悬架系统轻量化方法研究

摘要：随着油耗法规的完善以及总重检查力度的加大，轻量化产品的开发力度也逐步加强。阐述了某轻型商用车轻量化的开发过程，对各平台产品悬架轻量化的设计思路、技术路线等进行了归纳总结，从结构优化、尺寸优化设计、高强度材料以及非金属材料的应用、先进工艺、先进技术等多个方面对汽车轻量化技术的实际应用及效果进行了综述。

汽车轻量化技术与材料密切相关，同时，新技术的应用以及汽车零件的结构优化设计也是实现汽车轻量化的有效途径。汽车轻量化技术不断发展，主要表现在：
a.高强度材料和轻质材料的比重不断增加,铝合金、高强度钢、塑料、复合材料及陶瓷等的应用越来越多；
b.结构优化和零部件的集成模块化设计水平不断提高，如随着计算机结构分析等技术的快速发展，可采用拓扑结构和先进结构等来达到轻量化的目的；
c.汽车轻量化程度的逐步加深促使汽车制造业在工艺方法和技术上不断创新。目前，车用高强度钢板、镁合金等新材料已在汽车上取得应用。在结构设计方面，国内已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算、分析及拓扑优化设计阶段，可更直观、更有针对性地减轻所涉及零件的质量。在新技术应用方面，商用车已逐步采用空气悬架等先进技术，以进一步减轻整车总质量。

目前，轻量化的设计方法大致可以分为轻量化材料应用、结构优化、先进制造工艺应用、先进技术应用等几部分，具体如图1所示。



结合某轻量化轻型商用车的开发过程，对各平台产品悬架系统轻量化的设计思路、技术路线等进行了归纳总结，从结构和尺寸优化设计、高强度材料和非金属材料的应用、先进工艺、先进技术、明确设计力值输入等多个方面描述轻型商用车悬架系统零部件的轻量化方法，对汽车轻量化技术的实际应用及效果进行了分析。

1 基于零件结构优化的轻量化设计

由于悬架系统作为承载部分，承载类支架相对较多，故零件结构优化是悬架系统轻量化的重要途径之一。目前，应用较多的零件结构优化包括两个方面：一是零件的边界形状确定，在充分考虑整车各系统零件布置以及生产铆接或螺接等工艺允许的条件下，尽量减小材料占用面积，降低由于临近系统零件更改导致悬架系统零件更改的风险；二是零件内部形状的确定，在充分考虑零件孔位等参数满足安装要求的前提下，通过开孔或加筋等方式优化内部结构，提高零件的强度和疲劳寿命的同时达到轻量化的目的。

1.1尺寸优化

结构尺寸优化是汽车轻量化技术中最普遍、最直接的优化方式。在满足不同工况下的刚度、强度、疲劳寿命、振动等约束条件下，通过更改悬架零部件尺寸，如铸件的壁厚、截面尺寸、孔的尺寸等参数来实现零件的轻量化。以开发车型悬架系统支架为例，在第一轮轻量化过程中，以原有材料为基础，进行尺寸优化，如图2所示。



由于此支架与车架下翼面通过铆接连接，故当整个悬架系统受力时，竖直方向上的力值通过车架承担部分力值，通过计算可以明确车架侧面两个铆钉孔已满足使用要求及可靠性要求，同时试验过程中优化前支架在完成可靠性试验后10000公里强化坏路仍未出现问题，说明强度储备过剩，在减少铆钉孔数量的基础上，将壁厚由8mm减为6mm，分析可知仍满足强度要求，且通过可靠性道路试验验证。通过尺寸优化，此支架方案降重达到38%，进而验证了尺寸优化的轻量化效果。

1.2形状优化

形状优化是指以性能及可靠性为导向，从整体或局部改变零件结构的外形，使零件受力更加均匀，材料利用更加充分，以达到轻量化目的。以轻量化支架为例，如图3 所示，从根本上改变零件的结构，从连接方式、受力状态等各个方面彻底进行优化，从而使支架材料利用率最大化。



通过对支架结构进行更改，将三孔连接优化为两孔连接，同时通过加筋处理，均匀应力分布，不考虑集成功能的前提下(此方案将连接销与支架铸成一体)，此方案降重幅度达到30%。另外，针对杆类零件可采用空心管料等代替实心结构，对于匹配横向稳定杆的悬架方案可考虑采用空心稳定杆方案，在相同受力状态与性能状态下，降重幅度在18%左右，但采用空心材料进行设计时应考虑圆角弯折部分的大小，避免造成工艺难以实现。

1.3模块化、集成化设计

设计支架类结构时可以采用集成化设计，一方面可使零件强度更高，另一方面可使模块化、集成化的零件质量大大降低。如图3所示将支架与连接销集成，减少零件数量的同时，减轻质量，降幅在40%以上。此外，对于轻型商用车钢板弹簧式悬架系统，后桥下托板与后横向稳定杆支架或后减振器支架同样可以采用集成设计，但集成设计时由于同时承担多种工况、多种方向的受力状态，尽量列表明确，避免漏项，造成强度不足。

1.4零部件间的等寿命设计

在实际设计过程中，悬架系统各零部件之间的等寿命设计并未进行充分考虑。不同零件的实际使用状态不一致，以整车报废为前提，各个零件的寿命相差很大，这在一定程度上造成了浪费。随着可靠性试验和耐久性试验数据的逐步完善，可以基于数据分析，进行等寿命设计。除了橡胶类等易损件外，调整其他各零件的安全系数接近相同的数值，从而基于零部件轻量化方法进行设计，减少材料，减轻质量。

