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淺談前副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2022-02-14 22:46:22·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
一、副車架結(jié)構(gòu)概述汽車底盤一直是消費(fèi)者購買汽車的重點(diǎn)關(guān)注因素，相信不少人對(duì) “麥弗遜/雙叉臂”前懸掛、“扭力梁/多連桿”后懸掛早已耳熟能詳，對(duì)它們的優(yōu)缺
一、副車架結(jié)構(gòu)概述
汽車底盤一直是消費(fèi)者購買汽車的重點(diǎn)關(guān)注因素，相信不少人對(duì) “麥弗遜/雙叉臂”前懸掛、“扭力梁/多連桿”后懸掛早已耳熟能詳，對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)也能侃侃而談。不同的汽車懸掛帶給人的駕駛感截然不同，您的座駕是如奔騰的野馬駕駛感十足，還是在顛簸起伏的路面上如履平地，這都與懸掛中一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)——“副車架”息息相關(guān)。
副車架誕生以前，傳統(tǒng)承載式車身前后車橋的懸掛搖臂機(jī)構(gòu)都為散件而非總成，懸掛直接與車身相連。在副車架誕生以后，前后懸掛可以先組裝在副車架上，構(gòu)成一個(gè)車橋總成，通過它再與汽車車身進(jìn)行剛性或柔性連接。
副車架的出現(xiàn)使懸掛零部件能夠集成裝配和拆卸，從而實(shí)現(xiàn)汽車底盤的模塊化和平臺(tái)化開發(fā)。副車架可以承受發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的振動(dòng)載荷和來自路面的各種沖擊，并能夠減弱路面和發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的震動(dòng)和噪音，保證行駛舒適性和穩(wěn)定性。除此之外，副車架能提高汽車懸掛系統(tǒng)的連接剛度，裝有副車架的汽車能夠明顯感覺到底盤更扎實(shí)緊湊。由此可見，看似不起眼的副車架可發(fā)揮了不小的作用。

二、前副車架分類
前副車架按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為：半框式副車架和全框式副車架。半框式副車架形似元寶，又被稱為“元寶梁”，一般與車身通過4個(gè)連接點(diǎn)相連，半副車架體積小，質(zhì)量輕，成本比較低，在普通家用轎車中較為常見；全框式副車架由四段封閉梁焊接成一個(gè)口字型的框式結(jié)構(gòu)，一般與車身有6個(gè)連接點(diǎn)，整體強(qiáng)度更高也更加穩(wěn)固，當(dāng)受到正面沖擊時(shí)能夠控制發(fā)動(dòng)機(jī)下沉軌跡，并吸收部分碰撞能量，提高汽車的安全性。全框式副車架制作成本較高，工藝更為復(fù)雜，一般是豪華車型的配置。
前副車架較常用的材料有SAPH370/SAPH440、QSTE340/QSTE 340420等鋼材，隨著輕量化技術(shù)的普及，鋁合金、鋼鋁混合、碳纖維等材料漸漸開始應(yīng)用于前副車架。前副車架加工工藝通常有以下幾種：沖壓焊接、液壓成型、鋁合金鑄造等，鋼板沖壓焊接對(duì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝要求較高，由于制造方式適合大批量生產(chǎn)，因此在國(guó)內(nèi)最為普遍；而液壓成型工藝產(chǎn)品一體成型，具有質(zhì)量輕、剛性強(qiáng)、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外應(yīng)用較為廣泛。
三、前副車架設(shè)計(jì)要求
前副車架的設(shè)計(jì)既需要考慮零件本身的安裝和布置要求，同時(shí)還需要保證結(jié)構(gòu)的性能，前副車架設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的幾個(gè)性能包括NVH性能、剛度性能、耐久性能及安全性能等。
1．安裝和布置要求
前副車架作為連接底盤懸掛和車身的結(jié)構(gòu)，需要為動(dòng)力總成、轉(zhuǎn)向機(jī)、穩(wěn)定桿等部件提供安裝界面，因此，在早期設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)安裝硬點(diǎn)來確定基本結(jié)構(gòu)，并需保證與周邊零件的靜/動(dòng)態(tài)間隙。

