單的介紹，并對底盤懸架的設(shè)計方法進行了探討。

關(guān)鍵詞：雙曲柄滑塊機構(gòu) 平行六邊形機構(gòu) 可變形機構(gòu)

1 前言

隨著經(jīng)濟的增長和汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對汽車也有越來越多的要求，除了要求有好的操控性外，還希望汽車有好的舒適性以及高的安全性，這就對汽車底盤結(jié)構(gòu)件設(shè)計提出了更高的要求。底盤結(jié)構(gòu)件除了需要有最基本的結(jié)構(gòu)強度用于承受和傳遞載荷之外，還需要考慮動力學(xué)特性、整車的NVH（噪聲與震動）特性、車輛的碰撞特性等性能。

同時隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機三維建模技術(shù)（CAD）和計算機仿真優(yōu)化技術(shù)（CAE）等在底盤結(jié)構(gòu)件設(shè)計中的應(yīng)用也越來越深入，通過CAE仿真技術(shù)的應(yīng)用，能夠極大的縮短研發(fā)流程，減少研發(fā)時長，進一步降低研發(fā)成本[1-2]。

2 底盤結(jié)構(gòu)件介紹

2.1 副車架

副車架這一名詞主要是相對全車架而來的，對于轎車而言由于汽車輕量化的要求以及高強度鋼板的應(yīng)用，現(xiàn)代的乘用車以及部分中、小型商用車多采用承載式車身從而取消了全車架，用前、后獨立的車架取代全車架（采用扭轉(zhuǎn)梁后懸的車輛沒有后副車架）。根據(jù)安裝位置的不同副車架大體上可以分為前、后副車架兩大類。

前副車架安裝在車身前下部，用于連接車身與車輛導(dǎo)向機構(gòu)（控制臂），同時還提供了轉(zhuǎn)向機、橫向穩(wěn)定桿以及發(fā)動機支撐的安裝位置。其中全框式架位于底盤前部，參與碰撞吸能，直接影響汽車的碰撞性能，如圖1（a）。半框式車架位于全框式車架后部，主要起支撐和連接作用，如圖1（b），整體安裝圖如圖1（c）所示。

后副車架安裝在車身底盤后部，用于連接車輪和車身，能夠帶來很好的懸掛連接剛度，增加車輛的操控性能，還能夠隔絕路面震動，帶來很好的舒適性，后副車架連接情況如圖2所示。

2.2 控制臂

控制臂是懸架的重要組成部分，屬于懸架的導(dǎo)向機構(gòu)，主要用于控制輪胎在跳動過程中車輪定位角（車輪姿態(tài)）的變化，所以控制臂必須要有足夠的結(jié)構(gòu)強度和足夠的剛度用于抵御車輪受到載荷而引起的車輪定位角的變化?？刂票垡欢伺c車輪相連，一端與副車架相連，如圖3所示。

2.3 扭轉(zhuǎn)梁后橋

扭轉(zhuǎn)梁后橋是一種比較常用的半獨立懸架，是連接車架與車輪且保證汽車行駛安全的重要部件，其舒適性及操穩(wěn)性相比于獨立懸架都有所下降，但由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、可靠性及耐用性好、成本低等優(yōu)勢，因而在許多小型汽車和緊湊型汽車后懸上仍有廣泛的應(yīng)用。其連接示意圖如圖4所示。

3 有限元仿真分析及數(shù)模優(yōu)化[3]

有限元分析是指利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬，利用簡單而又相互作用的元素，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)，它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件，從而得到問題的解。有限元分析通常分為前處理（網(wǎng)格劃分、定義邊界條件）、計算（由解算器完成）以及后處理（仿真分析結(jié)果的處理）。

3.1 仿真分析結(jié)果[4]

CAE分析的輸出結(jié)果因分析對象不同而不同。一般來講CAE分析的輸出結(jié)果主要包括三大類，分別是數(shù)值（如剛度、最大應(yīng)力值）、曲線（如屈曲分析輸出載荷—位移曲線、動剛度分析輸出剛度—頻率曲線等）以及云圖（如應(yīng)力云圖、變性能云圖、振型圖等），以下將分別介紹。

