基于材料替換的轎車副車架設(shè)計方法*

馮金芝，鄧江波，鄭松林，李 原

(1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093； 2.機(jī)械工業(yè)汽車機(jī)械零部件強度與可靠性評價重點實驗室，上海 200093)

2016123

基于材料替換的轎車副車架設(shè)計方法*

馮金芝1,2，鄧江波1，鄭松林1,2，李 原1

(1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093； 2.機(jī)械工業(yè)汽車機(jī)械零部件強度與可靠性評價重點實驗室，上海 200093)

本文中基于原有副車架結(jié)構(gòu)，通過材料替換和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并充分考慮鎂合金的加工工藝，改進(jìn)設(shè)計出新型鎂合金副車架。首先，對原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行鎂合金材料替換，進(jìn)行了正常載荷、疲勞載荷和過載工況下的強度分析，計算得到副車架各階頻率與振型；接著結(jié)合副車架動剛度特性，對鎂合金副車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，在確保滿足使用要求的前提下，副車架質(zhì)量減輕50%。本文中采用的綜合強度、模態(tài)與動剛度分析的設(shè)計方法，可為汽車其它承載結(jié)構(gòu)件的設(shè)計提供參考。

副車架；鎂合金；材料替換；強度；模態(tài)；動剛度

前言

在當(dāng)今汽車市場競爭激烈的情況下，汽車輕量化已成為當(dāng)今汽車設(shè)計追求的目標(biāo)之一。目前，汽車輕量化設(shè)計主要有兩種方法，一種是對傳統(tǒng)材料在疲勞強度理論研究基礎(chǔ)上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計，即考慮低幅載荷對材料或結(jié)構(gòu)強度的強化和損傷，設(shè)計時力求使汽車在使用過程中結(jié)構(gòu)的強度潛力盡可能發(fā)揮[1]；另一種是采用高性能輕量化材料[2]，如TRIP鋼、DP鋼、硼鋼等高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料和碳纖維等來實現(xiàn)。

本文中以轎車副車架為研究對象，探索轎車底盤承載結(jié)構(gòu)件副車架輕量化材料替換的設(shè)計方法,綜合強度、模態(tài)和動剛度分析方法，并考慮新材料的工藝需求，實現(xiàn)了原有結(jié)構(gòu)的輕量化材料替換，設(shè)計出新型鎂合金副車架。

1 輕量化材料的選取

輕量化的重要途徑之一是選用輕質(zhì)材料替換鋼材料，由于鎂合金密度在所有結(jié)構(gòu)合金中是最小的，且具有比強度和比剛度高、壓鑄性能好、耐沖撞、阻尼吸振性能好和可循環(huán)利用等特性，是汽車輕量的理想材料之一[3-4]。本文中所用鎂合金材料特性見表1。

表1 材料特性參數(shù)

2 副車架有限元模型的建立和分析

2.1 有限元模型的建立

后副車架作為底盤系統(tǒng)重要的承載元件，與車身和懸掛系統(tǒng)相連，主要作用是提高懸掛系統(tǒng)的連接剛度，減小路面震動的傳入，從而帶來良好的舒適性。目前，一些中高檔轎車均采用獨立式前后懸掛系統(tǒng)，后副車架也應(yīng)用得越來越廣泛。

基于CATIA V5平臺建立副車架3維模型。由于副車架零部件屬于板材沖壓件，故采用板殼2D網(wǎng)格格式，為保證有限元模型的準(zhǔn)確性，盡可能采用了四邊形殼單元(Quad)，尺寸為6mm，單元數(shù)量21 236個，所建有限元模型如圖1所示。

圖1 副車架有限元模型

2.2 加載工況與約束

在轎車副車架強度分析時，依據(jù)制造商底盤零部件臺架強度試驗評價標(biāo)準(zhǔn)[5]，確定以下3種載荷工況：(1)正常載荷工況，副車架主要經(jīng)受一些普通的載荷，例如車身質(zhì)量、正常行駛制動力等；(2)疲勞載荷工況，副車架承受循環(huán)載荷作用，如轎車加速、倒退、過彎轉(zhuǎn)向等；(3)過載工況，副車架會受到較大的沖擊，比如轎車過坑、后輪撞到路臺等狀況。

在建立有限元模型的過程中，各零件邊緣采用REB2形式連接，約束6個自由度，并且通過REB2單元可將力傳遞到各個零部件，使模型成為一個整體。此外，在副車架與車身相連的4個支撐位置施加約束，固定住整個模型。對于多種工況下的加載，很難進(jìn)行合理的約束，為消除約束點的反力對結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響，需要在副車架靜力分析中引入慣性釋放的方法，這將有助于得到更加合理和符合實際情況的計算結(jié)果[6-7]。在求剛度動態(tài)響應(yīng)時，需要將其中4個加載點逐個單一加載，而其他加載點限制x，y，z方向上的平動位移，從而分別觀察每個點的動態(tài)響應(yīng)情況。

2.3 應(yīng)力應(yīng)變分析

對副車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度分析,主要計算應(yīng)力分布、最大應(yīng)力與位置和最大位移形變，如表2所示。

