景逸副車架輕量化改進(jìn)研究

姜美姣

景逸副車架輕量化改進(jìn)研究

姜美姣

（信陽學(xué)院理工學(xué)院/汽車教研室，河南 信陽 464000）

針對景逸SUV車型的副車架進(jìn)行輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)，以緊急制動工況對副車架進(jìn)行有限元靜力分析，發(fā)現(xiàn)副車架彎管處應(yīng)力分布最少，針對彎管進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。以扭轉(zhuǎn)變形方式進(jìn)行剛度效率分析，通過調(diào)整彎管尺寸參數(shù)，在不影響整體剛度匹配的前提下提出減重方案。相同工況的靜力分析證實(shí)，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更趨均勻。改進(jìn)后的副車架順利通過臺架試驗(yàn)及路試，成功實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)。

國產(chǎn)SUV；副車架；輕量化

2016年，國內(nèi)SUV市場銷量同比攀升52.7%，自主品牌銷量占比高達(dá)53.8%［1］。我國汽車市場已經(jīng)步入新的發(fā)展階段，汽車銷售規(guī)模升級，整車目標(biāo)消費(fèi)群體日趨年輕化，消費(fèi)者的購車需求更趨向多元化［2］。對近三年消費(fèi)者的購買動機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查，結(jié)果顯示：十萬元以下車型的目標(biāo)消費(fèi)群體，在追求性價比的同時，也會重點(diǎn)考量乘坐舒適性、燃油消耗量等方面。定價在十萬元左右的國產(chǎn)SUV車型，因其造型俊郎、功能完備，在同價位汽車市廠備受青睞［3］。

東風(fēng)風(fēng)行的景逸SUV車系，主打10萬元級城市SUV市場，自上市以來銷售情況理想。為進(jìn)一步提升車輛的整體匹配性能，節(jié)約燃油消耗量，在改款設(shè)計(jì)中進(jìn)行輕量化改進(jìn)，并以副車架為代表進(jìn)行輕量化方法研究。

1 研究背景

副車架輕量化是在保證其原有設(shè)計(jì)性能不受影響的前提下，減輕零部件結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)輕量化不僅可以降低對鋼材的需求，同時還可以減少燃油消耗量、碳排放量，也可以延長車輛和公路的使用壽命。在保障安全舒適的前提下，節(jié)約燃油消耗量的設(shè)計(jì)方案備受汽車企業(yè)的青睞，但其也是困擾著主打經(jīng)濟(jì)牌的國產(chǎn)車型的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

受設(shè)計(jì)成本限制，經(jīng)濟(jì)型SUV車型的副車架多采用針對成熟車型的反求與改進(jìn)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，但改型設(shè)計(jì)的副車架普遍存在適應(yīng)性問題，如車身重量有所增加，增加燃油消耗量。

景逸SUV車型副車架由汽車零部件供應(yīng)商研發(fā)生產(chǎn)，主機(jī)廠針對裝機(jī)整體性能進(jìn)行驗(yàn)收，設(shè)計(jì)和驗(yàn)收流程只針對性能問題進(jìn)行改善，設(shè)計(jì)周期較長，且未進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。配套企業(yè)研發(fā)投入有限，使該車型的副車架整體結(jié)構(gòu)相對保守，存在一定的輕量化空間。

2 研究目的

聯(lián)系企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際，采用有限元法與電測試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對副車架各工況的受力狀況進(jìn)行全面分析和總結(jié)，并結(jié)合理論，為汽車零部件廠商提供一套低成本、可行的輕量化設(shè)計(jì)方案。

3 研究內(nèi)容

3.1 立副車架的有限元模型

根據(jù)生產(chǎn)單位提供的CAD數(shù)據(jù)，使用CAE分析軟件HyperWorks抽取模型中面，使用四邊形面網(wǎng)格建立副車架的有限元模型（見圖1）。在初步建立副車架有限元分析模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用DH316應(yīng)力應(yīng)變分析系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變測試，借以驗(yàn)證有限元分析使用的數(shù)據(jù)模型，根據(jù)實(shí)際偏差修正并最終確定仿真模型。

圖1 副車架CAD模型

3.2 定危險工況

對副車架進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，副車架的受力形式主要包括以下12種［4］：①向前制動工況；②向后制動工況；③向前緊急制動工況；④向后緊急制動工況；⑤過雙側(cè)凸包工況；⑥過單側(cè)凸包工況；⑦過深坑工況；⑧極限轉(zhuǎn)向工況；⑨極限轉(zhuǎn)向制動工況；⑩極限轉(zhuǎn)向驅(qū)動工況；?向前驅(qū)動工況；?扭曲工況。

比對副車架在各個工況下的受力狀況，得出工況③向前緊急制動為最惡劣的工況［5］。計(jì)算此工況下各關(guān)鍵部位的應(yīng)力、應(yīng)變及位移參量。

由緊急制動工況的靜力分析結(jié)果可知：副車架在制動工況下應(yīng)力分布不均勻，受力部件集中在兩側(cè)聯(lián)結(jié)區(qū)域，頂部彎管處的應(yīng)力分布較少，這證明彎管處存在質(zhì)量冗余（見圖2）。

圖2 緊急制動工況應(yīng)力分布

3.3 量化改進(jìn)設(shè)計(jì)

