智能化汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件耐久性分析與改進(jìn)措施探討

摘 要：智能化汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的耐久性是決定其長(zhǎng)期可靠性與安全性的關(guān)鍵因素。隨著智能化技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨著諸多新的挑戰(zhàn)，特別是在載荷、疲勞性能和環(huán)境適應(yīng)性等方面。文章針對(duì)智能化汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的耐久性分析與改進(jìn)措施進(jìn)行了深入探討，分析了智能化底盤(pán)對(duì)耐久性的特殊要求與影響因素，接著探討了底盤(pán)結(jié)構(gòu)件在不同工況下的工作載荷與疲勞性能，最后提出了改進(jìn)措施和設(shè)計(jì)優(yōu)化策略。研究表明，材料選擇、智能化控制技術(shù)的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高底盤(pán)耐久性的關(guān)鍵。此外智能化控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)能有效提升底盤(pán)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命并延長(zhǎng)其使用年限。文章為智能化汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)優(yōu)化與耐久性提升提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：智能化汽車 底盤(pán)結(jié)構(gòu) 耐久性

智能化汽車作為現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向，其底盤(pán)結(jié)構(gòu)件在智能化系統(tǒng)的影響下，面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。底盤(pán)作為汽車的核心支撐部分，其耐久性不僅關(guān)系到整車的安全性、舒適性和駕駛體驗(yàn)，還對(duì)車輛的長(zhǎng)期性能和維護(hù)成本產(chǎn)生重要影響。傳統(tǒng)底盤(pán)設(shè)計(jì)側(cè)重于機(jī)械強(qiáng)度和靜態(tài)載荷的承載能力，然而隨著自動(dòng)駕駛、智能控制系統(tǒng)以及車載傳感器等技術(shù)的集成，底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的工作環(huán)境變得更加復(fù)雜，工作載荷及動(dòng)態(tài)響應(yīng)也呈現(xiàn)出更為復(fù)雜和不確定的特點(diǎn)。智能化技術(shù)的應(yīng)用，尤其是在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和車載傳感器的引導(dǎo)下，賦予了汽車更高的智能水平，同時(shí)也對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)的耐久性提出了新的要求。

1 智能化汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的耐久性要求與影響因素

1.1 耐久性概述與智能化底盤(pán)的特殊要求

智能化汽車底盤(pán)的耐久性是指在多種工作環(huán)境下，底盤(pán)結(jié)構(gòu)件在長(zhǎng)期載荷作用下所表現(xiàn)出的穩(wěn)定性與可靠性。隨著汽車智能化程度的提升，底盤(pán)結(jié)構(gòu)件面臨的工作環(huán)境更加復(fù)雜和多變，這要求底盤(pán)結(jié)構(gòu)件具備更高的疲勞強(qiáng)度、更好的抗腐蝕性以及更長(zhǎng)的使用壽命[1]。傳統(tǒng)的底盤(pán)設(shè)計(jì)以機(jī)械性能為主要考量因素，主要關(guān)注靜態(tài)載荷、動(dòng)態(tài)載荷和沖擊載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。然而智能化底盤(pán)的引入改變了這一單一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橹悄芑刂葡到y(tǒng)、自動(dòng)駕駛技術(shù)及車載傳感器等系統(tǒng)的集成，使得底盤(pán)結(jié)構(gòu)不僅要承受傳統(tǒng)的載荷，還需要應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜的工況。例如，智能感知系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)會(huì)引入新的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，甚至改變底盤(pán)對(duì)外部環(huán)境的適應(yīng)方式。

