承載式皮卡后減震器安裝點(diǎn)的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張書瑋

(泛亞汽車技術(shù)中心，上海 201201)

0 引言

隨著多省份解禁皮卡進(jìn)城限制，中國皮卡車終端銷量逐步上升，長期而言皮卡銷量有望達(dá)到并維持在更高的水平，因而皮卡的開發(fā)設(shè)計(jì)也變得重要起來。而車身設(shè)計(jì)又是皮卡設(shè)計(jì)的重要組成部分，關(guān)系著車輛的操控性、穩(wěn)定性、動(dòng)力性等，還和整車的載重能力和制造成本息息相關(guān)。

近年來小型皮卡很多采用承載式車身結(jié)構(gòu)，承載式皮卡將車架的作用融入車身結(jié)構(gòu)，車身直接承受載荷又具備一定的載貨能力。這一結(jié)構(gòu)使它成為皮卡市場中一類重要的產(chǎn)品而受到關(guān)注。

承載式皮卡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，皮卡車身結(jié)構(gòu)、載荷路徑與傳統(tǒng)車型存在顯著差異，車身中后減震器安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度對整車路噪性能影響較大，不同車型路噪性能需求不同，對應(yīng)車身結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度沒有定義一個(gè)確定的數(shù)值。另外，國內(nèi)針對相關(guān)皮卡車型的安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)的正向開發(fā)研究也相對較少。

為此，文中結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，并運(yùn)用六西格瑪設(shè)計(jì)(Design for Six Sigma,DFSS)工具，定義后減震器安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度的要求數(shù)值，研究承載式皮卡后減震器安裝點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，尋找可以滿足各項(xiàng)性能的合理設(shè)計(jì)方案。

1 后減震器安裝點(diǎn)的車身結(jié)構(gòu)

圖1是承載式車身的皮卡斗結(jié)構(gòu)，皮卡斗不是獨(dú)立的結(jié)構(gòu)特征，而是和車身的地板結(jié)構(gòu)以及上車身結(jié)構(gòu)相互連接從而形成傳力路徑，起到承載作用。圖中虛線框區(qū)域即和底盤后減震器的安裝區(qū)域，底盤零件直接裝在車斗結(jié)構(gòu)上而非底盤車架結(jié)構(gòu)上，這種承載式車身結(jié)構(gòu)可以使整車的質(zhì)量減輕，實(shí)現(xiàn)車身的精益化、輕量化，而且承載式的集成還可以降低皮卡斗的底板以增加布置空間。

圖1 承載式車身皮卡斗結(jié)構(gòu)

由于承載式白車身皮卡不存在剛性車架，無法通過剛性極其強(qiáng)大的底盤大梁吸收和抵抗扭曲力，使原本底盤零件的載荷轉(zhuǎn)移到了白車身，因此，圖中虛線框區(qū)域的后減震器安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)即車身輪罩區(qū)域結(jié)構(gòu)，不僅需要與乘員艙結(jié)構(gòu)形成傳力路徑，還需要和底盤零件直接連接滿足對手件的性能要求，在受力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中受到非常大的沖擊，單個(gè)結(jié)構(gòu)的性能要求相對更高，需要特別關(guān)注結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 定義車身結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度要求

激勵(lì)點(diǎn)動(dòng)剛度(drive point dynamic stiffness,DPDS)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)抵抗外部動(dòng)態(tài)激勵(lì)的參數(shù),通過對車身關(guān)鍵點(diǎn)動(dòng)剛度分析和優(yōu)化,可以有效提高車輛噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙(noise、vibration、harshness,NVH)性能和舒適性，同樣地，皮卡車身結(jié)構(gòu)中后減震器安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度對整車路噪性能影響較大。

承載式白車身皮卡的皮卡箱整體是開口截面，如圖2(a)所示;圖2(b)則為傳統(tǒng)的閉口環(huán)形結(jié)構(gòu)形式。

圖2 皮卡和常規(guī)車型C-C向斷面示意

從皮卡和常規(guī)車型后減震器安裝點(diǎn)的白車身結(jié)構(gòu)來看:

