汽車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)方法探討

冷鴻彬　羅森僑

摘 要：汽車(chē)底盤(pán)是汽車(chē)除發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器之外最重要的組成部分，底盤(pán)懸架結(jié)構(gòu)件主要包括控制臂、前副車(chē)架、后扭梁、后副車(chē)架等支撐車(chē)身、連接車(chē)輪的零件。汽車(chē)懸架能夠過(guò)濾和緩沖來(lái)自地面的沖擊，其結(jié)構(gòu)決定了汽車(chē)的駕駛性和舒適性，是汽車(chē)維持平穩(wěn)行駛的關(guān)鍵部分。由于汽車(chē)懸架具有承受和傳遞載荷的作用，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合理的形狀和材料，使結(jié)構(gòu)件具有足夠強(qiáng)度和耐久疲勞特性，從而保證整車(chē)的可靠性。本文對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)底盤(pán)懸架的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 平行六邊形機(jī)構(gòu) 可變形機(jī)構(gòu)

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)也有越來(lái)越多的要求，除了要求有好的操控性外，還希望汽車(chē)有好的舒適性以及高的安全性，這就對(duì)汽車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)提出了更高的要求。底盤(pán)結(jié)構(gòu)件除了需要有最基本的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度用于承受和傳遞載荷之外，還需要考慮動(dòng)力學(xué)特性、整車(chē)的NVH（噪聲與震動(dòng)）特性、車(chē)輛的碰撞特性等性能。

同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)三維建模技術(shù)（CAD）和計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化技術(shù)（CAE）等在底盤(pán)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來(lái)越深入，通過(guò)CAE仿真技術(shù)的應(yīng)用，能夠極大的縮短研發(fā)流程，減少研發(fā)時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)一步降低研發(fā)成本[1-2]。

2 底盤(pán)結(jié)構(gòu)件介紹

2.1 副車(chē)架

副車(chē)架這一名詞主要是相對(duì)全車(chē)架而來(lái)的，對(duì)于轎車(chē)而言由于汽車(chē)輕量化的要求以及高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用，現(xiàn)代的乘用車(chē)以及部分中、小型商用車(chē)多采用承載式車(chē)身從而取消了全車(chē)架，用前、后獨(dú)立的車(chē)架取代全車(chē)架（采用扭轉(zhuǎn)梁后懸的車(chē)輛沒(méi)有后副車(chē)架）。根據(jù)安裝位置的不同副車(chē)架大體上可以分為前、后副車(chē)架兩大類。

前副車(chē)架安裝在車(chē)身前下部，用于連接車(chē)身與車(chē)輛導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（控制臂），同時(shí)還提供了轉(zhuǎn)向機(jī)、橫向穩(wěn)定桿以及發(fā)動(dòng)機(jī)支撐的安裝位置。其中全框式架位于底盤(pán)前部，參與碰撞吸能，直接影響汽車(chē)的碰撞性能，如圖1（a）。半框式車(chē)架位于全框式車(chē)架后部，主要起支撐和連接作用，如圖1（b），整體安裝圖如圖1（c）所示。

后副車(chē)架安裝在車(chē)身底盤(pán)后部，用于連接車(chē)輪和車(chē)身，能夠帶來(lái)很好的懸掛連接剛度，增加車(chē)輛的操控性能，還能夠隔絕路面震動(dòng)，帶來(lái)很好的舒適性，后副車(chē)架連接情況如圖2所示。

2.2 控制臂

控制臂是懸架的重要組成部分，屬于懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，主要用于控制輪胎在跳動(dòng)過(guò)程中車(chē)輪定位角（車(chē)輪姿態(tài)）的變化，所以控制臂必須要有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和足夠的剛度用于抵御車(chē)輪受到載荷而引起的車(chē)輪定位角的變化。控制臂一端與車(chē)輪相連，一端與副車(chē)架相連，如圖3所示。

2.3 扭轉(zhuǎn)梁后橋

扭轉(zhuǎn)梁后橋是一種比較常用的半獨(dú)立懸架，是連接車(chē)架與車(chē)輪且保證汽車(chē)行駛安全的重要部件，其舒適性及操穩(wěn)性相比于獨(dú)立懸架都有所下降，但由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小、可靠性及耐用性好、成本低等優(yōu)勢(shì)，因而在許多小型汽車(chē)和緊湊型汽車(chē)后懸上仍有廣泛的應(yīng)用。其連接示意圖如圖4所示。

