轿车前副车架设计及优化Word下载.docx

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本课题的研究工作，无论在设计上还是分析上，都对汽车行业零部件现代化开发提供了参考。

关键词:

前副车架汽车轻量化镁合金有限元方法

DESIGNOFFRONTSUB-FRAMEOFROEWECAR

ABSTRACT

Automotivelightweightdesignisaninexorabletrendofthedevelopmentofmodernautoindustry.Inthispaper,magnesiumalloyisusedtodesignthefrontsub-frameofRoewecarbylightweighttechnologytoachievethebalanceofcontrolandcomfortduringthecardriving.Byanalysingthefunctionoffrontsub-frame,thedesignschemeisestablished,aswellasthe3Dmodelandthefiniteelementmodel.Strengthanalysisiscarriedouttothefrontsub-frameofmagnesiumalloyandoptimizedideaissuggestedtotheweaklinkofthestructure.

Intheprocessofresearch,first,theintentionandmethodofautomotivelightweightdesignarecomprehended.Therelatedknowledgeofthefrontsub-framehasbeenlearned,andalsothefunction,thedevelopment,thedesignrequirement,theshape,thetype,theconnectionwiththecarbodyandthematerialhavebeenconfirmed.Inthispaper,thecharacterandtheapplicationintheautomotivemanufactureofmagnesiumalloyisalsoanalyzed.Afterthat,a3Dmodeloffrontsub-frameisbuilt.

Strengththeoreticanalysisiscarriedouttothefrontsub-frame,includingloadtypeandstrengththeory.LoadcasesareconfirmedandADAMSdynamicsmodelisintroducedinordertosetthebaseoffiniteelementanalysis.

Afterlearningfiniteelementanalysistheoryandknowingtheapplicationintheautomotivemanufacture,hypermeshsoftwareisusedtosimplydisposethe3Dmodel,andalsomeshshell,addrigidjoint,loadcasessothatafiniteelementanalysismodelcanbeestablished.Thenthehypermeshoptistructfunctionisusedtogetthestressnephogram,andtheoptimizedideaisbroughtforwardtothepositionofweakstructure.

Theresultsshowedthatthedynamiccharacteristicsofdesignedfrontsub-frameofmagnesiumalloymeetthefrontsub-frameuserequirements.

KeyWord:

