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浅谈前副车架结构设计

2022-02-14 22:46:22·  来源：上汽安全与CAE技术  
　
一、副车架结构概述汽车底盘一直是消费者购买汽车的重点关注因素，相信不少人对 “麦弗逊/双叉臂”前悬挂、“扭力梁/多连杆”后悬挂早已耳熟能详，对它们的优缺
一、副车架结构概述
汽车底盘一直是消费者购买汽车的重点关注因素，相信不少人对 “麦弗逊/双叉臂”前悬挂、“扭力梁/多连杆”后悬挂早已耳熟能详，对它们的优缺点也能侃侃而谈。不同的汽车悬挂带给人的驾驶感截然不同，您的座驾是如奔腾的野马驾驶感十足，还是在颠簸起伏的路面上如履平地，这都与悬挂中一个非常重要的结构——“副车架”息息相关。
副车架诞生以前，传统承载式车身前后车桥的悬挂摇臂机构都为散件而非总成，悬挂直接与车身相连。在副车架诞生以后，前后悬挂可以先组装在副车架上，构成一个车桥总成，通过它再与汽车车身进行刚性或柔性连接。
副车架的出现使悬挂零部件能够集成装配和拆卸，从而实现汽车底盘的模块化和平台化开发。副车架可以承受发动机悬置的振动载荷和来自路面的各种冲击，并能够减弱路面和发动机带来的震动和噪音，保证行驶舒适性和稳定性。除此之外，副车架能提高汽车悬挂系统的连接刚度，装有副车架的汽车能够明显感觉到底盘更扎实紧凑。由此可见，看似不起眼的副车架可发挥了不小的作用。

二、前副车架分类
前副车架按照结构特点可以分为：半框式副车架和全框式副车架。半框式副车架形似元宝，又被称为“元宝梁”，一般与车身通过4个连接点相连，半副车架体积小，质量轻，成本比较低，在普通家用轿车中较为常见；全框式副车架由四段封闭梁焊接成一个口字型的框式结构，一般与车身有6个连接点，整体强度更高也更加稳固，当受到正面冲击时能够控制发动机下沉轨迹，并吸收部分碰撞能量，提高汽车的安全性。全框式副车架制作成本较高，工艺更为复杂，一般是豪华车型的配置。
前副车架较常用的材料有SAPH370/SAPH440、QSTE340/QSTE 340420等钢材，随着轻量化技术的普及，铝合金、钢铝混合、碳纤维等材料渐渐开始应用于前副车架。前副车架加工工艺通常有以下几种：冲压焊接、液压成型、铝合金铸造等，钢板冲压焊接对设计和生产工艺要求较高，由于制造方式适合大批量生产，因此在国内最为普遍；而液压成型工艺产品一体成型，具有质量轻、刚性强、可塑性强等优点，在国外应用较为广泛。
三、前副车架设计要求
前副车架的设计既需要考虑零件本身的安装和布置要求，同时还需要保证结构的性能，前副车架设计重点考虑的几个性能包括NVH性能、刚度性能、耐久性能及安全性能等。
1．安装和布置要求
前副车架作为连接底盘悬挂和车身的结构，需要为动力总成、转向机、稳定杆等部件提供安装界面，因此，在早期设计阶段，需要根据安装硬点来确定基本结构，并需保证与周边零件的静/动态间隙。

前副车架与周边部件安装关系
2．NVH性能
前副车架模态需要避开发动机激振频率，以免引起共振，一般对前副车架的模态要求是横梁弯曲模态必须大于200Hz，400Hz内的模态阶数不能超过10阶，不同车型定义的目标值有差异，需要根据车型定位来制定。

3．刚度性能
前副车架与车身、悬架控制臂、转向机等安装点的局部静刚度和动刚度是保证整车耐久、操纵稳定性和NVH性能的基础指标，在前副车架结构设计中同样不可忽视。
4．耐久性能
前副车架与车身连接点的耐久性能直接决定了汽车底盘的寿命，复杂的道路情况使前副车架时刻承受着来自路面的冲击载荷，在循环载荷的作用下，前副车架可能会发生疲劳失效，因此需要进行严格的疲劳耐久仿真，并进行相应的台架试验和整车道路试验，避免出现疲劳开裂问题。

5．碰撞安全性能
汽车前舱正面碰撞路径主要有三条：1）上路径：前防撞梁-前纵梁-纵梁延伸梁；2）中路径：shotgun-A柱上边梁；3）下路径：前副车架-纵梁延伸梁-中央通道，全框式副车架为正面碰撞多提供了一条传力路径，在车辆发生正面碰撞时能吸收部分能量，使碰撞力分散更均匀。某些前副车架的纵臂结构上会设计局部凹槽来诱导变形，使碰撞压溃更充分，从而更好的保护乘员安全。

四、前副车架优化设计方法
1．拓扑优化设计
在早期概念设计阶段，首先需要确定前副车架的框架设计，比如整体的长宽高尺寸、加强板的个数及走向等。拓扑优化是一种常见的优化设计方法。根据周边部件的包络确定拓扑设计空间，设置相应目标和约束，通过材料的堆积程度来识别重要路径，对薄弱区域进行针对性加强设计，对性能贡献程度低的区域进行材料去除或厚度减薄设计，做到材料利用最大化，在结构性能提升的同时还能减轻重量。
2．多目标参数化优化设计
概念设计阶段确定拓扑结构形式后，在详细设计阶段需要对结构断面形式、材料厚度等进行进一步的细化设计。多目标参数化优化设计方法区别于传统CAD-CAE设计思路，全参数化模型结合自动化优化工具，在有限的设计周期内能更快速地进行方案迭代，并能解决NVH、耐久等矛盾性能的多目标优化问题，比如对腰部弧度设计多大、内部加强支架靠左或靠右等问题进行结构寻优设计，有效避免了设计的盲目性。
五、结语
副车架从诞生之初发展至今已经成为了各个级别汽车的标配，在汽车底盘中承担了非常重要的角色。如今，汽车架构化、平台化开发已成为趋势，这也对副车架提出了平台模块化的设计要求，要求能实现最大程度上的零件共用；另外，随着汽车轻量化技术的发展，铝/钛合金、钢铝混合、碳纤维等新材料，铝合金低压铸造（VRC/PRC）、钢铝混合搅拌摩擦焊接（FSW）连接技术等新工艺也开始不断应用于副车架上，而新材料和新工艺应用上的难点也正是副车架设计未来的突破方向。
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