顧華朋 楊平 許書生 馬麗春
摘要:本文針對某純電動大七座SUV后副車架采用鋁合金材質的設計需求,采用了結構設計、多體動力學分析以及結構強度分析,三者聯合的設計手段。首先利用結構設計軟件正向設計鋁合金后副車架結構,然后通過多體動力學分析軟件提取車輛特殊工況載荷,最后經結構強度分析軟件對鋁合金后副車架進行強度校核,最終評估該鋁合金后副車架結構設計滿足強度要求。本文展示新型鋁合金后副車架結構的同時,也為該類零部件提供行之有效的設計指導。
關鍵詞:鋁合金;結構設計;后副車架
中圖分類號:TP391.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-957X(2021)05-0042-02
0? 引言
鋁合金相比鋼由于具有質量輕、抗氧化、易回收的特點,被稱為汽車輕量化的理想結構材料。副車架是汽車底盤系統的關重零件,它與下車體相連,用于固定動力總成、擺臂、方向機等底盤零件,同時起到提高整車剛性,并衰減地面及動力總成的振動,提高整車舒適性的作用。副車架在使用過程中承受著制動、沖擊、轉向等各個工況的載荷,受力情況復雜,副車架的可靠性直接影響整車的行駛安全[1]。因此,在副車架設計過程中必須對其進行強度校核。本文針對某車型后副車架的設計要求,采用鋁合金型材和鑄件組合的結構形式。在工藝數據設計完成后,建立其結構強度分析模型,運用多體動力學分析提取懸架各硬點載荷信息[2],經仿真驗證,后副車架強度滿足強度設計要求。
1? 結構設計
在鋁合金副車架結構設計中,常用兩種結構形式,一種是整體鑄造類型,另一種是鋁合金型材和鑄件組合類型。這兩種結構各有其優缺點。整體鑄造結構由于可以對梁系截面進行深度設計,材料整體分布合理,重量更輕,加工工序少,尺寸精度高,但因其整體成型工藝復雜,制造成本較高。鋁合金型材和鑄件組合類型副車架,制造成本相對較低,開發周期短,但單體零件之間多采用MIG焊進行連接,存在焊接變形大的缺點。在尺寸精度得以有效控制的前提下,不失為一種經濟性較好的副車架輕量化設計方案[3]。
本文所述后副車架綜合考慮設計各項設計指標,采用鋁合金型材和鑄件組合結構。根據設計硬點輸入,結合底盤其他零件包絡及間隙要求,副車架整體呈現“#”形,縱梁承載擺臂鉸接點,同時與下車體后縱梁連接,相對位置精度要求較高,故采用鑄件縱梁結構輔以截面深度優化設計;起連接作用的橫梁,采用鋁合金型材圓管經折彎工藝制成,縱梁和橫梁經MIG焊裝配成副車架總成。經測量,副車架總成設計重量為13.9kg,輕量化效果較鋼制副車架顯著,其結構形式如圖1所示。
2? 強度分析
2.1 工況載荷提取
如圖2所示,利用多體動力學分析軟件建立后懸架動力學模型。模擬前進制動、倒車制動、濫用過坑(垂直沖擊)、轉向四種工況,各工況加速度取值大小如表1所示。經計算,以濫用過坑工況為例,后副車架各硬點處的作用力如表2所示。
2.2 分析模型建立
在結構強度分析過程中,通過對幾何模型的合理簡化來建立優化的前處理模型,鑄件由于截面多變,采用3D網格,型材截面固定,采用2D網格,采用剛性單元模擬焊接進行連接。優化后的前處理模型如圖3所示,共計包含241793個節點,86745個單元。
2.3 材料屬性定義
鋁合金后副車架材料參數設置如下:彈性模量78GPa,泊松比0.3,屈服強度266MPa,密度2700kg/m3。
3? 分析結果
后副車架最大應力分析結構如表3所示,其分析應力云圖詳見圖4至圖7。
4? 結論
本文運用多體動力學仿真分析獲得后副車架前進制動、倒車制動、濫用過坑、轉向四種工況下各硬點的載荷,并將其導入到強度分析軟件進行強度校核,仿真結果表明該鋁合金后副車架結構強度滿足設計要求。本文僅對鋁合金后副車架典型工況進行了強度仿真分析驗證,展示新型鋁合金后副車架結構的同時,為該類零部件提供行之有效的強度設計指導。
參考文獻:
[1]宛銀生.副車架及其對車輛性能的影響[J].中國城市經濟,2010(8):183.
[2]王霄鋒.汽車懸架和轉向系統設計[M].北京:清華大學出版社,2015:1-13.
[3]王祝堂,熊慧.汽車用鋁材手冊[M].長沙:中南大學出版社,2012:55-70.