面向某純電動汽車后懸架系統的副車架耐久性開發

2025-11-17 00:00:00鄭世河

汽車電器 2025年10期

中圖分類號：U463.32 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0092-04

【Abstract】 Taking an aluminum-made rear subframe of some Battery Electrical Vehicle as the research object; Firstly，avehicle multi-bodydynamic model is built in ADAMSsoftware，theroad load database is input，andthe VPG （Virtual Proving Ground）technology isappliedtoobtaintheload spectrumof the4 whel hubs，thenthe modelisimported back to ADAMS torunarigid-flexible coupled multi-bodydynamic modelofthe subframe and suspension，soas to figure out the load spectrum ofeachnodeofthesubframe; InHyperMesh，arear subframe model is createdforstatic analysis including meshing，materialset-upand constraints amp;loads configuration etc.，andthrough Abaqus solver to calculate the strength，stiffess and model; In nCode fatigue simulation is carriedout.Through selecting the properraw material amp; its heat treatment process，optimizing the product structure，conducting the components'design for manufacturing analysis andbench validation etc.，to continuously iterate the productdesign until the achievement offatigue target.

【Key Words】rear subframe; multi-body dynamics；fatigue analysis;bench test

0 引言

隨著中國新能源汽車的蓬勃發展，純電動汽車市占率不斷提升，截至2025年4月份，新能源汽車市場滲透率達到 51.5% ；當月新能源乘用車產量為115.1萬輛，純電動汽車銷量為74.3萬輛，純電動汽車銷量占新能源汽車總銷量的 64.5%^[1] ，國內市場完成了新能源汽車和傳統燃油汽車雙軌發展。不論是電動汽車還是燃油汽車，副車架都是連接車身與懸架等系統的關鍵零部件。隨著純電動汽車電池包的引入，整車重心發生轉移，前后艙吸能潰縮工況更為惡劣，因此對副車架的疲勞耐久性能要求也越來越高。過去汽車零部件耐久分析，主要是通過道路試驗和臺架耐久試驗相結合的方式進行，但該方法開發周期較長，投入成本較高，已經無法滿足當前汽車產品開發日益激烈的競爭需求。基于CAE虛擬驗證技術的耐久分析，譬如，VPG整車虛擬試驗場仿真驗證技術，具有開發時間短、投入少、與用戶工況關聯強、整車與零部件驗證關聯性強等特點，越來越受到主流主機廠的青睞。

本文以某純電動汽車鋁制后副車架為分析對象，按照V型結構產品開發流程，從主機廠整車強度耐久試驗規范出發，通過VPG虛擬試驗場路面的仿真工況，在ADAMS系統進行多體動力學模型創建，獲取副車架各節點的虛擬載荷譜，采用虛擬仿真和試驗相結合的方法對其進行耐久分析，以提高耐久預測壽命的精準度和壓縮產品開發周期。

1耐久仿真分析理論基礎

對于絕大多數機械運動部件，疲勞破壞往往是其主要的失效模式，而疲勞破壞是一個逐漸累積的過程。基于行業內廣泛應用的線性累積損傷準則Palmgren-Miner準則，該準則認為在循環載荷作用下，疲勞損傷可線性累加，各個應力之間相互獨立而互不相關，當累加的損傷達到某一數值時，試件或構件就發生疲勞破壞。

Miner理論的基本假定如下：在每個載荷塊內，載荷必須是對稱循環，即平均應力為0；在任一給定的應力水平下，累積損傷的速度與載荷歷程無關，為一常量；加載順序不影響疲勞壽命。

根據Miner理論，在單個常幅荷載作用下，損傷D 定義為：

式中： n -常幅荷載的循環次數；一與應力水平 S 相對應的疲勞壽命。

Miner理論認為，材料在各個應力幅下的疲勞損傷是獨立的，總損傷可以線性累加。假設應力幅σ_i 作用 n_i 次，在該應力幅水平下，材料達到破壞的循環次數為 N_i ，則該部分應力循環對結構造成的疲勞損傷為 n_i/N_i ，總損傷 D 是各級應力幅的損傷之和D_i ，即有：

式中： n_i —在第 i 級應力幅值下的實際循環次數； N_i 表示在第 i 級應力幅值下達到疲勞破壞時的允許循環次數，由S-N曲線查得。

2副車架載荷譜的提取與分解

2.1車輪輪心載荷譜的獲取

采集車輪輪心載荷譜的主要目的是為副車架懸架多體模型提供輪心激勵信號，包含4個車輪輪心的載荷譜數據，每個輪心對應 X， Y、Z方向的力和繞 X， Y、Z方向的轉矩共6個通道，4個車輪共24個通道[2]。

