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淺談前副車架結構設計

2022-02-14 22:46:22·  來源：上汽安全與CAE技術  
　
一、副車架結構概述汽車底盤一直是消費者購買汽車的重點關注因素，相信不少人對 “麥弗遜/雙叉臂”前懸掛、“扭力梁/多連桿”后懸掛早已耳熟能詳，對它們的優(yōu)缺
一、副車架結構概述
汽車底盤一直是消費者購買汽車的重點關注因素，相信不少人對 “麥弗遜/雙叉臂”前懸掛、“扭力梁/多連桿”后懸掛早已耳熟能詳，對它們的優(yōu)缺點也能侃侃而談。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，這都與懸掛中一個非常重要的結構——“副車架”息息相關。
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構都為散件而非總成，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，構成一個車橋總成，通過它再與汽車車身進行剛性或柔性連接。
副車架的出現使懸掛零部件能夠集成裝配和拆卸，從而實現汽車底盤的模塊化和平臺化開發(fā)。副車架可以承受發(fā)動機懸置的振動載荷和來自路面的各種沖擊，并能夠減弱路面和發(fā)動機帶來的震動和噪音，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
前副車架按照結構特點可以分為：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個連接點相連，半副車架體積小，質量輕，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口字型的框式結構，一般與車身有6個連接點，整體強度更高也更加穩(wěn)固，當受到正面沖擊時能夠控制發(fā)動機下沉軌跡，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，隨著輕量化技術的普及，鋁合金、鋼鋁混合、碳纖維等材料漸漸開始應用于前副車架。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，鋼板沖壓焊接對設計和生產工藝要求較高，由于制造方式適合大批量生產，因此在國內最為普遍；而液壓成型工藝產品一體成型，具有質量輕、剛性強、可塑性強等優(yōu)點，在國外應用較為廣泛。
三、前副車架設計要求
前副車架的設計既需要考慮零件本身的安裝和布置要求，同時還需要保證結構的性能，前副車架設計重點考慮的幾個性能包括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構，需要為動力總成、轉向機、穩(wěn)定桿等部件提供安裝界面，因此，在早期設計階段，需要根據安裝硬點來確定基本結構，并需保證與周邊零件的靜/動態(tài)間隙。

前副車架與周邊部件安裝關系
2．NVH性能
前副車架模態(tài)需要避開發(fā)動機激振頻率，以免引起共振，一般對前副車架的模態(tài)要求是橫梁彎曲模態(tài)必須大于200Hz，400Hz內的模態(tài)階數不能超過10階，不同車型定義的目標值有差異，需要根據車型定位來制定。

3．剛度性能
前副車架與車身、懸架控制臂、轉向機等安裝點的局部靜剛度和動剛度是保證整車耐久、操縱穩(wěn)定性和NVH性能的基礎指標，在前副車架結構設計中同樣不可忽視。
4．耐久性能
前副車架與車身連接點的耐久性能直接決定了汽車底盤的壽命，復雜的道路情況使前副車架時刻承受著來自路面的沖擊載荷，在循環(huán)載荷的作用下，前副車架可能會發(fā)生疲勞失效，因此需要進行嚴格的疲勞耐久仿真，并進行相應的臺架試驗和整車道路試驗，避免出現疲勞開裂問題。

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構上會設計局部凹槽來誘導變形，使碰撞壓潰更充分，從而更好的保護乘員安全。

四、前副車架優(yōu)化設計方法
1．拓撲優(yōu)化設計
在早期概念設計階段，首先需要確定前副車架的框架設計，比如整體的長寬高尺寸、加強板的個數及走向等。拓撲優(yōu)化是一種常見的優(yōu)化設計方法。根據周邊部件的包絡確定拓撲設計空間，設置相應目標和約束，通過材料的堆積程度來識別重要路徑，對薄弱區(qū)域進行針對性加強設計，對性能貢獻程度低的區(qū)域進行材料去除或厚度減薄設計，做到材料利用最大化，在結構性能提升的同時還能減輕重量。
2．多目標參數化優(yōu)化設計
概念設計階段確定拓撲結構形式后，在詳細設計階段需要對結構斷面形式、材料厚度等進行進一步的細化設計。多目標參數化優(yōu)化設計方法區(qū)別于傳統(tǒng)CAD-CAE設計思路，全參數化模型結合自動化優(yōu)化工具，在有限的設計周期內能更快速地進行方案迭代，并能解決NVH、耐久等矛盾性能的多目標優(yōu)化問題，比如對腰部弧度設計多大、內部加強支架靠左或靠右等問題進行結構尋優(yōu)設計，有效避免了設計的盲目性。
五、結語
副車架從誕生之初發(fā)展至今已經成為了各個級別汽車的標配，在汽車底盤中承擔了非常重要的角色。如今，汽車架構化、平臺化開發(fā)已成為趨勢，這也對副車架提出了平臺模塊化的設計要求，要求能實現最大程度上的零件共用；另外，隨著汽車輕量化技術的發(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）連接技術等新工藝也開始不斷應用于副車架上，而新材料和新工藝應用上的難點也正是副車架設計未來的突破方向。
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