汽車底盤懸架關鍵部件輕量化設計分析

李巍

（北京航空航天大學寧波創新研究院，浙江 寧波 315800）

由汽車業發展現狀可知，節能減排是大勢所趨。在燃油消耗量日益增加的當下，要想搶占市場份額，從事汽車制造及相關工作的企業必然將燃油設計、輕量化設計提上日程，在確保汽車功能不被影響的前提下，通過減輕部件質量的方式，避免燃油被大量消耗。只有落實輕量化設計，才能推動汽車業朝著持續發展的方向前進，由此可見，本文所討論內容有突出的社會價值。

1 底盤懸架概述

底盤懸架是彈性連接車輪和承載系統的裝置，其作用不僅有衰減振動、傳遞載荷，還有緩和沖擊，另外，對處于行駛狀態的汽車而言，底盤懸架往往可用來調節車身位置，避免安全事故出現。

現將其核心功能概括如下：①向車架傳遞車輪受路面作用所產生應力，如支承力、制動力、驅動力和側向反力，當然，上述應力帶來的力矩同樣經由底盤懸架向車架進行傳遞，這點易被忽視；②緩沖并吸收不平路面給行駛中汽車帶來的沖擊、振動，為車載貨物的安全性提供保證，乘坐體驗也會得到一定程度優化；③確保車輪和車身的關系始終滿足動態幾何特征，具體來說，就是車輪按照特定規律跳動，車身自然可以按照預期軌跡運動。現有汽車的底盤懸架，以非獨立懸架較為常見，該懸架主要分為兩部分，由穩定桿、減振器等部件組成的前懸架以及由緩沖塊、平衡軸等部件構成的后懸架，其中，后懸架結構以平衡結構為主[1]。

2 輕量化設計探究

2.1 優化策略

要想使底盤懸梁達到輕量化設計所提出的要求，有關人員應著重考慮結構、工藝及材料的優化，以下將逐一對其進行介紹，希望能夠給人以啟發。

2.1.1 結構優化

對于底盤懸架而言，結構優化既能夠實現輕量化設計目標，又可使零件質量與成本處于平衡狀態。在計算機技術滲透到各行各業的當下，利用計算機對結構進行仿真設計和優化成為大勢所趨。隨著尺寸優化及形狀優化手段被引入，汽車業可在成本維持不變的前提下，盡量降低結構質量。經由CAE 確定材料密度分布優化方向，得出符合扭力梁主體需求的方案，通過對尺寸加以優化，掌握結構、管梁厚度的最佳參數，可使汽車質量顯著降低，這也是輕量化設計被提出的初衷。

2.1.2 工藝優化

要想使輕質材料得到廣泛運用，其前提不僅是保證產品可靠且穩定，對制造工藝進行優化也很有必要。例如，由于不同部件需要達到的承載力、功能結構要求通常有顯著差異，只有運用不同工藝，完成設計輸入的相關工作，才能避免不必要問題出現。對鋁合金部件而言，工藝優化方向可被概括為：以現有工藝為依托，同步開發零件承載力與結合方案，確保設計工藝優勢均可得到充分發揮，由此而獲得設計方案，自然可使行業要求得到最大程度滿足[2]。

2.1.3 材料優化

設計底盤懸架部件時，“出鏡率”較高的方法是運用輕質材料，該法擁有良好的發展前景，這是因為其既能為汽車運行的可靠性提供保證，還可使底盤質量減小。在合金制造技術趨于完善的當下，以鋁合金、高強度鋼為代表的諸多材料，均已被用來制造汽車，沖焊零件固有優勢通常可因此而得到充分發揮。例如，在對B 級汽車進行設計時，有關人員選擇運用鋁合金制造控制臂及副車架，汽車質量降低幅度明顯，與此同時，底盤懸架功能的實現并未受到影響。由此可見，對中端和低端汽車而言，材料優化是輕量化設計的關鍵。

2.2 設計方法

2.2.1 集成設計

要想使汽車業具備實現持續發展目標的前提條件，將產品質量提升到更高水平，前提是對設計方案加以調整，現階段，橡膠懸架、空氣懸架均已得到推廣，二者的優勢主要是以懸架承載力達到行業要求為前提，通過對質量進行大幅降低，將制造成本控制在合理范圍內。上述提到的橡膠懸架，強調用橡膠彈簧替代鋼板彈簧，通常由推力桿、均衡梁及橡膠主（副）簧組成，其優勢往往表現在三個方面，分別是無需維護、舒適性能佳、滿足輕量化要求。在落實輕量化設計的相關工作時，有關人員往往將集成設計作為首選方案，通過細化分工的方式，使部件擁有更為理想的兼容性及實用性。在傳統觀念里，兼用性并非細化分工需要考慮的部分，因此，多數汽車的底盤部件均有明顯界限，其中，界限最為分明的部件主要是前縱梁和彈簧支架，即便空間分布十分緊湊，仍然無法達到輕量化要求[3]。而引入集成設計理念，通常可使上述問題迎刃而解，有關人員以零件集成應用為切入點，通過系統優化的方式，獲得集成零件。事實證明，這樣做可使零件質量得到有效降低，輕量化設計初衷隨之實現。