1.2 耐久性影響因素分析

底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的耐久性受到諸多因素的復(fù)雜影響，其中材料的選擇是最為關(guān)鍵的因素之一。高強(qiáng)度鋼、鋁合金和復(fù)合材料等新型材料，憑借其出色的強(qiáng)度和輕量化特性，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車底盤(pán)設(shè)計(jì)。然而這些材料在提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，必須確保具備良好的抗疲勞性能。不同材料的力學(xué)性能差異導(dǎo)致其在長(zhǎng)期載荷作用下的表現(xiàn)各不相同。例如，高強(qiáng)度鋼雖然具有較高的抗拉強(qiáng)度，但在應(yīng)對(duì)反復(fù)載荷時(shí)可能表現(xiàn)出較低的疲勞極限；而鋁合金則以其較好的比強(qiáng)度和抗腐蝕性能在輕量化設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位，但其疲勞強(qiáng)度較低，易受到過(guò)度應(yīng)力影響。如何根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的材料，成為確保底盤(pán)耐久性的重要前提。除了材料的影響外，底盤(pán)在不同駕駛工況下的工作載荷變化也對(duì)其耐久性產(chǎn)生了顯著影響。傳統(tǒng)的底盤(pán)設(shè)計(jì)主要圍繞城市道路、高速公路等標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行，其在載荷特性上相對(duì)單一，適應(yīng)性較強(qiáng)。隨著智能化汽車的普及，底盤(pán)需要應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的路況和駕駛行為，載荷特性也變得愈加復(fù)雜。智能化底盤(pán)系統(tǒng)，如自動(dòng)駕駛、智能懸架等技術(shù)，不僅能實(shí)時(shí)感知路面狀況和駕駛環(huán)境，還會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整底盤(pán)的工作狀態(tài)。這種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)雖然提高了車輛的舒適性和穩(wěn)定性，但也使得底盤(pán)所承受的載荷波動(dòng)更為頻繁和多樣化。智能化底盤(pán)的耐久性要求遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)底盤(pán)，必須考慮更加復(fù)雜的工況變化對(duì)結(jié)構(gòu)件的影響。智能化技術(shù)的集成也對(duì)底盤(pán)的耐久性提出了新的挑戰(zhàn)。例如，車載傳感器、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和其他智能控制系統(tǒng)的電磁干擾，可能對(duì)底盤(pán)控制系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。在某些特殊工況下，電磁干擾可能導(dǎo)致傳感器和控制系統(tǒng)出現(xiàn)信號(hào)干擾，從而影響動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的精度，進(jìn)而對(duì)底盤(pán)造成額外的應(yīng)力和熱負(fù)荷。這些附加負(fù)荷不僅會(huì)加劇材料的疲勞損傷，還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的早期失效，從而影響整體的長(zhǎng)期可靠性。底盤(pán)的設(shè)計(jì)和智能化技術(shù)的集成必須考慮這些潛在的風(fēng)險(xiǎn)，以確保其在各種復(fù)雜環(huán)境下的可靠性和耐久性。

1.3 耐久性評(píng)估方法與挑戰(zhàn)

底盤(pán)結(jié)構(gòu)件耐久性的評(píng)估方法包括傳統(tǒng)的靜態(tài)力學(xué)分析與動(dòng)態(tài)疲勞分析。靜態(tài)分析主要用于評(píng)估底盤(pán)在均勻載荷下的表現(xiàn)，而動(dòng)態(tài)疲勞分析則更多關(guān)注底盤(pán)在復(fù)雜工況下的耐久性表現(xiàn)。智能化汽車底盤(pán)的耐久性評(píng)估，必須綜合考慮動(dòng)態(tài)工況下的非線性影響以及智能化系統(tǒng)帶來(lái)的額外負(fù)荷。傳統(tǒng)的疲勞分析方法往往忽略了車輛在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中所遭遇的復(fù)雜載荷變化，如瞬時(shí)沖擊載荷、環(huán)境溫度變化以及駕駛員的駕駛習(xí)慣等，這使得智能化底盤(pán)的耐久性評(píng)估變得更加困難。新型的評(píng)估方法必須結(jié)合有限元分析、疲勞損傷模型以及智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同工作條件下底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，底盤(pán)結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)也需要更多依賴數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以實(shí)現(xiàn)更加精確的耐久性評(píng)估。

2 智能化汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的工作載荷與疲勞性能分析

2.1 底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的工作載荷特征

智能化汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)需充分考慮復(fù)雜的工作載荷環(huán)境。在實(shí)際應(yīng)用中，底盤(pán)所承受的載荷來(lái)源廣泛，包括動(dòng)態(tài)載荷、靜態(tài)載荷以及由路面狀況和車輛狀態(tài)變化引起的復(fù)合載荷。底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)不僅要保證其在長(zhǎng)期運(yùn)行中的穩(wěn)定性，還要應(yīng)對(duì)來(lái)自不同方向的載荷沖擊。在智能化汽車中，隨著集成系統(tǒng)的不斷發(fā)展，諸如主動(dòng)懸掛、智能轉(zhuǎn)向等新型系統(tǒng)的加入，使得底盤(pán)的負(fù)載特征更加復(fù)雜。車輛在行駛過(guò)程中，尤其在高速、急轉(zhuǎn)彎及非平坦路面等工況下，底盤(pán)結(jié)構(gòu)件所受載荷變化劇烈，這些載荷不僅包括垂直方向的載荷，還涉及橫向載荷和扭矩載荷等多維載荷。智能化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，如懸架系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)硬度、減震力度等，直接影響底盤(pán)結(jié)構(gòu)件所承受的載荷分布。

數(shù)學(xué)模型描述中，載荷的計(jì)算通常依賴于動(dòng)力學(xué)方程與仿真分析方法。設(shè)定載荷作用點(diǎn)、方向和大小，通過(guò)如下方程求得底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的受力情況：