前副車架與周邊部件安裝關(guān)系
2．NVH性能
前副車架模態(tài)需要避開發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率，以免引起共振，一般對(duì)前副車架的模態(tài)要求是橫梁彎曲模態(tài)必須大于200Hz，400Hz內(nèi)的模態(tài)階數(shù)不能超過10階，不同車型定義的目標(biāo)值有差異，需要根據(jù)車型定位來制定。

3．剛度性能
前副車架與車身、懸架控制臂、轉(zhuǎn)向機(jī)等安裝點(diǎn)的局部靜剛度和動(dòng)剛度是保證整車耐久、操縱穩(wěn)定性和NVH性能的基礎(chǔ)指標(biāo)，在前副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中同樣不可忽視。
4．耐久性能
前副車架與車身連接點(diǎn)的耐久性能直接決定了汽車底盤的壽命，復(fù)雜的道路情況使前副車架時(shí)刻承受著來自路面的沖擊載荷，在循環(huán)載荷的作用下，前副車架可能會(huì)發(fā)生疲勞失效，因此需要進(jìn)行嚴(yán)格的疲勞耐久仿真，并進(jìn)行相應(yīng)的臺(tái)架試驗(yàn)和整車道路試驗(yàn)，避免出現(xiàn)疲勞開裂問題。

5．碰撞安全性能
汽車前艙正面碰撞路徑主要有三條：1）上路徑：前防撞梁-前縱梁-縱梁延伸梁；2）中路徑：shotgun-A柱上邊梁；3）下路徑：前副車架-縱梁延伸梁-中央通道，全框式副車架為正面碰撞多提供了一條傳力路徑，在車輛發(fā)生正面碰撞時(shí)能吸收部分能量，使碰撞力分散更均勻。某些前副車架的縱臂結(jié)構(gòu)上會(huì)設(shè)計(jì)局部凹槽來誘導(dǎo)變形，使碰撞壓潰更充分，從而更好的保護(hù)乘員安全。

四、前副車架優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
1．拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)
在早期概念設(shè)計(jì)階段，首先需要確定前副車架的框架設(shè)計(jì)，比如整體的長(zhǎng)寬高尺寸、加強(qiáng)板的個(gè)數(shù)及走向等。拓?fù)鋬?yōu)化是一種常見的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。根據(jù)周邊部件的包絡(luò)確定拓?fù)湓O(shè)計(jì)空間，設(shè)置相應(yīng)目標(biāo)和約束，通過材料的堆積程度來識(shí)別重要路徑，對(duì)薄弱區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)設(shè)計(jì)，對(duì)性能貢獻(xiàn)程度低的區(qū)域進(jìn)行材料去除或厚度減薄設(shè)計(jì)，做到材料利用最大化，在結(jié)構(gòu)性能提升的同時(shí)還能減輕重量。
2．多目標(biāo)參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)
概念設(shè)計(jì)階段確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式后，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段需要對(duì)結(jié)構(gòu)斷面形式、材料厚度等進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化設(shè)計(jì)。多目標(biāo)參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法區(qū)別于傳統(tǒng)CAD-CAE設(shè)計(jì)思路，全參數(shù)化模型結(jié)合自動(dòng)化優(yōu)化工具，在有限的設(shè)計(jì)周期內(nèi)能更快速地進(jìn)行方案迭代，并能解決NVH、耐久等矛盾性能的多目標(biāo)優(yōu)化問題，比如對(duì)腰部弧度設(shè)計(jì)多大、內(nèi)部加強(qiáng)支架靠左或靠右等問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)尋優(yōu)設(shè)計(jì)，有效避免了設(shè)計(jì)的盲目性。
五、結(jié)語
副車架從誕生之初發(fā)展至今已經(jīng)成為了各個(gè)級(jí)別汽車的標(biāo)配，在汽車底盤中承擔(dān)了非常重要的角色。如今，汽車架構(gòu)化、平臺(tái)化開發(fā)已成為趨勢(shì)，這也對(duì)副車架提出了平臺(tái)模塊化的設(shè)計(jì)要求，要求能實(shí)現(xiàn)最大程度上的零件共用；另外，隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，鋁/鈦合金、鋼鋁混合、碳纖維等新材料，鋁合金低壓鑄造（VRC/PRC）、鋼鋁混合攪拌摩擦焊接（FSW）連接技術(shù)等新工藝也開始不斷應(yīng)用于副車架上，而新材料和新工藝應(yīng)用上的難點(diǎn)也正是副車架設(shè)計(jì)未來的突破方向。
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