半副車架車型水箱下橫梁優化設計

卓長龍,孫一鵬,張書瑋

(泛亞汽車技術中心，上海 201201)

0 引言

近些年，隨著汽車行業的飛速發展，汽車保有量飛速提升， 2018年全球汽車產量已達到9 600萬輛。而中國早在2009年就成為世界第一大汽車產銷國，2018年中國的汽車產量達到2 800萬輛。與此同時，中國的自主品牌汽車也得到了飛速的發展。隨著汽車市場的競爭越發激烈，汽車行業已經由原先的粗放式發展變得越來越精細化。特別是對于低成本車型，為了在市場上獲取更大的市場競爭力，以及滿足更加苛刻的油耗法規，減重降本的任務越來越迫切。特別是針對暢銷車型，以一款生命周期一百萬輛銷量的車型來計算，單車成本如果降低10塊的話，意味著可以節省1 000萬的成本。在汽車行業愈發成熟、汽車產量已經步入下行的趨勢下，各廠商之間的競爭越來越白熱化，成本的降低會極大提高廠商的競爭力，因此各大汽車廠商對于汽車的精益設計越來越重視，汽車設計也在朝著精益化的方向快速發展。

基于某平臺基礎四星車型新開發的另一款新車型只需滿足拉丁三星法規，經安全分析可由原來的全副車架改為半副車架，改后的車型仍可滿足拉丁三星安全法規，在精益化設計的指導方向下，將高成本的全副車架方案設計(見圖1)改為低成本半副車架方案(見圖2)。由于在全副車架時CRFM下安裝點是裝在副車架上，CRFM安裝點有一定的動剛度要求，如果不滿足，在車輛行駛過程中，安裝點附近有開裂風險。為了滿足安裝要求，需重新設計水箱下橫梁，同時對水箱下橫梁進行精益結構設計。

圖1 全副車架車型

圖2 半副車架車型

1 半副車架CRFM區域結構劃分

圖3所示為一種典型半副車架的CRFM區域結構劃分，主要分為水箱上橫梁(A)、水箱下橫梁(B)、CRFM(C)、CRFM和水箱橫梁的4個安裝點(D)。其中水箱上下橫梁的作用主要是為CRFM提供固定點，并保證安裝點的動剛度滿足一定的要求。本文作者主要論述水箱下橫梁的結構設計方法。

圖3 水箱橫梁和CRFM連接示意

2 DPDS對于下橫梁結構的要求

按照目前CRFM的DPDS性能要求，分別考核在50～125 Hz之間5個頻率下的X、Y、Z向剛度均大于1.0 kN/mm。水箱上、下橫梁以及左、右縱梁組成的封閉式結構能夠很好地支撐起CFRM，由于水箱上橫梁還要承擔起鎖扣安裝、bumper點的安裝等功能，因此上橫梁剛度一般相對下橫梁較強，因此DPDS的問題主要出現在下橫梁上。

針對DPDS起主要作用的是水箱下橫梁的斷面大小、水箱下橫梁和縱梁的搭接形式、零件的材料料厚以及水箱下橫梁和CRFM安裝位置[2]。其中，針對水箱下橫粱，在結構設計時需要同時考慮以下幾種設計需求：(1)確保下橫梁和發動機管路以及保險杠的安全間隙；(2)CRFM和上、下橫梁的封閉結構在X向距離越小越好；(3)水箱下橫梁和縱梁象腿的搭接要做得盡可能強。文中后續的結構方案評估中，主要基于以上3個因素進行水箱下橫梁設計來滿足DPDS的要求。

3 水箱下橫梁結構設計優化

3.1 水箱下橫梁連接形式

由于安全法規的正面碰撞要求，為了防止侵入量過大，需要在縱梁前端設置一個潰縮區，導致縱梁象腿的布置不能太過于靠前，否則潰縮區會大大縮小。水箱上、下橫梁結構如圖4所示，下橫梁需要通過連接象腿和上橫梁形成封閉結構起到對CRFM的支撐作用[3]。如果下橫梁X向位置距離CRFM過大，則對于CRFM的支撐作用變弱。因此下橫梁的位置要選取得盡可能靠前。

圖4 水箱上、下橫梁結構

下橫梁周邊零件較多，對下橫梁的設計是一種考驗，需要在有限的空間內進行精益設計以滿足DPDS的要求。下橫梁前端是保險杠的限制面，后端是發動機管路的限制包絡，上端是CRFM，見圖5，因此設計空間十分有限。

圖5 CRFM和上、下橫梁布置

如前所述，一系列的限制條件造成了設計的困難。為了解決性能和布置空間的矛盾，作者通過DFSS的質量工具進行結構設計概念選擇，甄選出最優的設計方案。

3.2 下橫梁結構概念選擇

如上所述，為了彌補全副車架變為半副車架造成的DPDS性能損失，開發出以下4種下橫梁設計方案,見圖6。

圖6 下橫梁設計概念

方案a為在全副車架取消后，在中間加一個橫梁為CRFM提供兩個安裝點；方案b為將下橫梁的斷面擴大，同時通過增加三角支架增強下橫梁和象腿的連接強度；方案c為通過連桿增強下橫梁和縱梁的連接強度以提高整體剛度；方案d為將象腿整體前移，減小CRFM安裝點到象腿的X向距離懸臂長度以提高剛度。

4個設計方案中，方案a由于只是在兩個象腿中間加了一根橫梁，CRFM安裝點距離象腿安裝點Z向距離為80 mm，懸臂較長，導致Z向剛度嚴重不足，懸臂越短其Z向剛度越高[1]。在計算時把下橫梁材料料厚提高到3 mm仍然滿足不了DPDS的要求。

而方案b是在CRFM安裝點和象腿安裝點之間加了一個三角支架來提高Z向的高度，同時對正碰的壓潰空間也幾乎沒有影響，因此DPDS的剛度有明顯提高。

方案c在下橫梁前端增加一個連桿機構，使DPDS性能有明顯的提升，由于該連桿機構是液壓成型的管件，成本相較鈑金件較高，4個安裝點提高了對平面度的要求，增加了總裝車間裝配的難度。且連桿布置在正碰壓潰空間的區域內，影響潰縮空間。

方案d直接將象腿前移，大大縮短了懸臂長度，在不增加質量的基礎上DPDS性能得到最大程度的提升，但是這個方案同時也是處在正碰工況的壓潰吸能區域內，會導致正碰工況吸能效果的惡化。

綜合以上分析，根據成本、質量、布置空間、開發周期、相關性能等維度，利用DFSS工具進行普氏分析，見圖7，得到最優的設計方案為方案b。

圖7 普氏分析

得到水箱下橫梁的布置概念如圖8所示。

該設計是在充分考慮了制造工藝可行性、布置可行性以及總裝工藝可行性得出的優化設計方案。

圖8 水箱下橫梁布置

4 方案驗證

對方案b進行驗證，在布置可行的前提下，由于斷面對成本質量的影響較小，同時對剛度的提升較為明顯[4]，在空間允許范圍內擴大斷面，方案b計算結果如表1所示，滿足目標值要求。

表1 方案b計算結果

4 結論

介紹針對拉丁三星車型的半副車架設計對CRFM的保護原理，討論了水箱下橫梁的結構設計，通過分析水箱下橫梁周邊結構以及影響DPDS性能的因素，運用DFSS工具中的普氏分析方法，對4種設計方案進行對比分析，綜合考慮安全、質量、成本、制造及總裝工藝可行性等因素，得到最優的設計方案，滿足了DPDS的要求，為以后水箱下橫梁的設計提供有效的工程解決方案。