重型汽車底盤懸架部件輕量化設(shè)計(jì)方法與研究

楊銀輝，申國(guó)偉，馬生平，范學(xué)瓊，史川

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重型汽車底盤懸架部件輕量化設(shè)計(jì)方法與研究

楊銀輝，申國(guó)偉，馬生平，范學(xué)瓊，史川

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

汽車底盤懸架系統(tǒng)關(guān)鍵部件的輕量化開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上車輛自重降低l噸，用戶增加l噸的載重量產(chǎn)生的凈收益非常可觀。文章通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外在重型商用車領(lǐng)域輕量化技術(shù)路線，總結(jié)并提煉出懸架系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)思路及主要設(shè)計(jì)方法，并以工程實(shí)踐開(kāi)發(fā)為例，為重型汽車底盤懸架系統(tǒng)及部件輕量化設(shè)計(jì)提供思路，也可為從事懸架設(shè)計(jì)人員提供參考、借鑒。

汽車底盤；懸架功能；輕量化；設(shè)計(jì)方法；開(kāi)發(fā)實(shí)踐

引言

隨著國(guó)家新法規(guī)GB1589的實(shí)施及重型汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，公路牽引車用戶對(duì)底盤輕量化的需求越來(lái)越高，輕量化技術(shù)越來(lái)越得到商用車企重視，同時(shí)汽車行業(yè)對(duì)節(jié)能減排和燃油經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提高，整車及零部件開(kāi)發(fā)過(guò)程的重量控制要求日益迫切，其中底盤懸架系統(tǒng)作為整車重量的重要組成部分（約占 11%），對(duì)節(jié)能減排起到重要作用。商用車底盤懸架系統(tǒng)關(guān)鍵部件包括鋼板彈簧、減振器、穩(wěn)定桿、推力桿、平衡軸支架、導(dǎo)向臂支架及板簧支架等，在高速公路實(shí)行計(jì)重收費(fèi)和限制超載下，車輛自重降低l噸，用戶增加l噸的載重量產(chǎn)生的凈收益非常可觀。因此, 在保證安全性的前提下實(shí)現(xiàn)整車的輕量化是汽車制造商極為關(guān)注的目標(biāo)。

1 底盤懸架系統(tǒng)功能及組成

懸架系統(tǒng)是車輪或車橋與汽車承載系統(tǒng)(車架或承載式車身)之間彈性連接并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動(dòng)以及調(diào)節(jié)汽車行駛中的 車身位置等有關(guān)裝置的總稱。懸架系統(tǒng)的主要功能：（1）把路面作用于車輪的垂直反力（支承力）、縱向反力（驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力）、側(cè)向反力以及這些反力造成的力矩傳遞到車架（或車身）上；（2）與與輪胎一起，吸收和緩沖汽車行駛中由于路面不平所造成的各種振動(dòng)和沖擊，從而保證乘客乘坐舒適性和貨物安全；

（3）使車身與車輪之間保持適當(dāng)動(dòng)態(tài)幾何關(guān)系，即車輪跳動(dòng)時(shí)應(yīng)有正確的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。重型商用汽車底盤懸架大多為非獨(dú)立懸架，由前懸架和后懸架構(gòu)成，結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示，前懸架包含鋼板彈簧、減振器、穩(wěn)定桿等；后懸架大多為平衡懸架結(jié)構(gòu)，包括平衡軸（集成支架功能）、鋼板彈簧、上下推力桿、緩沖塊等。

圖1 前懸架結(jié)構(gòu)

圖2 后懸架結(jié)構(gòu)

2 懸架輕量主要設(shè)計(jì)方法

2.1 系統(tǒng)技術(shù)革新

在滿足法規(guī)及用戶使用的要求下，突破常規(guī)懸架系統(tǒng)方案，應(yīng)用懸架系統(tǒng)新技術(shù)，制定系統(tǒng)綜合優(yōu)化方案，如采用空氣懸架、橡膠懸架、空氣復(fù)合懸架、橡膠復(fù)合懸架、提升懸架、復(fù)合材料板簧懸架等，能實(shí)現(xiàn)懸架系統(tǒng)在同樣承載能力下，減重20%以上，部分可實(shí)現(xiàn)降成本。