(1)皮卡的后減震器安裝點(diǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu),在向和向剛度的實(shí)現(xiàn)上,并無特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn),對應(yīng)的動(dòng)剛度要求，可以完全達(dá)到“Carry Over”轎車的目標(biāo)值。

(2)由于皮卡車型沿向的截面是開口截面,相對常規(guī)車型,缺少開口頂部的橫向支撐,故向的支撐存在不足，容易造成白車身后減震器向動(dòng)剛度出現(xiàn)短板，所以該方向的動(dòng)剛度需要特別關(guān)注。

通過以上初步分析，經(jīng)過市場調(diào)研多輛上市車型，整理出向動(dòng)剛度，其變化曲線如圖3所示。

圖3 Y向動(dòng)剛度變化曲線

由圖3可知，從50～160 Hz來看,大部分車型的動(dòng)剛度均達(dá)到了4 kN/mm;從200～500 Hz來看,大部分車型的動(dòng)剛度均達(dá)到了7 kN/mm。而由當(dāng)前市場分析可知,滿足這一要求的車輛,均無路噪抱怨。

綜上分析，可通過具體車型大小等定義出、、3個(gè)方向在中低頻和中高頻的動(dòng)剛度要求，文中主要關(guān)注向動(dòng)剛度，定義完整要求時(shí)需另外結(jié)合必要的扭轉(zhuǎn)剛度分析、布置分析、可制造性分析以及輕量化指標(biāo)等。

3 后減震器安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 后減震器安裝點(diǎn)概念形式

針對圖4中需要加強(qiáng)的打“×”處區(qū)域，為了更好地提高鈑金的剛度貢獻(xiàn)效率，對于后減震器的結(jié)構(gòu)概念形式，可以通過車外和車內(nèi)兩個(gè)方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，即在不影響造型和布置的基礎(chǔ)上，在當(dāng)前結(jié)構(gòu)的外部增加加強(qiáng)板或者在當(dāng)前結(jié)構(gòu)的內(nèi)部增加加強(qiáng)板，內(nèi)外部增加的加強(qiáng)板還存在不同的搭接形式，最后根據(jù)零件搭接結(jié)構(gòu)提出設(shè)計(jì)方案。

圖4 后減震器安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)方案示意

如圖4所示，兩個(gè)設(shè)計(jì)概念均采用尾燈板、加強(qiáng)板、立柱內(nèi)板形成腔體，從而提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，6種搭接方式見表1。

表1 6種搭接方式

經(jīng)過初步嘗試和分析，得到設(shè)計(jì)方案見表2。并針對4組概念進(jìn)行CAE分析，結(jié)果如圖5所示。

表2 設(shè)計(jì)方案

圖5 開發(fā)概念CAE分析結(jié)果

經(jīng)過一輪CAE分析，舍棄出現(xiàn)不合格指標(biāo)的概念3，加上質(zhì)量指標(biāo)的考量，放棄相對最終的概念1,最終以概念0和概念3為基礎(chǔ)進(jìn)行兩次普氏分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 普氏分析結(jié)果

對比概念2和概念3可知，概念3結(jié)構(gòu)形式對NVH性能更有利，選擇概念3為最終方案，后續(xù)在滿足NVH性能的前提下進(jìn)行質(zhì)量優(yōu)化。考慮到中高頻200～250 Hz的性能較差，NVH性能優(yōu)化時(shí)主要考慮中高頻200～250 Hz。

3.2 后減震器安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

選定概念3()為最終方案后，如圖7所示，借助DFSS工具，以后輪罩安裝結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)，以后減震器安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度以及質(zhì)量為響應(yīng)輸出，對結(jié)構(gòu)進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖7 概念3搭接結(jié)構(gòu)示意