首先，在Adams系統中建立整車多體動力學模型，如圖1所示，包括詳細的懸架系統（彈簧、減震器、桿系等）、轉向系統、傳動系統、制動系統、輪胎模型等。前懸系統采用雙叉臂結構，后懸系統采用H臂多連桿結構，輪胎模型為F-tire。

圖1整車多體動力學模型

圖5后懸架系統多體動力學模型

其次，利用標準化數字路面ISO8608譜生成隨機路面，如圖2所示，按照實際路面類型賦值摩擦系數，如瀝青路 μ=0.8～1.0 ，濕滑路面 μ=0.3～0.5 。

圖2路面數據導入示意圖

再次，聯合Adams/Car進行VPG仿真，如圖3所示。

圖3VPG仿真

最后，執行仿真并提取數據，獲得輪心載荷譜，如圖4所示。

圖4載荷信號輸出

2.2副車架懸架多體模型的建立

后懸架采用H臂多連桿結構，主要由H型下擺臂、上控制臂、前束拉桿、穩定桿、彈簧、減振器及副車架等組成。

在Adams環境中，根據部件硬點布置情況（表1），輸人各部件的質心、質量及轉動慣量等參數，并按照部件間的正確連接關系，創建后懸架系統多體動力學模型，如圖5所示。

表1硬點輸入

2.3多體動力學模型仿真求取載荷譜

基于上述建立的多體動力學模型，把左后輪、右后輪12個通道的載荷譜導人到該模型中，激勵輪心進行動力學仿真分析，提取各連桿與副車架結合部位處的載荷譜。

計算疲勞仿真分析時，要將所測量的不規則的、隨機的載荷－時間歷程轉化成一系列的循環載荷－時間歷程。通常采用雨流計數法對其進行循環計數統計。

3 副車架耐久分析與優化

副車架主要由左右壓鑄縱臂和前后鋁型材橫向布置，通過焊接形成框架。在HyperMesh軟件中設置參數并展開運算，具體如下。

分析模型中，鋁型材（6061-T6）機械性能參數為：密度 2.7g/cm³ ，楊氏模量 7e4MPa ，泊松比0.33，屈服強度 ≥240MPa ，抗拉強度 ≥260MPa ，斷后延伸率 ≥8% ；鋁鑄件（ AlSi7Mg0.3? -T6）機械性能參數為：密度 2.68g/cm³ ，楊氏模量 7e4MPa ，泊松比0.33，屈服強度 ≥210MPa ，抗拉強度 ≥280MPa ，斷后延伸率27% 。

左右壓鑄縱臂以及2個后懸置采用2階4面體單元，其他鋁擠壓型材采用殼單元。單元平均尺寸約為 3mm ，單元數量約為190萬。

分析模型包含副車架、控制臂桿系、轉向節、輪胎轉動半徑（ 330mm ）、空氣彈簧、副車架與車身的連接橡膠襯套以及控制臂的連接橡膠襯套。控制臂、轉向節及輪胎轉動半徑用剛性單元模擬。各種襯套采用6個方向非線性彈簧模擬。空氣彈簧考慮了預載，空氣彈簧采用典型的非線性位移-反力曲線特性。

加載硬點示意如圖6所示。分析中，校核驗證了7種典型強度工況，如表2所示。在不同工況中，約束車身連接橡膠襯套內芯的6個自由度，并對空氣彈簧施加預載。加載點包含3個懸置點，以及左右輪心點和左右輪胎接地點[3]。

圖6加載硬點示意圖

表2加載硬點示意

根據仿真分析結果，不斷迭代產品設計，通過選擇合適的材料、結構，找出設計薄弱環節，再補強設計或采用更強的結構優化。

4副車架臺架驗證

為了驗證上述耐久仿真結果，臺架試驗按照車輛底盤后懸架系統進行搭建，對副車架耐久仿真壽命進行試驗驗證。為了更好地模擬副車架在實車中的受力環境，H臂、外傾控制臂、束角控制臂、彈簧、減振器、限位塊以及上支撐總成采用真實零件，而其他如輪轂軸承、轉向節等部件采用工裝模擬件替代。臺架試驗采用多通道協調加載方式，按照預設的載荷譜（與仿真載荷譜一致）進行加載，試驗循環次數依據目標疲勞壽命確定。

縱向工況試驗臺架及載荷波形如圖7、圖8所示。

圖7縱向工況臺架