2.2 等應(yīng)力設(shè)計(jì)法

等應(yīng)力設(shè)計(jì)方法的原理是基于材料的合理分布和結(jié)構(gòu)的形貌優(yōu)化，通過(guò)減少?gòu)?qiáng)度冗余和局部加強(qiáng)的手段，控制零件不同位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力在定義的約束范圍內(nèi)，達(dá)到提高設(shè)計(jì)效果的目標(biāo)，采用CAE分析和拓?fù)鋬?yōu)化等手段，對(duì)零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使零部件各個(gè)部位的應(yīng)力值接近，即各個(gè)部位的壁厚不一致，受力小的部位減薄料厚或不要材料，從而減輕零件的重量。

2.3 等邊界設(shè)計(jì)法

根據(jù)不同輕質(zhì)材料（如鋁合金、塑料、高強(qiáng)度鋼及復(fù)合材料等）的機(jī)械性能和工藝成型特點(diǎn)，在保證零件之間不發(fā)生干涉的情況下以原結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合零部件與周圍相連部件間的靜態(tài)裝配關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系、強(qiáng)度等同等邊界約束條件下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并保證底盤懸架系統(tǒng)系列化、通用化設(shè)計(jì)。

2.4 集成化設(shè)計(jì)法

分工細(xì)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各個(gè)系統(tǒng)零部件的兼用性不強(qiáng)。尤其是各類的支架件，相互之間界限比較分明，比如，鋼板彈簧支架、轉(zhuǎn)向機(jī)支架、前伸梁，雖然布置的空間很接近，但卻是多個(gè)零件。在輕量化設(shè)計(jì)的理念下，從布置上考慮應(yīng)把多個(gè)支架集成化成一個(gè)零件；再通過(guò)各種優(yōu)化，使這個(gè)集成化零件的重量大大低于分開(kāi)布置的多個(gè)零件。

3 底盤懸架輕量化開(kāi)發(fā)實(shí)踐

3.1 橡膠懸架應(yīng)用

橡膠懸架是一種用橡膠彈簧代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼板彈簧的新型懸架結(jié)構(gòu)，一般由橡膠主簧、橡膠副簧、均衡梁及推力桿等零件組成，由于具有輕量化、舒適性好、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被歐美國(guó)家主機(jī)廠重型車有較大的應(yīng)用；公路標(biāo)載牽引車載荷穩(wěn)定、工況好，在某牽引車細(xì)分車型采用橡膠懸架技術(shù)方案取代少片簧平衡懸架，可實(shí)現(xiàn)懸架降重 220kg，橡膠懸架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 橡膠懸架

3.2 懸架支架集成優(yōu)化

系統(tǒng)集成思路是基于原設(shè)計(jì)功能、可靠性不變的前提下，采用新的方案將多個(gè)零件進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，提高懸架系統(tǒng)部件功能擴(kuò)展性和兼用性的重要手段，集成化設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)零件數(shù)量，以達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)思路。如以某公司彈簧滑板和推力桿支架優(yōu)化為例，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和耐久等性能基礎(chǔ)上，通過(guò)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)將原有零件數(shù)量9種優(yōu)化為6種，實(shí)現(xiàn)減重約36%以上，如圖4所示。

圖4 支架集成優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.3 懸架支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是對(duì)汽車整體以及零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，在保證安全使用性能的前提下，實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)和零部件的整體化、精簡(jiǎn)化以及輕質(zhì)化。汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要的主要方法是：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。尺寸優(yōu)化主要針對(duì)汽車結(jié)構(gòu)和零部件的型面和板厚進(jìn)行優(yōu)化；形狀優(yōu)化則是根據(jù)零件的主要受力位置，對(duì)零件的形狀進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，使零件的受力更加均勻；拓?fù)鋬?yōu)化在汽車結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)階段應(yīng)用較多，在給定汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)通過(guò)優(yōu)化算法，在滿足約束條件情況下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料的最佳布局形式，提高材料的利用率，保證結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能在合理的安全系數(shù)范圍以內(nèi)。運(yùn)用Hyperworks等有限元分析軟件對(duì)某重卡推力桿支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后結(jié)果如圖5、圖6所示，重量降低13.9%。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化前