由表2可知：應(yīng)力值基本一致，但鎂合金的屈服極限較小，某些工況已經(jīng)超過或接近其屈服極限；在左、右轉(zhuǎn)彎疲勞載荷工況下，鎂合金應(yīng)力已超過材料的疲勞強度(264MPa)；此外，鎂合金的位移最大值均大于鋼的最大值，主要是因為鎂合金的材質(zhì)較軟，彈性模量小于鋼材。

3 副車架模態(tài)動剛度對比分析

3.1 模態(tài)對比分析

副車架結(jié)構(gòu)的振動特性與轎車的乘坐舒適性、噪聲控制、部件的疲勞和共振破壞等問題密切相關(guān)[8]。其模態(tài)特性直接涉及轎車實際行駛時的動態(tài)響應(yīng)，如果行駛路面的激勵頻率與副車架模態(tài)頻率接近，便會引起共振，使得轎車的操縱穩(wěn)定性和舒適性變差，振動噪聲增強，對轎車相關(guān)構(gòu)件的疲勞壽命產(chǎn)生不利影響[9]。

對使用兩種材料的副車架進(jìn)行自由模態(tài)對比分析,得到副車架的固有頻率與振型,如表3所示。

由模態(tài)分析結(jié)果可知，兩種材料的原結(jié)構(gòu)模態(tài)均基本達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。整體上各階模態(tài)平滑連續(xù)，沒有明顯的局部斷點。但鎂合金副車架各階模態(tài)頻率都低于鋼材結(jié)構(gòu)，其振動特性相對較差。

從模態(tài)振型結(jié)果可以看出，兩種材料副車架的振動位移最大處均發(fā)生在4個車身連接支撐位置，說明該位置的振動比較明顯，容易影響整個副車架的振動特性，應(yīng)該加以改善。為進(jìn)一步研究副車架振動特性和4個支撐處動態(tài)特性，還需對副車架做動剛度分析。

3.2 動剛度對比分析

副車架上的一些關(guān)鍵點是向車身傳遞振動的主要途徑，對車身的振動和疲勞破壞有重要的影響,因此對這些關(guān)鍵點進(jìn)行動剛度分析具有重要的意義[10]。

計算頻率范圍為0～400Hz，求解頻率間隔步長為5Hz。分別在連接點處施加1N的單位力，對副車架的4個連接點進(jìn)行動剛度分析，加載點的設(shè)置如圖2所示。

圖2 動剛度分析加載點

經(jīng)過求解得到各加載點位置的速度頻率響應(yīng)曲線和位移頻率響應(yīng)曲線，選取其中加載點1001和1004加以分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 副車架動剛度分析

由圖可見，在4個支撐點位置動剛度曲線有較大差別。鎂合金副車架速度和位移的頻率響應(yīng)曲線均高于原始鋼材料；鎂合金的峰值比鋼材料的先出現(xiàn)，都超過了鋼材料的最大值；且鎂合金的動剛度曲線起伏比較明顯，在0～200Hz的范圍內(nèi)鎂合金副車架速度頻率響應(yīng)曲線高出參考評價曲線，說明該處位置的剛性較差。

通過動剛度頻響分析，進(jìn)一步證明在采用鎂合金材料后，4個支撐位置的動態(tài)特性不如鋼結(jié)構(gòu)，而且差距比較明顯。在設(shè)計新鎂合金副車架時，應(yīng)該著重對這4個位置加以改進(jìn)，提升其動態(tài)特性。

4 副車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

通過以上有限元分析結(jié)果對比,原結(jié)構(gòu)鎂合金副車架的薄弱位置主要是在后橫臂處和中間擺臂箱體處。故在采用鎂合金材料替換鋼材料副車架之前必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)，既要滿足強度、模態(tài)約束和動剛度的要求，也要以減輕質(zhì)量作為目標(biāo)。具體改進(jìn)措施如下。

(1) 由于后連接上下沖壓件的后橫臂距離較長，且此次鎂合金副車架為小批量生產(chǎn)，為減小沖壓件尺寸，降低沖壓模具成本，將后連接焊接總成分為3段式，通過焊接連接。

(2) 為改善副車架的結(jié)構(gòu)強度，新設(shè)計鎂合金副車架在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上分別增加了各部件的壁厚，特別是中間擺臂箱體處，從原2mm調(diào)整到5mm，具體尺寸見圖4。改善了部件的截面模量，在相同載荷的情況下，可在一定程度上減小局部應(yīng)力。

圖4 新設(shè)計鎂合金副車架結(jié)構(gòu)

(3) 左右后橫臂采用與前副車架主體骨架相似的管型結(jié)構(gòu)，既可提高長臂的強度和剛度，也保持了用料的一致性，節(jié)約了制造成本。

(4) 考慮到在加載過程中，左右支撐處的位移比較大，為進(jìn)一步提高長橫臂的扭轉(zhuǎn)剛度，在左右后橫臂處設(shè)置加強筋，使管材截面近似為橫“日”字結(jié)構(gòu)。