Frontsub-frame，Automotivelightweightdesign，

Magnesiumalloy，Finiteelementmethod

中文摘要

第一章绪论----------------------------------------------------1

1.1课题研究意义---------------------------------------1

1.2课题研究背景---------------------------------------1

1.3本课题研究的主要内容-------------------------------2

第二章前副车架总体方案设计-----------------------------------3

2.1前副车架简介---------------------------------------3

2.1.1副车架的作用---------------------------------3

2.1.2汽车前副车架的发展历史-----------------------3

2.2前副车架设计方案-----------------------------------3

2.2.1副车架功能设计要求---------------------------4

2.2.2前副车架形状---------------------------------4

2.2.3前副车架型式的选取---------------------------4

2.2.4前副车架工艺分析-----------------------------5

2.2.5前副车架与车身的连接方式---------------------5

2.2.6前副车架材料的选取---------------------------6

2.2.7前副车架主要部件-----------------------------7

2.2.8前副车架几何建模-----------------------------7

2.2.9前副车架结构特点-----------------------------8

第三章结构强度分析理论---------------------------------------9

3.1强度理论-------------------------------------------9

3.2前副车架所受载荷概述-------------------------------11

3.3前副车架计算工况选择-------------------------------11

第四章前副车架有限元分析-------------------------------------13

4.1有限元分析理论及应用-------------------------------13

4.1.1有限元分析理论-------------------------------13

4.1.2有限元分析法在汽车行业中的应用---------------13

4.2有限元分析模型建立---------------------------------14

4.2.1Hypermesh软件介绍---------------------------14

4.2.2前副车架有限元建模过程-----------------------15

4.2.3单元的选用和网格划分-------------------------16

4.2.4前副车架有限元模型---------------------------16

4.2.5设置材料特性和单元属性-----------------------16

4.2.6施加刚性连接和载荷工况-----------------------17

4.3前副车架有限元计算---------------------------------18

4.4前副车架优化设计思路-------------------------------20

第五章总结与展望---------------------------------------------21

参考文献-------------------------------------------------------22

致谢-----------------------------------------------------------23

第一章绪论

1.1课题研究意义

汽车的底盘性能无外乎舒适性、操控性两大主题，而这两大功能又是一对相互制约的矛盾。

传统悬挂系统通常只能偏向一方调校。

也就是说注重操控性的悬挂系统势必会损失一些舒适性能，而注重舒适性的悬挂势必也会影响一些操控性能。

所以在悬挂系统的设计和匹配上设计师们都尽可能的用一些复杂结构来实现舒适性和操控性的平衡。

因而一些对舒适性和操控性影响较大的装备和设计也应运而生。

副车架就是一个典型的代表。

对于承载式车身的轿车，其悬架和非悬挂质量一般先安装在一个支架上，然后将它们做成一个整体总成，通过弹性橡胶垫或螺栓与车身连接起来。

这个支架就称为轿车的副车架。

因此，本课题针对这一问题设计的前副车架能在一定程度上帮助实现平衡轿车驾驶的操控性和舒适性。

1.2课题研究背景

目前，全球汽车产量和保有量不断增加，对日益紧缺的能源和日益恶化的环境产生了巨大的压力。

为了缓解能源紧张、降低汽车有害气体的排放、提升汽车燃油经济学，各大汽车公司主要采用以下方式来解决汽车节能环保问题。

一是加快开发新能源汽车技术，通过采用混合动力技术，使用气体燃料、生物质燃料、煤基燃料、燃料电池等替代能源来减少汽车燃油消耗和对石油资源的依赖；

二是大力发展先进发动机技术，如研发和采用涡轮增压、机械增压、燃油直喷、分层燃烧等新技术来提高燃料燃烧效率，改善燃油经济性和排放性能；

三是大力发展汽车轻量化技术，在保障汽车安全性和其他基本性能的前提下，通过减轻汽车自身重量来实现节能减排[1]。

汽车轻量化的主要指导思想是：

在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。

即在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。

实验证明，约75%的油耗与整车质量有关，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；

汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；

汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%[2]。

汽车轻量化设计实际上是功能改进、质量降低、结构优化和价格合理的结合。

当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

　　目前汽车轻量化的主要途径是：

　　①汽车主流规格车型持续优化，规格主参数尺寸保留的前提下，提升整车结构强度，降低耗材用量；

　　②采用轻质材料，一类是低密度轻质材料，如铝合金、镁合金、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等；

另一类是高强度材料来降低钢板厚度，如高强度钢；

③采用计算机进行结构设计和整车优化。

如采用有限元分析、结构解析技术等，在确保汽车性能和功能的前提下,对现有材料或者新型材料的结构进行分析,寻求零部件的轻质,数量的精简和结构的整体化、合理化；

④实现制造加工工艺方面的轻量化。

如液压成形技术，热冲压成形技术、激光拼焊技术、电磁成形技术、等温精密塑性成形技术等，这些技术不仅能实现汽车轻量化，还大幅度提高了汽车安全性能、降低制造成本。

前副车架作为汽车底盘的重要部件，因此对其实施轻量化设计。

1.3本课题研究的主要内容

轿车的副车架作为支撑结构零件，一定程度上可以独立进行设计。

本课题是以Roewe轿车原始前副车架为参考，重新设计前副车架，采用镁合金作为材料，实现轻量化设计，利用三维软件CATIA建立几何模型，以有限元方法为依据，运用hypermesh软件对初始设计进行有限元分析，并提出改进意见，基本掌握汽车轻量化设计的方法和步骤。

第二章前副车架总体方案设计

2.1前副车架简介

轿车副车架可以看成是前后车桥的骨架,是前后车桥的组成部分。

副车架并非完整的车架，只是支承前后车桥、悬挂的支架，使车桥、悬挂通过它再与“正车架”相连，因此习惯上称为“副架”[5]，副车架是当前主流轿车底盘的重要组成部分。

副车架的结构形式、刚度及强度对整车耐久性、舒适性、操控性有很大影响，是衡量轿车底盘设计水平的重要依据，因此轿车的副车架结构设计和优化技术方面的研究备受关注[6]。

2.1.1副车架的作用

1）传统的没有副车架的承载式车身，其悬挂是直接与车身钢板相连的。

因此前后车桥的悬挂摇臂机构都为散件，并非总成。

由于副车架的出现，前后悬挂可以先组装在副车架上，构成一个车桥总成，然后再将这个总成一同安装到车身上，如此以来同样的悬挂总成只要稍作调整，就能实现与不同汽车的良好匹配，可安装在不同的汽车车身上，提升悬挂的通用性，降低研发和装配成本。