選擇圖1中的虛線區(qū)域?yàn)楹筝喺职惭b結(jié)構(gòu),控制因子分別為加強(qiáng)板1的料厚、加強(qiáng)板2的料厚、加強(qiáng)板3的料厚。根據(jù)開發(fā)概念階段選出的最終方案，采用滿足焊接料厚比的工藝要求選擇控制因子及其變化范圍，增加作為因子4以滿足所選擇L正交列(表2)。

表3 L9正交表

得到9次CAE試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 9次CAE試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，方案滿足動(dòng)剛度要求，得到因子效應(yīng)分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 平均值信噪比分析

針對200 Hz向動(dòng)剛度，由圖9可以看出，影響最大，次之，幾乎沒有影響。

基于該結(jié)果進(jìn)行精益化優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步取消加強(qiáng)板，選取加強(qiáng)件2的料厚和加強(qiáng)件3的料厚作為控制因子，同樣采用滿足焊接料厚比的工藝要求選擇控制因子的變化范圍，選擇L正交列(表4)。

表4 L4正交列

得到4次CAE試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 4次CAE試驗(yàn)結(jié)果

由圖10可知，在可以接受存在一個(gè)不小于0.8的淺灰色項(xiàng)狀態(tài)的前提下，考慮到其他變更或者對手件或其他系統(tǒng)的變更可能會(huì)對動(dòng)剛度產(chǎn)生影響，尤其是增大整車質(zhì)量等帶來的負(fù)面影響，因此需要保留一定的性能余量，而方案的結(jié)果處于臨界值，存在著一定風(fēng)險(xiǎn)。綜合質(zhì)量和動(dòng)剛度性能，最終選擇方案，從而得到了最優(yōu)的設(shè)計(jì)組合，避免了冗余無效的質(zhì)量。

4 方案驗(yàn)證

基于以上DFSS工具優(yōu)化得到的最優(yōu)組合，進(jìn)行數(shù)模的制作以及細(xì)部的優(yōu)化。在布置形式等確認(rèn)后，進(jìn)行可制造分析和焊接順序的優(yōu)化以及相關(guān)的人機(jī)便利性，與此同時(shí)同步進(jìn)行成型性分析，優(yōu)化零件的部分特征，并適當(dāng)?shù)卦黾訙p重孔，從而降低方案的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)整車輕量化。最終完成承載式皮卡后減震器安裝點(diǎn)處的整個(gè)后輪罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行CAE虛擬分析，動(dòng)剛度分析結(jié)果如圖11所示。由圖可知，動(dòng)剛度分析結(jié)果尤其是方向的動(dòng)剛度能夠滿足定義的要求。

圖11 動(dòng)剛度分析結(jié)果

5 結(jié)論

承載式白車身皮卡對國內(nèi)來說，是一個(gè)新興的車型分類，對于大多數(shù)主機(jī)廠和設(shè)計(jì)中心來說都很少擁有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。文中介紹了承載式皮卡設(shè)計(jì)中相對于傳統(tǒng)白車身的不同點(diǎn)，承載式皮卡后減震器安裝點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先通過市場調(diào)研和競品分析確定了關(guān)鍵工程指標(biāo)(向動(dòng)剛度)，而后通過DFSS工具對后減震器安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案篩選、方案優(yōu)化、層層遞進(jìn)最終找到滿足結(jié)構(gòu)性能要求，滿足布置要求，滿足制造需求以及低成本低質(zhì)量的車身子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。

通過文中研究，識(shí)別了承載式皮卡后輪罩區(qū)域后減震器安裝點(diǎn)相關(guān)車身零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)和料厚設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，也闡述了設(shè)計(jì)開發(fā)中的一些思路和理念，提高了鈑金的利用效率，為以后類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有效的工程設(shè)計(jì)思路和指導(dǎo)方向。

最后，文中對基于設(shè)計(jì)開發(fā)中遇到的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行梳理歸納，對于更為健全的設(shè)計(jì)方案和策略還需要更加深入地研究，也需要根據(jù)具體上市車型的問題點(diǎn)進(jìn)行有效的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與吸收。