圖6 拓?fù)鋬?yōu)化后

3.4 高強(qiáng)度彈簧鋼應(yīng)用

鋼板彈簧的重量與設(shè)計(jì)應(yīng)力的平方成反比，提高鋼板彈簧的工作應(yīng)力能進(jìn)一步降低懸架重量，目前在國(guó)內(nèi)少片簧領(lǐng)域應(yīng)用較多材料為 51CrV4，材料抗拉強(qiáng)度 1350Mpa，工作應(yīng)力一般控制在550Mpa以內(nèi)，如引入一些高應(yīng)力板簧材料，抗拉強(qiáng)度提高到1450Mpa，工作應(yīng)力控制在620Mpa左右，實(shí)現(xiàn)輕量化并可延長(zhǎng)使用壽命，如表1以某重卡前板簧為例，采用高強(qiáng)度彈簧鋼材料實(shí)現(xiàn)減重19.7%。

表1 高強(qiáng)度彈簧鋼性能及優(yōu)化重量對(duì)比

3.5 鋁合金、復(fù)合材料應(yīng)用

經(jīng)研究國(guó)外知名重卡及懸架零件供應(yīng)商，致力于研究替代的輕質(zhì)材料以取代金屬材料，如VOLVO開(kāi)發(fā)應(yīng)用鋁合金氣囊托架、鋁合金推力桿等，如圖 7；國(guó)內(nèi)一汽解放、博戈橡膠于2012年就投入研發(fā)復(fù)合材料板簧，以尋求新的減重方案，如圖8。以某重卡為彈簧壓板基礎(chǔ)，運(yùn)用等邊界設(shè)計(jì)方法，將復(fù)合材料應(yīng)用于彈簧壓板設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，其中與周邊零件接觸部位采用金屬嵌套設(shè)計(jì)，承載較小部位應(yīng)用尼龍骨架設(shè)計(jì)，在滿足承載能力的前提下，實(shí)現(xiàn)了懸架部件的減重，減重率為68.6%，圖9為新開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料彈簧壓板。

圖7 VOLVO鋁合金氣囊托架和推力桿

圖8 復(fù)合材料板簧

圖9 復(fù)合材料彈簧壓板

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究對(duì)標(biāo)國(guó)內(nèi)外在重型商用車領(lǐng)域輕量化技術(shù)路線，總結(jié)并提煉出懸架系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)思路及主要設(shè)計(jì)方法，并以工程實(shí)踐開(kāi)發(fā)為例，為重型汽車底盤懸架系統(tǒng)及部件輕量化設(shè)計(jì)提供思路，也可為從事懸架設(shè)計(jì)人員提供參考、借鑒。

[1] 劉青.汽車輕量化設(shè)計(jì)的技術(shù)路線分析[J].客車技術(shù)與研究,2011（6）28～30.

[2] 邵林.空氣懸架推力桿支架的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 汽車實(shí)用技術(shù),2012（7）22～26.

[3] 王彧,王更勝,林涌周,謝常云.汽車底盤懸架關(guān)鍵部件輕量化設(shè)計(jì)探討[J].2016年中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集,2016.

[4] 葉愛(ài)鳳,徐彪.東風(fēng)商用車輕量化開(kāi)發(fā)[J].汽車工藝與材料,2010（2）7～11.

[5] 羅志龍.汽車鋼板彈簧產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究[J].汽車科技,2012（4）9～12.

Research and Design Method of Suspension Components Lightweight for Heavy Automobile Chassis

Yang Yinhui, Shen Guowei, Ma Shengping, Fan Xueqiong, Shi Chuan
（Shaaxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200）

The lightweight development and design of the key components of the car chassis suspension system, on the basis of the structure and function of the vehicle, reduce the weight of the vehicle by 1 ton, and the net gain generated by the user's increase in lt load is very impressive. In this paper, through the study of domestic and foreign heavy-duty commercial vehicle in the field of lightweight technology, summed up and extracted the suspension system lightweight design ideas and the main design methods, and engineering practice development, for example, heavy truck chassis suspension systems and components lightweight Design to provide ideas, but also for the suspension design staff to provide reference, learn from.

chassis; suspension function; lightweight; Design method; development practice

U463.1

A

1671-7988 (2017)21-89-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.031

CLC NO.: U463.1

A

1671-7988 (2017)21-89-03

楊銀輝，高級(jí)工程師，研究生，就職于陜西重型汽車有限公司，主要研究方向?yàn)榈妆P懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。