為總載荷，為結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，為加速度，為阻尼力，為摩擦力。在實(shí)際工況下，不同的載荷方向與載荷大小需要通過(guò)車載傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)件負(fù)載狀態(tài)的精準(zhǔn)分析。表1展示了在不同工況下，底盤(pán)結(jié)構(gòu)件所受載荷的變化情況，以便于更全面地分析工作載荷對(duì)結(jié)構(gòu)件耐久性帶來(lái)的影響。

2.2 疲勞性能與損傷積累分析

在智能化汽車的底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，疲勞性能是評(píng)價(jià)其耐久性的重要指標(biāo)。底盤(pán)結(jié)構(gòu)件在車輛長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，尤其是遇到反復(fù)載荷作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)周期性損傷。疲勞損傷的累積是導(dǎo)致底盤(pán)結(jié)構(gòu)件失效的主要原因之一。疲勞失效通常表現(xiàn)為裂紋的萌生和擴(kuò)展，其過(guò)程涉及復(fù)雜的微觀裂紋發(fā)展與宏觀損傷演化。根據(jù)材料的不同，疲勞壽命的預(yù)測(cè)可采用S-N曲線（應(yīng)力-壽命曲線）法，來(lái)評(píng)估材料在不同載荷條件下的抗疲勞能力。對(duì)于底盤(pán)結(jié)構(gòu)件，尤其是在動(dòng)態(tài)載荷作用下，其疲勞壽命不僅與載荷的大小有關(guān)，還與載荷的波動(dòng)幅度、頻率以及載荷作用的周期性特征密切相關(guān)。在此基礎(chǔ)上，損傷積累理論提供了一種有效的工具，用于描述不同工況下，疲勞損傷的積累過(guò)程。利用Palmer-Model（帕爾默模型）在不同的載荷作用下，預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命。其基本形式為：

其中為損傷量，為第i次載荷循環(huán)的應(yīng)力幅值，為材料的疲勞極限，為材料的損傷指數(shù)，為載荷循環(huán)次數(shù)。此公式能夠有效地估算材料在不同載荷條件下的疲勞壽命，并為底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)。圖1展示了在不同載荷條件下，疲勞損傷的累積情況，便于進(jìn)一步了解不同載荷對(duì)結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的影響。

2.3 智能化底盤(pán)疲勞壽命預(yù)測(cè)與優(yōu)化

智能化底盤(pán)的疲勞壽命預(yù)測(cè)是耐久性分析中的核心環(huán)節(jié)，其精確性對(duì)于智能化汽車的長(zhǎng)期穩(wěn)定性至關(guān)重要。與傳統(tǒng)汽車相比，智能化底盤(pán)面臨更加復(fù)雜的工作條件，包括動(dòng)態(tài)載荷、復(fù)雜工況以及智能控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。因此傳統(tǒng)依賴靜態(tài)負(fù)荷條件的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，已無(wú)法滿足現(xiàn)代智能化汽車底盤(pán)設(shè)計(jì)的需求。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，基于有限元法的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法被廣泛采用，它詳細(xì)考慮底盤(pán)結(jié)構(gòu)件在不同載荷作用下的應(yīng)力分布與應(yīng)變變化，并通過(guò)疲勞損傷模型預(yù)測(cè)底盤(pán)在復(fù)雜工況下的疲勞壽命。這種方法能夠提供更加準(zhǔn)確的疲勞壽命評(píng)估，并為底盤(pán)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[4]。此外智能控制系統(tǒng)與自適應(yīng)控制算法的引入，使得底盤(pán)結(jié)構(gòu)的疲勞性能得到了進(jìn)一步優(yōu)化。智能化控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控底盤(pán)的工作狀態(tài)，并基于傳感器數(shù)據(jù)與載荷變化及時(shí)調(diào)整控制策略。這種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制能夠根據(jù)當(dāng)前工作狀態(tài)，優(yōu)化底盤(pán)的載荷分布和應(yīng)力分布，從而減輕由于過(guò)載或不合理載荷引發(fā)的疲勞損傷。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同，智能控制系統(tǒng)能夠在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不斷適應(yīng)環(huán)境變化，降低結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷，并有效延長(zhǎng)其使用壽命。智能化底盤(pán)疲勞壽命預(yù)測(cè)的關(guān)鍵在于采用先進(jìn)的建模方法，結(jié)合有限元分析、疲勞損傷模型和智能控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)整優(yōu)化底盤(pán)的工作狀態(tài)，不僅提高了底盤(pán)的工作穩(wěn)定性，還顯著延長(zhǎng)了底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的使用壽命。