2.2.2 等邊界設計

事實證明，將等邊界設計用于底盤懸架部件設計，對其質量的降低有突出效果。由底盤部件所用材料表現出的力學特征可知，以等邊界條件為前提，參考現有制造工藝，對結構進行優化，通常可使輕量化設計優勢得到充分體現。例如，控制臂適用減重方案，強調利用高強度鋼材料替代原有材料，通過比對不同車型所用控制臂的方式，確定順利通過驗證的設計方案，隨著減重設計得到落實，汽車沿用率往往有所提高。而底盤懸架質量減輕所帶來的積極影響還有降低成本和增加效益，這點應當尤為注意。

2.2.3 等應力設計

有關人員考慮到底盤懸架質量與設計效果的關系，遂決定經由等應力設計的方式，在確保底盤懸架有效性的基礎上，對其質量進行減輕，通過優化結構、科學分布材料等手段，將強度冗余維持在理想范圍內，隨著零件位置與結構得到約束，設計效果自然可以達到預期。其中，最應當引起重視的部件是控制臂、轉向節。以轉向節為例，在對其進行設計時，有關人員將鑄鋁材料作為首選，在CAE 結構的輔助下，弱化低應力區域并強化高應力區域，確保零件擁有均衡應力，而這樣做所帶來的積極影響，通常表現為：使提高效果的目標成為現實，均衡的零部件應力為質量降低提供了保證。

2.3 發展方向

2.3.1 引入計算機

在汽車業快速進步的當下，輕量化設計走入人們視野，如何科學選用輕量化材料與技術，確保汽車制造及相關工作得到順利開展，現已成為亟待解決的問題。由上述內容可知，對鋁合金、高強度鋼等新型材料加以運用，可使底盤功能得到保證，此外，汽車油耗也會隨著質量的降低而降低，這與社會倡導的節能減排理念不謀而合。

信息時代的來臨，使計算機技術呈現出迅猛的發展勢頭，對底盤懸架進行設計時，如果條件允許，有關人員可引入計算機技術，通過輔助設計優化的方式，使零件質量大幅降低，在優化制造效率的基礎上，將驗證零件需要投入的成本控制在合理范圍內，這樣做可使產品更具競爭力。由實踐經驗可知，計算機的運用方向主要有概念設計、方案設計等，具體如下：對概念設計進行拓撲優化，使部件擁有更為理想的空間布置方案及結構；以動力學為切入點，對方案進行設計并優化，確保懸架部件空間與載荷均衡；比對并優化結構，對設計成熟度有顯著的提升效果；在汽車進入量產前，運用計算機優化已成型工藝，通常能夠賦予產品更為理想的穩定性及工藝性[4]。

2.3.2 控制設計成本

研究表明，要想使汽車制造表現出更為理想的經濟效益，既要對底盤懸架進行輕量化設計，還應當以制造成本為依據，通過評估現有方案的方式，確保汽車兼具實用性及經濟型。簡單來說，就是全方位、多角度衡量技術成本和材料成本，確定符合實際需求的方案，通過推動輕量化發展的方式，為汽車業注入動力，使其擁有更大的影響力和競爭實力。

2.3.3 加大產品開發力度

在開發底盤懸架部件時，有關人員應將輕量化設計作為指導思想，確保該原則貫穿產品制造的各個環節，為產品功能性與安全性提供保證。除此之外，以下內容也需要加以了解：以優化開發全過程為前提，通過建立開發標準，確保懸架及其他部件始終處于均衡狀態，隨后，結合不同目標所表現出的特征，擬定切實可行的提升方案，通常可取得事半功倍的效果。

3 結論

綜上所述，對懸架關鍵部件進行輕量化設計，其效果能否達到預期，主要取決于兩個方面：設計工作是否貫穿制造及驗證始終；設計方案是否做到工藝、材料與成本的平衡。只有滿足上述要求，才能使設計目標具備達成的條件，在未來一段時間內，上述內容仍然是討論的重點，有關人員應對此引起重視。