同时还可以使车身局部得到加强。

2）由于副车架的存在，相当于在悬架和车身之间增加了一级缓冲，有效地阻隔振动和噪声，减少其直接进入车厢，减轻车身的负荷，可以起到明显改善整车平顺性和操纵稳定性的作用。

装有前副车架的汽车驾驶起来会感觉地盘非常扎实、紧凑，提升舒适性。

2.1.2汽车前副车架的发展历史

早期，由于副车架的成本很高，所以更多地出现在豪华车身上。

现在，随着技术的进步和成本的降低，副车架已经逐步向低端车型扩展，有的紧凑级别车型也开始采用这种设计[7]。

目前，通过新材料的研究、改进设计形状已经通过一些有限元软件分析的方法，轿车副车架的技术水平越来越高，使得副车架在轿车上普及应用更广。

2.2前副车架设计方案

根据前副车架的组成和主要设计部件可得前副车架设计的一般步骤：

1）确定前副车架设计要求

2）据前副车架的主要设计部件，确定前副车架形状并列出各子部件；

3）根据总体设计方案以及实际参数初选前副车架的型式和材料；

4）采用有限元设计方法对前副车架的结构进行有限元分析；

5）根据有限元分析结果对前副车架结构进行调整并完成整体设计。

2.2.1副车架功能设计要求

副车架的结构形式首先应满足汽车总布置的要求。

当汽车在复杂多变的行驶过程中，固定在副车架上的各总成和部件之间不应发生干涉。

当汽车在崎岖不平的道路上行驶时，副车架在载荷的作用下会产生扭转变形以及在纵向平面内的弯曲变形，当一边的车轮遇到障碍物时，也可能使副车架扭曲变形。

这些变形将会改变安装在副车架上的各部件之间的相对位置而影响到其正常工作。

因此，副车架应具有足够的强度和适当的刚度。

为了减轻整车的质量，还要求副车架的质量尽可能小。

2.2.2前副车架形状——全框式独立副车架

全框式副车架有很多优点，由于其尺寸更大，可以布置更结实的悬架，支承更强力的发动机；

尺度覆盖整个发动机舱，与车身连接后能提供更好的机舱刚性；

可以使机舱的布置余度更大；

通过合理其侧边纵梁，能更好的控制发动机的下沉轨迹，同时能吸收一部分碰撞能量；

由于整个发动机底部都在其包围之中，只要将其离地间隙设计的比动力总成底，就可以有效的保护动力总成。

2.2.3前副车架型式的选取

目前轿车的前副车架主要有2种制造工艺，冲压焊接式和液压成型技术[8]。

冲压焊接式前副车架由钢或者铝经过冲压、焊接而成，对设计和生产工艺的要求很高，具有很好的操作响应性，而且传递较少的震动和噪音，但缺陷是刚度不足。

目前主要采取的办法的优化前副车架的几何形状和采用局部增粗或补焊以增强抗扭强度。

冲压成型的制造方式适合现代化的大批量生产。

液压成形技术，是一种把管状或板状材料放在密封的模具中，再把流体介质（水、油等）引入管件的内腔或板件与模具的内腔，通过增加液体的压力，使坯料在施力介质作用下，贴合凸模或凹模面在常温下变形，经过膨胀、压缩和成形三个阶段，最终成为所需零部件形状[9]。

其特性是具备优良的可延伸性，原则上适用于冷成形加工的材料均适用与管件液压成形技术，目前主要以碳钢、特殊钢、铝合金为主。

具有模具费用低、工序少、可以形成不规则形状、可保持紧密的公差配合、换模快等优点，在产品质量，生产工艺简捷性等方面比传统的冲压焊接方式优越得多，是形状复杂零件或采用强度高、成形性差材料的零件的理想成形方法。

实现汽车轻量化的一个有效方法就是开发实现轻量化的新工艺，其中管材液压成形技术作为一种新工艺成为目前研究热点之一，并逐渐在车身结构件中得到推广应用。

本课题研究的荣威汽车前副车架设计，因采用的材料为镁合金，但由于其自身材料特殊性，二次成形仍是世界性难题，因此在综合考虑性能制造可行性之后，选择采用镁合金热挤压成形前副车架，并对总体结构方案进行优化设计。

