某轎車副車架輕量化

康元春

(湖北汽車工業學院，汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室(湖北汽車工業學院)，湖北十堰 442002)

0 引言

大量試驗證明車輛質量與油耗和排放有直接關系，降低汽車質量可以減少燃油消耗和廢氣排放。轎車副車架是轎車底盤中重要的承載部件，在對其輕量化的同時，需要保證其動、靜態特性。目前常用的輕量化方法是采用結構優化，對車架拓撲結構、尺寸厚度等進行優化設計。該方法一定程度上減輕了車架質量[1-3]，但隨著進一步輕量化要求，需采用新型復合材料，目前常用的是碳纖維材料[4]。采用碳纖維材料代替原鋼質材料時，不能單純進行材料替換，需考慮碳纖維材料鋪層厚度和鋪層角度等因素。

本文作者首先對轎車原副車架進行了靜力分析及模態分析，在保證碳纖維車架動、靜態性能的條件下，對碳纖維材料鋪層角度及各層厚度進行優化，并將碳纖維車架與原車架靜力分析結果進行對比。

1 原副車架靜力分析

將前副車架CAD模型導入HyperMesh軟件中，抽取其中面，采用尺寸為10 mm的殼單元對該副車架進行網格劃分。該副車架采用結構鋼，其材料密度為7.8×10-9t/mm3，泊松比為0.3，彈性模量為206 GPa，屈服強度為345 MPa。副車架有限元模型見圖1。

圖1 副車架有限元模型

該副車架通過控制臂與懸架相連，通過強化板與底盤固定，整車簧載質量為1 300 kg。有限元分析時，前副車架承受的載荷以集中載荷方式施加在副車架與底盤連接位置，大小為3 250 N，方向垂直于副車架。車輛靜止時，對副車架與控制臂連接位置進行全約束。急轉彎工況時，副車架承受著簧載質量和0.3g的橫向加速度，同時約束副車架與控制臂連接位置右側平動自由度及左側縱向和垂向平動自由度。緊急制動時，副車架承受簧載質量和0.6g縱向加速度，約束副車架與控制臂連接位置的平動自由度。對該副車架進行了靜力分析及模態分析，結果見表1。圖2為副車架各工況靜力分析的位移及應力圖。

表1 車架有限元分析結果

2 碳纖維材料優化

采用碳纖維材料對原副車架模型進行替換，碳纖維材料的鋪層方式對副車架動、靜態性能有重要影響。采用的碳纖維材料鋪層方向有0°、90°、45°、-45° 4個方向。按照原鋼質材料副車架厚度確定碳纖維材料副車架初始總厚度，且各鋪層方向的可設計層厚相同。進行碳纖維材料替換后模型的靜力及模態結果見表2，此時質量為4.263 kg。

表2 碳纖維副車架初始模型靜力及模態結果

2.1 自由尺寸優化

對碳纖維材料初始模型進行自由尺寸優化，來確定最佳的鋪層形狀。優化數學模型為：

設計目標：各工況的加權柔度最小。

約束：體積分數小于0.3。

設計變量：4個鋪層方向的厚度。

制造約束：可制造層厚為0.2 mm，并確保+45°方向和-45°方向的厚度分布相等，0°的鋪層百分比不超過25%。

自由尺寸優化后的副車架厚度分布如圖3所示。較厚的區域出現在副車架左右兩側，其他區域厚度較薄。自由尺寸優化后的碳纖維鋪層建立了16層，層1～4表示0°的鋪層，層5～8表示+45°的鋪層，層9～12表示-45°鋪層，層13～16表示90°鋪層。

圖3 自由尺寸優化總厚度分布

2.2 尺寸優化

自由尺寸優化后所得到的鋪層厚度是一系列不規律的數值[6]，為便于加工，需要進行尺寸優化來確定各角度的最佳鋪層厚度。該階段尺寸優化是建立在前一階段自由尺寸優化的基礎之上。優化時以各層的厚度為設計變量，體積最小為設計目標，約束各工況應變及前5階模態頻率不小于自由尺寸優化時的優化結果。各角度鋪層的數量取決于各角度的鋪層厚度與單層厚度，選擇的碳纖維單層厚度為0.1 mm。

經過自由尺寸和尺寸優化后，碳纖維副車架最大應力為急轉彎工況時的應力，最大值為106 MPa，一階頻率為109 Hz。

2.3 層疊順序優化

尺寸優化后得到各層最佳厚度，但為使副車架得到最佳性能，還需對層疊順序進行優化。優化時以各方向層疊順序為設計變量，仍以體積最小為設計目標，約束各工況應變及前5階模態頻率。優化后最終得到36層鋪層，迭代歷程及結果見表3，表中最后一列為優化后的層疊順序結果。

表3 層疊順序 (°)

3 結果比較

將鋼質副車架與碳纖維車架的質量、應力、位移及一階頻率等性能進行比較，見表4。可以看出：與原副車架模型相比，新副車架各工況強度均有大幅度降低，剛度雖有提高，但仍滿足設計要求；新副車架一階頻率為110 Hz，避開了道路激勵和發動機激勵的頻率；從14.94 kg減輕到1.62 kg，減輕了89.15%，達到設計要求。

表4 兩種方案優化后車架性能比較

4 結論

在某轎車副車架中，采用碳纖維材料替代原鋼質材料，對碳纖維鋪層厚度及層疊順序進行了優化設計，得到碳纖維材料的副車架在強度及剛度滿足設計要求的前提下，質量從14.94 kg減輕到1.62 kg，減輕了89.15%，輕量化效果明顯。