改進(jìn)后新鎂合金副車架三維模型如圖4所示。改進(jìn)后的鎂合金副車架質(zhì)量約為5kg，比原始鋼材料的副車架減輕5.135kg，質(zhì)量減輕了50.7%。

5 鎂合金新副車架強度校核與模態(tài)動 剛度校驗

5.1 副車架改進(jìn)設(shè)計后的強度校核

設(shè)計強度要求鎂合金副車架應(yīng)力小于屈服應(yīng)力400MPa，疲勞載荷工況疲勞強度小于264MPa(2×105次)，分析時同樣以最大位移小于3mm為約束，結(jié)果見表4。

由表4可以看出，新設(shè)計的鎂合金副車架最大應(yīng)力值都有不同幅度的下降，左、右轉(zhuǎn)彎工況的最大應(yīng)力值低于鎂合金的疲勞極限值，滿足使用要求。最大位移值均小于2mm，且所有工況下的最大位移還小于原始鋼結(jié)構(gòu)的副車架。新設(shè)計鎂合金副車架的強度滿足使用要求。

表4 副車架強度與變形位移的計算結(jié)果

5.2 副車架改進(jìn)設(shè)計后的模態(tài)與動剛度校驗

改進(jìn)后副車架模態(tài)分析結(jié)果如表5所示。

表5 鎂合金新副車架與原副車架模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知，新鎂合金副車架各階頻率都有所提高。1階模態(tài)頻率為284.2Hz，超過了設(shè)計要求的200Hz，從第2階起就達(dá)到了400Hz以上，有效地避開了車身共振頻率范圍，且各階模態(tài)連續(xù)無斷點。新設(shè)計鎂合金副車架的相鄰兩階模態(tài)頻率也遠(yuǎn)大于20Hz，避免了接近的模態(tài)頻率[11]。說明新設(shè)計鎂合金副車架模態(tài)滿足設(shè)計要求。

由之前動剛度分析結(jié)果可知，4個支撐點位置的振動位移較大，故接下來還須對新設(shè)計鎂合金副車架作進(jìn)一步的動剛度校驗。

通過比較副車架各點處單位力激勵下速度頻率響應(yīng)和位移頻率響應(yīng)來評價副車架的動態(tài)剛度性能，以原始鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)果曲線作為參考評價[12]。圖5為加載點1001和1004處速度頻率響應(yīng)和位移頻率響應(yīng)分析結(jié)果。

圖5 副車架動剛度分析

由圖可見，新設(shè)計鎂合金副車架速度和位移的頻率響應(yīng)曲線最大值均小于原始副車架。在0～200Hz范圍內(nèi)，新設(shè)計鎂合金副車架速度和位移的頻率響應(yīng)曲線與原結(jié)構(gòu)基本一致，保證了工作時的穩(wěn)定性。新設(shè)計鎂合金副車架速度和位移的頻率響應(yīng)峰值基本出現(xiàn)在300Hz以后，處于較高頻率范圍內(nèi)，對副車架的正常使用影響不大。

由此對比分析可知，經(jīng)改進(jìn)后的鎂合金副車架動剛度與原始鋼材料副車架動剛度在工作頻率范圍內(nèi)大致相近，某些頻率范圍下新設(shè)計鎂合金略好于原始鋼材料，能夠滿足副車架的正常使用。

6 結(jié)論

通過材料替換和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并充分考慮鎂合金的加工工藝，實現(xiàn)了轎車副車架的輕量化設(shè)計，質(zhì)量減輕了50.7%。仿真結(jié)果表明，設(shè)計的鎂合金副車架的強度、模態(tài)和動剛度特性均達(dá)到了要求。目前，為實現(xiàn)鎂合金在汽車底盤承載結(jié)構(gòu)上的推廣應(yīng)用，需要深入研究鎂合金材料與鋼、鋁等其它材料的連接技術(shù)，此外，還需采取措施解決鎂合金的耐蝕性差和易燃性等問題。

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Design Method of Car Subframe Based on Material Substitution

Feng Jinzhi1,2, Deng Jiangbo1, Zheng Songlin1,2& Li Yuan1

1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093； 2.CMIFKeyLabforAutomotiveStrength&ReliabilityEvaluation,Shanghai200093

In this paper, based on the original structure of subframe and through material substitution and structural modification, with consideration of the manufacturing technology of magnesium alloy, a nvel magnesium alloy subframe is redesigned. Firstly the material of original structure is substituted by magnesium alloy and a strength analysis is conducted on subframe under the conditions of normal load, fatigue load and overload to calculate the frequencies and vibration modes of different orders. Then combined with the dynamic stiffness characteristics of subframe, the structure of magnesium alloy subframe is redesigned. As a result the mass reduction rate of subframe reaches more than 50%. The design method of comprehensive strength, modal and dynamic stiffnes analyses adopted in the paper provides a reference for the design of other load-bearing components of vehicles.

subframe; magnesium alloy; material substitution; strength; vibration mode; dynamic stiffness

*國家自然科學(xué)基金(51375313，51305269)和上海市科委基礎(chǔ)研究重點項目(13JC1408500)資助。

原稿收到日期為2015年4月22日，修改稿收到日期為2015年7月13日。