某越野車全鋁車架性能開發及試驗驗證

王 璋 王 磊 聶春紅 胡東方 馬忠民 肖介平

（1-北京汽車集團越野車有限公司 北京 101300 2-北京北汽越野車研究院有限公司）

引言

據有關研究表明，汽車油耗與整車質量非常相關，因此節能減排的一項有效措施就是降低汽車質量[1]。據相關資料介紹，一般情況下，汽車質量每減輕1 kg，則1 L 的汽油就可以使汽車多行駛0.011 km，也就是說汽車每運行10 000 km，就能夠節省汽油0.7 L[2]。與此同時，汽車減重不僅減少了油耗，也減少了大氣中二氧化碳的排放量，汽車質量減少50%，CO 的排放量就會減少13%，同時也減少了其他有害物質的排放，如硫化物、氮化物等，對提高環境質量也起到了很大作用[3]。

鋁是工業最常用的輕金屬之一，鋁和鋁合金材料具有比重小，比強度高，優良的物理性能、力學性能、成形性能、工藝性能和易于回收再利用等一系列的優良品質。目前，汽車有很多部件都使用鋁材，如發動機本體、變速器殼體、車輪以及部分車身及四門兩蓋等，鋁合金憑借自身的優良品質使汽車零部件有了較好的減重效果。車架作為非承載式車身結構中的重要部件，其質量控制也是整車輕量化的重要工作之一。

車架作為非承載式車身的主要系統部件，除承受車身系統、動力傳動系統、底盤懸架系統、前后橋等靜載荷外，還要承受汽車行駛時產生的各種動載荷及各種附加載荷。尤其當汽車在惡劣路況行駛或越野時，這些載荷將被放大。因此，車架在滿足足夠的強度和合適的剛度前提下，質量還應盡可能小。這就大大增加了設計開發難度。

全新開發的輕量化全鋁合金車架，縱梁采用鋁合金內高壓成型的創新工藝，復雜承載部件采用鑄造鋁合金，車架整體進行固熔+人工時效熱處理工藝。屬行業內首次應用的大型鋁合金構件，具有較高的先進性，同時具有較高的開發難度。

1 車架性能開發

全鋁車架主要包含4 種成型工藝，其中車架縱梁采用內高壓成型工藝，部分橫梁及管梁采用擠出成型，支架類采用沖壓成型工藝，車架整體進行固溶T4+人工時效T6 熱處理工藝，如圖1 所示。在充分考慮輕量化設計前提下，各項性能滿足目標要求。

圖1 車架成型工藝分布圖

1.1 車架性能目標

車架性能開發類別如表1 所示。

表1 車架性能開發

1.2 車架性能仿真分析

為使車架各部件滿足性能開發要求，進行了多工況多性能仿真分析，如表2 所示。

表2 車架性能分析

1.2.1 剛度性能仿真分析

1）車架彎扭剛度分析

鋁合金的彈性模量約為鋼材的三分之一，為獲得與鋼制車架相當的彎扭剛度性能，車架縱梁和橫梁的截面及厚度進行了拓撲優化設計，車架彎扭剛度分析結果如表3 所示。縱梁采用新型的內高壓一體化成型工藝，縱梁的截面為連續變化，并且左右縱梁可以互換通用。多輪優化最終使得車架彎曲、扭轉剛度均滿足剛度性能要求，車架質量為117 kg，較某既有車型車架減重73 kg，輕量化系數8.9，明顯優于其他參考車型，如圖2 所示。

表3 車架彎扭剛度分析結果

圖2 各車型輕量化系數

2）車架安裝點剛度分析

針對車架34 個安裝點X，Y，Z 方向共102 個計算工況進行靜剛度分析，如圖3 所示，并與某既有平臺車型及其他相關車型進行橫向對比，并結合NVH動剛度分析結果綜合評判，各安裝點剛度均滿足靜剛度要求。

圖3 安裝點靜剛度分析圖

車架大部分安裝點動剛度大于某既有車型相同部位安裝點動剛度，主要安裝點動剛度均滿足要求。

1.2.2 強度性能仿真分析

對開發難度較高的強度耐久性能進行重點分析。車架為全鋁車架，縱梁按均勻等厚設置，厚度4.8 mm。縱梁及鈑金件材料Al6011-T6；前螺簧座、下擺臂前后支架、發動機懸置支架材料為Al-A356-T6。在整車強度分析28 個工況中選取12 個最極限工況進行強度性能設計。

針對傳力路徑上的關鍵部件，前螺簧座、下擺臂支架、減震器支架等，根據不同成型工藝進行了優化設計，經過8 輪仿真優化合計96 個工況項的強度分析及優化，滿足強度性能要求，如表4 所示。

表4 車架強度分析結果 MPa

在車架28 個工況強度分析基礎上，針對承載大質量部件的支架進行更加嚴苛工況的強度分析。針對油箱支架和電池包支架進行強度仿真分析及優化，均滿足強度要求。為后續混動車型開發做好儲備。