3 有限元仿真分析及數(shù)模優(yōu)化[3]

有限元分析是指利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)，它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件，從而得到問(wèn)題的解。有限元分析通常分為前處理（網(wǎng)格劃分、定義邊界條件）、計(jì)算（由解算器完成）以及后處理（仿真分析結(jié)果的處理）。

3.1 仿真分析結(jié)果[4]

CAE分析的輸出結(jié)果因分析對(duì)象不同而不同。一般來(lái)講CAE分析的輸出結(jié)果主要包括三大類，分別是數(shù)值（如剛度、最大應(yīng)力值）、曲線（如屈曲分析輸出載荷—位移曲線、動(dòng)剛度分析輸出剛度—頻率曲線等）以及云圖（如應(yīng)力云圖、變性能云圖、振型圖等），以下將分別介紹。

3.1.1 數(shù)值

數(shù)值結(jié)果是CAE仿真分析中最基本的結(jié)果，其主要是用來(lái)判斷零件是否滿足技術(shù)指標(biāo)的一種快速，直觀的方法。包括靜載工況下的最大應(yīng)力;疲勞工況下的零件疲勞壽命;極限工況下的最大塑性變形和永久殘余變形;零件發(fā)生屈曲的最大輸入載荷;各個(gè)硬點(diǎn)的剛度;零件的各階固有頻率等。數(shù)值結(jié)果只能用于判斷零件的設(shè)計(jì)是否滿足指標(biāo)要求，不能用于指導(dǎo)零件的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.1.2 曲線

對(duì)于某些無(wú)法直接輸出數(shù)值的仿真計(jì)算，其輸出結(jié)果為曲線。在底盤(pán)結(jié)構(gòu)件各種分析中通常用到的曲線有用于屈曲分析的載荷—位移曲線以及用于動(dòng)剛度分析的剛度—頻率曲線。圖5為載荷-位移曲線。

圖5是某后上橫臂的計(jì)算位移—載荷曲線，圖中的橫坐標(biāo)是零件加載點(diǎn)的位移，縱坐標(biāo)是加載點(diǎn)輸入的載荷。通過(guò)曲線我們可以看出當(dāng)零件輸入的載荷達(dá)到某一臨界值之后，隨著位移的增加載荷不再加大，此時(shí)零件發(fā)生屈曲，也就意味著在這一載荷水平作用下零件的變形會(huì)不斷增大，失去穩(wěn)定性。

3.1.3 云圖

無(wú)論是數(shù)值結(jié)果還是曲線結(jié)果都是用來(lái)判斷零件是否合格，對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化沒(méi)有太大作用，對(duì)于仿真分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義的主要還是云圖，在CAE仿真分析中云圖可以用來(lái)表示零件上應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變能的分布情況，通常云圖包括應(yīng)力云圖、應(yīng)變能圖、振型圖、變形圖等。圖6所示為應(yīng)力云圖。

圖6是某副車(chē)架的應(yīng)力分布云圖，通過(guò)云圖我們可以找出零件的應(yīng)力集中區(qū)域，同時(shí)可以通過(guò)設(shè)置門(mén)檻值使得大于規(guī)定應(yīng)力的區(qū)域全部以特點(diǎn)顏色顯示從而幫助設(shè)計(jì)人員迅速查找應(yīng)力集中區(qū)域。

由于疲勞強(qiáng)度、最大塑性變形等指標(biāo)的計(jì)算往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間，所以通過(guò)計(jì)算這些工況下的應(yīng)力分布可以快速地幫助設(shè)計(jì)人員解決應(yīng)力集中問(wèn)題從而提高零件的疲勞強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，此外通過(guò)改善應(yīng)力集中還能有效地提高零件的屈曲性能。

3.2 數(shù)模優(yōu)化[5]

當(dāng)初版數(shù)模設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)當(dāng)由CAE人員進(jìn)行分析計(jì)算，判斷數(shù)模各項(xiàng)性能參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)數(shù)值和曲線可以直接判斷出是否達(dá)到要求，如果不滿足要求，應(yīng)根據(jù)云圖情況，對(duì)數(shù)模整體或局部調(diào)整。調(diào)整后的數(shù)模再進(jìn)行CAE仿真計(jì)算，如此循環(huán)，直到設(shè)計(jì)數(shù)模各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求。

4 結(jié)論

本文在介紹底盤(pán)結(jié)構(gòu)件類型的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中用到的有限元分析及優(yōu)化方法，對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

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