3.1.1 數(shù)值

數(shù)值結(jié)果是CAE仿真分析中最基本的結(jié)果，其主要是用來判斷零件是否滿足技術(shù)指標(biāo)的一種快速，直觀的方法。包括靜載工況下的最大應(yīng)力;疲勞工況下的零件疲勞壽命;極限工況下的最大塑性變形和永久殘余變形;零件發(fā)生屈曲的最大輸入載荷;各個硬點的剛度;零件的各階固有頻率等。數(shù)值結(jié)果只能用于判斷零件的設(shè)計是否滿足指標(biāo)要求，不能用于指導(dǎo)零件的設(shè)計優(yōu)化。

3.1.2 曲線

對于某些無法直接輸出數(shù)值的仿真計算，其輸出結(jié)果為曲線。在底盤結(jié)構(gòu)件各種分析中通常用到的曲線有用于屈曲分析的載荷—位移曲線以及用于動剛度分析的剛度—頻率曲線。圖5為載荷-位移曲線。

圖5是某后上橫臂的計算位移—載荷曲線，圖中的橫坐標(biāo)是零件加載點的位移，縱坐標(biāo)是加載點輸入的載荷。通過曲線我們可以看出當(dāng)零件輸入的載荷達到某一臨界值之后，隨著位移的增加載荷不再加大，此時零件發(fā)生屈曲，也就意味著在這一載荷水平作用下零件的變形會不斷增大，失去穩(wěn)定性。

3.1.3 云圖

無論是數(shù)值結(jié)果還是曲線結(jié)果都是用來判斷零件是否合格，對指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化沒有太大作用，對于仿真分析及設(shè)計優(yōu)化具有指導(dǎo)意義的主要還是云圖，在CAE仿真分析中云圖可以用來表示零件上應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變能的分布情況，通常云圖包括應(yīng)力云圖、應(yīng)變能圖、振型圖、變形圖等。圖6所示為應(yīng)力云圖。

圖6是某副車架的應(yīng)力分布云圖，通過云圖我們可以找出零件的應(yīng)力集中區(qū)域，同時可以通過設(shè)置門檻值使得大于規(guī)定應(yīng)力的區(qū)域全部以特點顏色顯示從而幫助設(shè)計人員迅速查找應(yīng)力集中區(qū)域。

由于疲勞強度、最大塑性變形等指標(biāo)的計算往往需要較長的時間，所以通過計算這些工況下的應(yīng)力分布可以快速地幫助設(shè)計人員解決應(yīng)力集中問題從而提高零件的疲勞強度和極限強度，此外通過改善應(yīng)力集中還能有效地提高零件的屈曲性能。

3.2 數(shù)模優(yōu)化[5]

當(dāng)初版數(shù)模設(shè)計完成后，應(yīng)當(dāng)由CAE人員進行分析計算，判斷數(shù)模各項性能參數(shù)是否滿足設(shè)計要求。通過數(shù)值和曲線可以直接判斷出是否達到要求，如果不滿足要求，應(yīng)根據(jù)云圖情況，對數(shù)模整體或局部調(diào)整。調(diào)整后的數(shù)模再進行CAE仿真計算，如此循環(huán)，直到設(shè)計數(shù)模各項指標(biāo)達到要求。

4 結(jié)論

本文在介紹底盤結(jié)構(gòu)件類型的基礎(chǔ)上，重點闡述了結(jié)構(gòu)件設(shè)計中用到的有限元分析及優(yōu)化方法，對底盤結(jié)構(gòu)件的設(shè)計有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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[5]張丙鑫，尹麗，杜慧君. CAE技術(shù)在汽車車架設(shè)計中的應(yīng)用[J].汽車設(shè)計，2020，20：107-108.F534F009-8D43-49E6-A260-A2DB4F1AD9E2