1.5先进分析工具的应用
1 辅助分析工具应用

零件拓扑设计、有限元辅助分析等一系列零件优化分析技术可快速、直观分析零件各部分受力状态，有针对性地加强或减弱该部分材料，从而保证安全系数的要求。在整个汽车开发周期，熟练运用CAE分析方法，一方面提高零件轻量化的效果与效率，另一方面减少试验车试制的数量，可缩短开发周期，节约开发成本。

2 路谱分析的完善

明确各零部件的设计输入，将设计输入与试验工况相吻合，才能更可靠地做到零件间的等寿命设计。随着设计的逐步深入，路谱采集与各零件实际受力分析的应用也愈加广泛。在此项目的开发中，相当一部分零件设计输入采用了路谱分析数据，如横向稳定杆台架试验输入、前后减振器上下支架的受力分析（图4）等，保证了轻量化零件的可靠性验证。



2 基于新材料应用的的轻量化设计

2.1高强度材料的应用

由于目前轻型商用车悬架系统的钢板弹簧支架相当一部分采用铸造支架，此次轻量化车型钢板弹簧支架仍采用铸造支架，支架的轻量化也是悬架系统轻量化的重点之一，但与第一轮轻量化不同，支架在尺寸与结构优化的同时，将材料由QT450-10 改为QTD1050-6（等温淬火球墨铸铁材料ADI），以某支架举例（图5），同时采用多种轻量化方法，达到设计效果。此轻量化车型某平台共计14个支架采用ADI材质，各支架降重幅度如表1所示。由表1可以看出，使用高强度材料可大幅降低悬架系统支架质量，随着应用的逐步广泛，价格也会随之降低。

2.2复合材料的应用

复合材料的性能主要取决于所用纤维的性能、含量及使用状态。目前复合材料板簧中的纤维材料主要为E-玻纤、S-玻纤、玄武岩纤维及碳纤维。此轻量化项目以E-玻纤代替传统材料进行板簧轻量化设计。图6为传统材料板簧与复合材料板簧对比，复合材料板簧连接部分采用传统金属材料。




通过采用复合材料，此轻量化钢板弹簧方案降重达50%以上，刚度参数两者存在轻微差异，相差13%，后期通过模具修正可实现一致。图7为两者刚度对比。



目前复合材料汽车应用较少且有能力生产的厂家相对较少，所以也造成成本较高的现象，相对传统材料板簧成本高出约3倍左右，但随着复合材料应用的不断推广，以及传统材料钢板弹簧厂家逐步开展的复合材料板簧研究，其价格也会随之下降。

3 基于先进工艺的轻量化设计

.1高应力喷丸工艺

占悬架系统质量比重最大的钢板弹簧先进工艺开发逐渐加强，喷丸工艺对钢板弹簧寿命的影响极大，而高应力喷丸对提升钢板弹簧表面残余应力及应力场深度的效果非常明显。高应力喷丸强化工艺原理图如图8所示。以此次轻量化钢板弹簧为例，喷丸预应力由目前现生产500MPa提高至1000MPa及以上，釆用该工艺喷丸后的少片簧表面强化效果非常显著；表面残余压应力由目前的500 MPa以下提升到660～830 MPa,提升30%以上；表层残余压应力场深度由目前的0.4 mm 以下提升到0.7 mm 以上，提升70%以上；大幅增加表层残余压应力场强度，能够有效抑制表面、表层疲劳裂纹的萌生及扩展，显著提高了少片簧的疲劳寿命；少片簧台架疲劳寿命可达到45万次以上，比目前少片簧16万次疲劳寿命要求提高近3倍，大幅度提高钢板弹簧寿命。



4 基于先进技术的轻量化设计

4.1空气悬架技术

在国际商用车市场上，空气悬架的使用率非常高，国内近几年在客车市场使用空气悬架相对发展较快，而载货汽车市场还处于起步阶段。在结构设计上实现轻量化要求，空气悬架便是一种选择。载货汽车空气悬架的基本结构可以分为两大类，全空气悬架系统与复合式空气悬架系统。图9为复合式空气悬架结构示意图。



空气悬架刚度低，可以获得较低的固有频率,行驶平顺性好,同时由于空气悬架的高度可调，使得门对门的运输成为可能，从而提高了运输效率，降低运输成本。与传统钢板弹簧式悬架系统相比，空气悬架降重可达40%以上。

4.2三级减振器技术

以减振器为例，目前国内轻型商用车大部分均采用双向液压筒式减振器，且阻尼为二级变化，此次开发轻量化车型尝试开发试用三级阻尼减振器，以降低减振器高速运动下的阻尼力值，从而减小各连接件设计力值。图10为两种减振器的速度特性曲线对比。



二级减振器在曲线斜率变化以后，随着速度的增加阻尼力基本呈线性关系增加，而通过路谱采集、数据分析可知，实际工况减振器速度较高，这就造成减振器支架等零件的承受力值较大，从而加大了轻量化难度，而采用三级阻尼减振器，可以明显降低高速工作时的阻尼力值，随着设计的逐渐深入，试制件速度特性曲线状态将逐步达到理论曲线状态，为减振器连接件的设计提供了更大的轻量化空间。

5 结束语

目前，轻型商用车悬架系统轻量化是悬架系统的发展趋势，本文结合某轻量化项目，从零件结构优化、新材料应用、新工艺开发、新技术探索等方面阐述了悬架系统轻量化的方法，随着轻量化工作的持续推进，各系统的轻量化可以借鉴使用。为满足汽车本身的商品属性，受到成本、开发周期等综合因素的影响，需要权衡各轻量化方法的应用，针对项目规划做出选择；随着轻量化方案的逐步增多，不同品种、不同类型零件的轻量化效果评价方法也是未来研究的方向，这样才能更高效、更有针对性的开展轻量化设计工作。