1.2.3 動剛度性能仿真分析

1）車架模態

車架主要模態頻率遠高于某既有參考車型1 和某既有參考車型2 車架模態頻率，從模態分析角度來看，滿足設計要求，如表5 和圖4 所示。

圖4 全鋁車架模態振型圖

表5 模態分析結果 Hz

1.2.4 工藝支持仿真分析

進行內高壓成型全鋁合金車架工程化開發為行業內首次，各項工藝均具有較高難度，在車架制造過程中需重點考慮成型減薄、褶皺、管材選型、焊接、開孔等工藝因素，同時對車架強度影響大的相關因素進行深度評估。

針對車架在制造過程中的減薄、開孔、焊縫變更等工藝問題提供技術支持。進行車架相關工藝支持分析，確保考慮工藝因素影響后的車架強度滿足要求。

1）減薄因素

依據縱梁內高壓成型后實測數據針對仿真模型進行厚度調整，將縱梁分割成22 段，重點針對6～20段進行壁厚測量，每段測量截斷面16 個點的壁厚，共計240 塊區域，如圖5 所示。選取減薄率大于15%的24 個區域進行厚度變更，如圖6 所示。

圖5 車架成型厚度檢查分段圖

圖6 車架成型厚度檢查分塊圖

將各個狀態與設計狀態（等厚）進行對比分析，選擇φ142 方案，減薄區域最少，強度結果滿足目標要求，如圖7、表6 和圖8～10 所示。

圖7 車架仿真分析分塊圖

表6 車架減薄強度分析結果 MPa

圖8 縱梁（內高壓成型）應力云圖

圖9 鈑金件（沖壓）應力云圖

圖10 螺簧座（鑄造）應力云圖

2 車架性能試驗驗證

針對全新開發的內高壓成型的全鋁合金車架，為充分驗證其剛度、模態、強度耐久等性能，策劃了系列試驗進行驗證，如表7 所示。其中重點對車架的強度耐久性能進行驗證。

表7 試驗策劃表

2.1 車架試驗-車架彎曲剛度

車架彎曲剛度滿足目標要求，車架彎曲剛度試驗與仿真分析對比如圖11 和表8 所示。

圖11 車架彎曲剛度試驗與仿真分析對比

表8 車架彎曲剛度試驗與仿真結果對比

2.2 車架試驗-車架扭轉剛度

車架扭轉剛度滿足目標要求，車架扭轉剛度試驗與仿真分析對比如圖12 和表9 所示。

圖12 車架扭轉剛度試驗與仿真分析對比

2.3 車架試驗-車架模態

車架模態滿足目標要求，車架模態試驗與仿真結果對比如圖13、表10 所示。

表10 車架模態試驗與仿真結果對比

圖13 車架模態試驗

2.4 車架臺架耐久試驗

為驗證車架關鍵性能-強度耐久性能，采用國際先進技術進行車架的臺架耐久試驗。主要驗證車架整體、縱梁和橫梁的搭接強度性能。

2.4.1 臺架試驗流程

臺架試驗流程如圖14 所示。

圖14 臺架試驗流程

2.4.2 道路載荷譜采集

為保證道路載荷采集的準確性，對關鍵零部件進行標定試驗，如表11 所示。

表11 標定零部件

采集通道設置力、位移、加速度、應變和GPS 信號共計140 個通道，如圖15 所示。

圖15 道路載荷采集車輛及信號

2.4.3 車架臺架耐久試驗

基于道路載荷開展車架臺架耐久試驗，重點驗證鋁合金車架的縱梁、橫梁及其搭接部位的耐久性能，試驗完成檢查縱梁、橫梁、各支架主要構件及其焊縫熱影響區均正常，如圖16 所示。經試驗驗證車架疲勞強度性能滿足設計要求。

圖16 車架臺架耐久試驗圖

對比檢查仿真分析關注位置均正常，如圖17、18所示。

圖17 仿真與試驗對比1

圖18 仿真與試驗對比2

3 結論

經仿真分析及試驗驗證，全鋁車架強度耐久、彎扭剛度、模態性能均滿足要求，減重約76 kg，減重比例39.4%。其中在車架臺架耐久試驗中，滿足民用車耐久性要求的前提下，進一步滿足軍車的耐久性要求。

通過此次鋁合金車架的各項性能開發中，從性能開發工作流程、仿真能力提升、鋁合金車架耐久性開發及試驗驗證等領域積累了一定的經驗。

由于全鋁車架縱梁及部分橫梁成型工藝特殊性，在仿真分析工作流程中更加關注工藝問題影響與驗證分析工作，在鋁合金構件的工藝影響方面積累了仿真分析經驗，為后續車型中鋁合金構件的拓展應用提供了技術支持和設計經驗。

在此全鋁車架的開發過程中，充分發揮了CAE仿真技術的優勢，強調CAE 技術在概念設計階段的應用，突破了原有的“結構CAD->工程CAE->試驗驗證”開發路線，打造了“前期CAE->結構CAD->工程CAE->試驗驗證”的新應用途徑。在此過程中系統應用了多學科協同（結構耐久+碰撞安全+NVH 仿真），擴寬了設計空間，有利于正向驅動CAD 設計，推動設計創新。