摘要：基于副車架原鋼制件模型，將其結(jié)構(gòu)改為一體化鑄鋁結(jié)構(gòu)，并采用ZL101A替換原材料。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化，副車架質(zhì)量由16.13 kg減少至9.75 kg，減重比例達(dá)39.6%，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了一體化鑄鋁副車架有限元模型具有較高的準(zhǔn)確度，保證了輕量化，同時(shí)也滿足了性能要求。

關(guān)鍵詞：前副車架;輕量化;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;有限元分析

中圖分類號(hào)：U462收稿日期：2022-04-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.009

1前言

當(dāng)今世界，環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，為了響應(yīng)環(huán)保政策早日實(shí)現(xiàn)碳中和，汽車開(kāi)始向輕量化的方向發(fā)展。前副車架與底盤(pán)和懸架相連接，起著重要的作用，它增加了懸架系統(tǒng)的整體剛度，降低了由路面激勵(lì)帶來(lái)的振動(dòng)，并且提高了汽車行駛的穩(wěn)定性，提高了駕駛員與乘客的乘車舒適性[1-3]。但是副車架輕量化的同時(shí)，它的力學(xué)性能以及模態(tài)等各方面性能也需要得到保障，不可因過(guò)度輕量化而導(dǎo)致性能的不足。因此本文不僅對(duì)副車架輕量化進(jìn)行了研究，也驗(yàn)證了其性能是否符合要求[4-5]。

本文的研究對(duì)象是某汽車前副車架的鋼制沖壓件，主要由薄板沖壓件組成，通過(guò)焊接或螺栓將各個(gè)部件互相裝配，但其較為笨重，為達(dá)到輕量化，首先從材料方面入手，將材料替換為ZL101A，其次再?gòu)慕Y(jié)構(gòu)和加工工藝方面進(jìn)行優(yōu)化，將原本焊接件改制成一體化鑄造。

2一體化精密鑄鋁副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果僅僅簡(jiǎn)單從其材料入手，將鋼制件替換成鋁合金的話，可能對(duì)副車架剛度和強(qiáng)度性能有所影響，達(dá)不到性能要求，因此需要重新設(shè)計(jì)滿足性能要求的新結(jié)構(gòu)。除此之外，有些設(shè)計(jì)僅僅是增加材料的厚度來(lái)確保強(qiáng)度和剛度的合格，雖然這種設(shè)計(jì)最終也能滿足性能要求，但是卻造成了材料的過(guò)度浪費(fèi)，違背輕量化的設(shè)計(jì)理念。這些問(wèn)題不僅不利于環(huán)保，而且也不能完全保證其質(zhì)量。為了避免設(shè)計(jì)過(guò)程中問(wèn)題的發(fā)生，因此提出一體化精密鑄造鋁合金前副車架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短開(kāi)發(fā)周期，達(dá)到輕量化效果。

原鋼制前副車架主要由薄板沖壓件組成，通過(guò)焊接或螺栓將各個(gè)部件進(jìn)行裝配，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且笨重，為了優(yōu)化其質(zhì)量，首先從材料和結(jié)構(gòu)方面入手，用鋁合金替換鋼制件，再對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變。

2.1安裝面及安裝孔的設(shè)計(jì)

如圖1，安裝面及安裝孔的設(shè)計(jì)主要包括：與車身連接的安裝面與安裝孔、與穩(wěn)定桿托連接的安裝面與安裝孔、與轉(zhuǎn)向器連接的安裝面與安裝孔以及與懸置連接的安裝面與安裝孔。這些安裝面與安裝孔和原鋼制件保持一致。

2.2下板的設(shè)計(jì)

如圖2所示，依據(jù)設(shè)計(jì)原則，為了避免鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致工藝實(shí)施困難，鑄件應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工。把原前副車架的下板部分替換掉，通過(guò)肋板將其取代，這樣既保證了鑄造工藝的合理性，也避免了優(yōu)化后的副車架強(qiáng)度不足的問(wèn)題。

2.3上板的設(shè)計(jì)

如圖3所示，根據(jù)鑄造工藝原則，為了避免鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致工藝實(shí)施困難，鑄件應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工。取消原鋼制件的一些圓角和焊接搭邊，采用光滑過(guò)度的平面來(lái)替代，有利于鑄造工藝的成型。

2.4與車身安裝位置的設(shè)計(jì)

如圖4所示，利用鑄造工藝的優(yōu)勢(shì)，將車身安裝孔一體化設(shè)計(jì)于副車架本體上，既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，又增大了強(qiáng)度。同時(shí)，對(duì)安裝位置進(jìn)行局部加厚，利于鑄造時(shí)的定向凝固，并采用加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)來(lái)保證其強(qiáng)度性能。

3模態(tài)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)副車架的模態(tài)試驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以驗(yàn)證副車架有限元模型及其模態(tài)仿真分析的準(zhǔn)確性。如圖5所示，在該副車架上分別標(biāo)記出10個(gè)位置用于放置傳感器，并將副車架采用彈性繩懸掛靜置于空中，使其處于水平狀態(tài)。此次試驗(yàn)采用激振錘敲擊的測(cè)試方法，單點(diǎn)激勵(lì)下對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集頻響函數(shù)和相干曲線。試驗(yàn)測(cè)試副車架頻率采集最大為1000 Hz，數(shù)據(jù)采樣頻率取為2.56 KHz，分析頻率為1000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)取2 048。

如表1所示，為副車架模態(tài)仿真與試驗(yàn)對(duì)比。由表1可知，副車架的一階模態(tài)頻率誤差率為2.2%，第二階模態(tài)頻率仿真值與試驗(yàn)值的誤差率為2.8%，其誤差率均在實(shí)際工程應(yīng)用的允許范圍之內(nèi)，因此驗(yàn)證了前副車架有限元模型具有較高的準(zhǔn)確度。

4結(jié)語(yǔ)

基于前副車架鋼制件沖壓模型，然后進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，最后試制輕量化方案樣件進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

a.基于原副車架模型，將其導(dǎo)入CATIA軟件中進(jìn)行重新建模，將其設(shè)計(jì)為一體化鑄鋁模型。

b.通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了一體化鑄鋁副車架有限元模型具有較高的準(zhǔn)確度，故此次輕量化設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)先的優(yōu)化效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]姬鵬，申偉凱，武振江，基于靈敏度分析的某SUV前副車架輕量化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2017（11）：11-14.

[2]薛念文，高非，徐興，等，電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，30（2）：303-3077

[3]古銳.輕型純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)的建模仿真及測(cè)試評(píng)價(jià)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[4]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[5]陳俊男，陳吉清，蘭風(fēng)崇，基于響應(yīng)面與遺傳算法的前副車架輕量化優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2019，48（4）：73-78.

作者簡(jiǎn)介：

孫亮，男，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)槠囕p量化。