副車架的彎管在制動工況下主要承受扭矩作用，由于彎管結(jié)構(gòu)剛度冗余較大，可在此處進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，以實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)?？紤]到輕量化應(yīng)以保持結(jié)構(gòu)剛度為前提，以兩端固支的薄壁圓筒為彎管的扭轉(zhuǎn)模型進(jìn)行剛度分析。

采用剛度質(zhì)量系數(shù)SME作為評價扭轉(zhuǎn)剛度的標(biāo)準(zhǔn)［6］，其表達(dá)式為：

式（1）中，k為結(jié)構(gòu)的等效剛度：m為結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

SME值越高，結(jié)構(gòu)的剛度特性也就越好。

圖3 固支梁扭轉(zhuǎn)模型

設(shè)一長度為L的兩端固支梁如圖3所示，在距左端lT處受一扭矩T作用。其受力點(diǎn)處的等效靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度的表達(dá)式為：

圓筒薄壁截面的參數(shù)如圖4所示。

圖4 薄壁圓筒截面

圓筒截面的慣性矩為：

將式（3）代入剛度式（2）得出：

式（5）中，ρ為材料密度。

代入式（1）則

由上述論證可得到如下結(jié)論：對于長度一定的圓柱桶形扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，增大圓筒的截面直徑可明顯提高扭轉(zhuǎn)剛度質(zhì)量效率；增大壁厚則無效［7］。

彎管的厚度對副車架的扭轉(zhuǎn)剛度影響較小，采取減小彎管壁厚的方式進(jìn)行輕量化改進(jìn)，同時增大彎管外直徑尺寸，以匹配整體剛度。通過多次仿真分析，得到最適宜的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。改進(jìn)后的副車架及其緊急制動工況應(yīng)力如圖5和圖6所示。

圖5 改進(jìn)后的副車架

圖6 緊急制動工況應(yīng)力云圖

改進(jìn)后的副車架在緊急制動工況下應(yīng)力分布情況得到明顯改善?？梢姡倪M(jìn)方案的剛度匹配性更佳，且改進(jìn)后的副車架實(shí)現(xiàn)減重1.2kg。

4 結(jié)論

景逸副車架主要應(yīng)用在國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型SUV車型上，此類車型所占市場份額巨大，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)將帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益和多方面的附加回報［8］。景逸副車架輕量化改進(jìn)，不僅降低了車身自重、降低了耗油量，也減少了碳排放量和其他有害氣體排放量，有利于環(huán)境保護(hù)。此外，其在替代進(jìn)口產(chǎn)品、節(jié)約資金、增加社會、推動我國行業(yè)技術(shù)進(jìn)步等方面，都將會產(chǎn)生巨大的社會效益。

采用有限元分析為主、結(jié)合電測試驗(yàn)的方式進(jìn)行仿真模型修正，為輕量化設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)；對副車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，形成一套可行的副車架輕量化方法體系；堅(jiān)持汽車生產(chǎn)成本降低或不被提高的原則，確保產(chǎn)品的競爭力。

［1］田浩彬，林建平，劉瑞同，等.汽車車身輕量化及其相關(guān)成形技術(shù)綜述［J］.汽車工程，2005（3）：381-384.

［2］張勇.基于近似模型的汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［D］.長沙：湖南大學(xué)，2009.

［3］田應(yīng)剛，王霄鋒，馮正平，等.轎車前懸架的有限元分析［J］.清華大學(xué)學(xué)報，2001（8）：90-93.

［4］韓嘯，侯文彬，胡平.車身薄壁梁結(jié)構(gòu)剛度特性的仿真研究［J］.汽車技術(shù)，2011（12）：8-13.

［5］孫凌玉，Stephen Bian，姚迎憲.車身薄壁梁結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的理論研究［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2004（12）：1163-1167.

［6］馮美斌.汽車輕量化技術(shù)中新材料的發(fā)展及應(yīng)用［J］.汽車工程，2006（3）：213-220.

［7］張立玲，黃黎，葉子青，等.轎車副車架輕量化技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.塑性工程學(xué)報，2010（5）：71-75.

［8］羊軍，葉永亮，汪侃磊.車身輕量化系數(shù)的決定因素及其優(yōu)化［J］.汽車技術(shù)，2010（2）：28-32.

Lightweight Improvement for a Passenger Car Frame

Jiang Meijiao
（Institute of technology/Department of Vehicle,Xinyang University，Xinyang Henan 464000）

The subframe Jing Yi SUV models of lightweight improvement design,the sub frame finite ele?ment static analysis in emergency braking,found the subframe bend stress distribution at least weight reduc?tion design for elbow.The stiffness efficiency analysis is carried out by means of torsion deformation.By adjusting the elbow size parameters,the weight reduction scheme is proposed without affecting the overall stiffness matching.The static analysis of the same working condition proves that the stress distribution of the improved structure is more uniform.The improved subframe successfully passed the bench test and road test,and achieved the weight loss goal successfully.

home-made SUV ；vice frame；lightweight improvement

U463.324

A

1003-5168（2017）10-0104-03

2017-09-01

2014年河南省高等學(xué)?！皩I(yè)綜合改革試點(diǎn)”項(xiàng)目（教高［2015］.33號文，序號116）；2017年度河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目“乘用車副車架輕量化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”（17B460009）；信陽學(xué)院2016年校級科研項(xiàng)目“景逸SUV車型副車架輕量化改進(jìn)研究”（2016yb07）。

姜美姣（1986-）女，碩士，助教，研究方向：車輛零部件輕量化設(shè)計(jì)。