3 智能化汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的改進(jìn)措施與設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 耐久性改進(jìn)的設(shè)計(jì)原則與策略

智能化汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)需要從傳統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度要求向更加綜合的耐久性需求轉(zhuǎn)變。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須考慮到載荷變化、材料特性、制造工藝以及智能控制系統(tǒng)的作用。耐久性改進(jìn)的設(shè)計(jì)原則不僅僅局限于增強(qiáng)材料的強(qiáng)度，更在于優(yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與疲勞損傷積累過(guò)程。底盤(pán)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際工況的變化，采用適應(yīng)性更強(qiáng)的設(shè)計(jì)策略[5]。例如：在車載控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，加入更多的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋機(jī)制，使得底盤(pán)能夠根據(jù)外部環(huán)境的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而減少因過(guò)載或長(zhǎng)期運(yùn)行造成的疲勞損傷。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮如何通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布局，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高整體的疲勞壽命。

3.2 材料與制造工藝的改進(jìn)方向

材料的選擇與制造工藝對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的耐久性有著至關(guān)重要的影響。高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鈦合金等材料在保證強(qiáng)度的同時(shí)，還能有效提高底盤(pán)的抗疲勞性能。新型復(fù)合材料的出現(xiàn)，提供了更多的選擇，尤其是在提高重量比和抗腐蝕性能方面。針對(duì)智能化底盤(pán)，材料的選擇需要考慮到其與傳感器、控制系統(tǒng)的兼容性，以及材料在高頻率動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的表現(xiàn)。同時(shí)制造工藝的改進(jìn)，如增材制造、精密鑄造等技術(shù)的發(fā)展，也使得底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)更加精確，能夠更好地控制材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高其疲勞性能。針對(duì)智能化底盤(pán)的復(fù)雜載荷特性，未來(lái)的制造工藝將更多地傾向于智能化生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)材料和結(jié)構(gòu)的最佳匹配。

3.3 智能化控制技術(shù)對(duì)耐久性的優(yōu)化作用

智能化控制技術(shù)在底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的耐久性優(yōu)化中具有關(guān)鍵作用，它突破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)靜態(tài)參數(shù)的依賴，轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)調(diào)整和實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而有效提升了底盤(pán)的長(zhǎng)期可靠性和使用壽命。傳統(tǒng)底盤(pán)設(shè)計(jì)多關(guān)注靜態(tài)負(fù)載和疲勞壽命的計(jì)算，而智能化底盤(pán)通過(guò)引入先進(jìn)的控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)感知車輛運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)底盤(pán)的工作模式，優(yōu)化其疲勞性能。尤其在復(fù)雜工況下，智能化控制系統(tǒng)通過(guò)自適應(yīng)算法能夠快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)載荷的變化，調(diào)整底盤(pán)的載荷分布和操作策略，從而減少過(guò)載和不合理工作狀態(tài)對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)的損傷。智能化傳感器與反饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使底盤(pán)能夠持續(xù)監(jiān)控并預(yù)測(cè)潛在的疲勞損傷。通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，反饋系統(tǒng)即時(shí)識(shí)別結(jié)構(gòu)疲勞的初期跡象，并通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分析與優(yōu)化，生成高效的控制指令，及時(shí)調(diào)整底盤(pán)工作狀態(tài)。

4 結(jié)論

智能化汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的耐久性問(wèn)題已成為智能汽車技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。文章分析了智能化底盤(pán)對(duì)耐久性要求與影響因素，提出了針對(duì)性的解決方案。材料的選擇和制造工藝的創(chuàng)新，尤其是高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料及先進(jìn)制造技術(shù)，將顯著提高底盤(pán)結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。智能控制技術(shù)的應(yīng)用，使底盤(pán)能根據(jù)外部環(huán)境和工況變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，優(yōu)化其工作狀態(tài)，從而延長(zhǎng)使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳奕東，李妮妮，曹偉，等.汽車底盤(pán)零部件疲勞耐久性能測(cè)試新方法的研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2024，53（7）：241-245.

[2]陳媛媛.轎車底盤(pán)零部件耐久性虛擬試驗(yàn)方法分析[J].汽車博覽，2023：7-9.

[3]王蕊，陳琨，郭淑芬，等.基于多工況載荷譜耦合下的電動(dòng)汽車電池包耐久性研究與優(yōu)化[J].時(shí)代汽車，2025（01）：102-105.

[4]卓豪.輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與疲勞壽命研究[D].淄博：山東理工大學(xué)，2023.

[5]涂傳旻.電動(dòng)汽車快換電池鎖止裝置設(shè)計(jì)及疲勞壽命分析[D].南昌：華東交通大學(xué)，2023.