受其塑性变形能力的限制，镁合金的挤压一般为热挤压和温挤压，也就是坯料和挤压套筒等需要加热。

挤压时金属坯料在三向压应力状态下变形，因此可以充分发挥金属坯料的塑性，特别是对于塑性差的镁合金来说，挤压加工比轧制和锻造要容易得多

，而且具有以下优点：

可以细化晶粒，通过保留挤压纤维织构可以提高强度，可获得优良的表面质量以及良好的尺寸精度[10]。

2.2.4前副车架工艺分析

前副车架U型构件是一个轴线为空间曲线的空心变截面构件，截面沿轴线变化大，具有几个不同形状和尺寸的截面形状，典型截面有矩形、梯形等[11]。

如图2-1所示。

图2-1前副车架主结构典型截面图2-4前副车U形管轮廓

前副车架U型管的轴线为复杂的空间曲线,结构轮廓如图2-4所示。

传统钢材的前副车架液压成形工艺过程主要包括弯曲、预成形、胀形等主要工序。

弯曲工序是将管材弯曲到轴线与零件轴线形状相同或相近。

由于副车架零件轴线为复杂空间曲线，为了保证弯曲件精度，需要采用CNC弯曲。

弯曲工艺的关键问题是控制外侧减薄和内侧起皱。

对于形状和尺寸相差较大的复杂截面零件，很难直接通过胀形获得最终的零件，一般需要预成形工序。

通过预成形预先分配材料，以控制壁厚分布、降低成形压力，并避免终成形合模时在分模面处发生咬边形成飞边。

经过预成形，管材能顺利放入模具，闭合上模，与下模共同形成封闭的模腔，然后管件两端的柱塞冲头在液压缸的作用下压入，将管件腔密封，进行液压成形成为所设计的零件。

之后再经过冲孔和端部切割等工序，就能得到副车架U型主结构。

2.2.5前副车架与车身的连接方式

副车架与车身的连接点通常由6个悬置点组成，这样既保证其连接刚度，又有很好的震动隔绝效果：

1）以螺栓作刚性连接

刚性连接可以提高车身的整体刚度和悬架铰链点精度，使铰链点位移量减少，对操纵稳定性有利，但对于隔绝路面振动和噪声的传入不利。

2）弹性橡胶垫连接

有效隔绝路面振动和噪声的传入，有利于汽车驾驶舒适性。

2.2.6前副车架材料的选取

随着先进制造技术的发展，轻量化、节能减排、提升性能是重大课题，因此推动新材料的开发应用势在必行。

本课题研究的荣威汽车前副车架设计采用目前先进的镁合金材料。

镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。

其特点是：

密度小（1.8g/cm3左右），大约是铝的2/3，是铁的1/4。

比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，延展性和韧性好[12]。

其加工过程和力学性能有许多特点：

质量轻、刚性好、具有一定的尺寸稳定性、抗冲击、耐磨、衰减性能好及易于回收；

另外还有高的导热和导电性能、无磁性、屏蔽性好和无毒的特点。

主要合金元素有铝、锌、稀土元素、银、锂、锆、锰及镍等，合金元素常起到固溶强化、沉淀强化、微晶强化和提高耐热性作用，目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。

主要用于汽车、航空、航天、运输等工业部门，达到轻量化的目的。

镁合金铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋。

在汽车上试用或应用镁合金的实例还有离合器壳体、离合器踏板、制动踏板固定支架、仪表板骨架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速箱壳体、发动机悬置、气缸盖和气缸盖罩盖等。

与传统的锌制转向柱上支架相比，镁制件降重65%；

与传统的钢制转向轮芯相比，镁制件降重45%；

与全铝气缸盖相比，镁制件降重30%；

与传统的钢制冲压焊接结构制动踏板支架相比，整体的镁铸件降重40%，同时其刚性也得以改善。

镁合金在汽车制造上应用的优势：

1）密度小：

镁合金密度小，能够很大程度上减轻汽车自身质量。

2）比强度和比刚度高：

由于镁合金的比强度（强度与质量之比）比铝合金和铁高，因此，在不减少零部件的强度下，可减轻铝或铁的零部件的重量。

比刚度（刚度与质量之比）接近铝合金和钢。

3）抗震减噪性好：

在弹性范围内，镁合金受到冲击载荷时，吸收的能量比铝合金件大一半，所以镁合金具有良好的抗震减噪性能，使汽车行驶更加平稳、安全和舒适。

4）熔点低：

镁合金熔点比铝合金熔点低，熔化时耗能较少，凝固速度快，压铸成型性能好。

压铸件壁厚最小可达0.5mm，适应制造汽车各类压铸件。

5）抗拉强度大：

镁合金铸件抗拉强度与铝合金铸件相当，一般可达250MPA，最高可达600多Mpa。

屈服强度，延伸率与铝合金也相差不大。

6）加工尺寸精度高：

镁合金件稳定性较高，可进行高精度机械加工。

7）可回