景逸副车架轻量化改进研究

姜美姣

景逸副车架轻量化改进研究

姜美姣

（信阳学院理工学院/汽车教研室，河南 信阳 464000）

针对景逸SUV车型的副车架进行轻量化改进设计，以紧急制动工况对副车架进行有限元静力分析，发现副车架弯管处应力分布最少，针对弯管进行减重设计。以扭转变形方式进行刚度效率分析，通过调整弯管尺寸参数，在不影响整体刚度匹配的前提下提出减重方案。相同工况的静力分析证实，改进后结构的应力分布更趋均匀。改进后的副车架顺利通过台架试验及路试，成功实现减重目标。

国产SUV；副车架；轻量化

2016年，国内SUV市场销量同比攀升52.7%，自主品牌销量占比高达53.8%［1］。我国汽车市场已经步入新的发展阶段，汽车销售规模升级，整车目标消费群体日趋年轻化，消费者的购车需求更趋向多元化［2］。对近三年消费者的购买动机进行统计调查，结果显示：十万元以下车型的目标消费群体，在追求性价比的同时，也会重点考量乘坐舒适性、燃油消耗量等方面。定价在十万元左右的国产SUV车型，因其造型俊郎、功能完备，在同价位汽车市厂备受青睐［3］。

东风风行的景逸SUV车系，主打10万元级城市SUV市场，自上市以来销售情况理想。为进一步提升车辆的整体匹配性能，节约燃油消耗量，在改款设计中进行轻量化改进，并以副车架为代表进行轻量化方法研究。

1 研究背景

副车架轻量化是在保证其原有设计性能不受影响的前提下，减轻零部件结构的质量。实现轻量化不仅可以降低对钢材的需求，同时还可以减少燃油消耗量、碳排放量，也可以延长车辆和公路的使用寿命。在保障安全舒适的前提下，节约燃油消耗量的设计方案备受汽车企业的青睐，但其也是困扰着主打经济牌的国产车型的一项技术指标。

受设计成本限制，经济型SUV车型的副车架多采用针对成熟车型的反求与改进方式进行设计，但改型设计的副车架普遍存在适应性问题，如车身重量有所增加，增加燃油消耗量。

景逸SUV车型副车架由汽车零部件供应商研发生产，主机厂针对装机整体性能进行验收，设计和验收流程只针对性能问题进行改善，设计周期较长，且未进行结构优化。配套企业研发投入有限，使该车型的副车架整体结构相对保守，存在一定的轻量化空间。

2 研究目的

联系企业的生产实际，采用有限元法与电测试验相结合的方式，对副车架各工况的受力状况进行全面分析和总结，并结合理论，为汽车零部件厂商提供一套低成本、可行的轻量化设计方案。

3 研究内容

3.1 立副车架的有限元模型

根据生产单位提供的CAD数据，使用CAE分析软件HyperWorks抽取模型中面，使用四边形面网格建立副车架的有限元模型（见图1）。在初步建立副车架有限元分析模型的基础上，运用DH316应力应变分析系统进行静态的应力应变测试，借以验证有限元分析使用的数据模型，根据实际偏差修正并最终确定仿真模型。

图1 副车架CAD模型

3.2 定危险工况

对副车架进行应力应变分析，副车架的受力形式主要包括以下12种［4］：①向前制动工况；②向后制动工况；③向前紧急制动工况；④向后紧急制动工况；⑤过双侧凸包工况；⑥过单侧凸包工况；⑦过深坑工况；⑧极限转向工况；⑨极限转向制动工况；⑩极限转向驱动工况；⑪向前驱动工况；⑫扭曲工况。

比对副车架在各个工况下的受力状况，得出工况③向前紧急制动为最恶劣的工况［5］。计算此工况下各关键部位的应力、应变及位移参量。

由紧急制动工况的静力分析结果可知：副车架在制动工况下应力分布不均匀，受力部件集中在两侧联结区域，顶部弯管处的应力分布较少，这证明弯管处存在质量冗余（见图2）。

图2 紧急制动工况应力分布

3.3 量化改进设计

副车架的弯管在制动工况下主要承受扭矩作用，由于弯管结构刚度冗余较大，可在此处进行结构修改，以实现减重目标。考虑到轻量化应以保持结构刚度为前提，以两端固支的薄壁圆筒为弯管的扭转模型进行刚度分析。

采用刚度质量系数SME作为评价扭转刚度的标准［6］，其表达式为：

式（1）中，k为结构的等效刚度：m为结构质量。

SME值越高，结构的刚度特性也就越好。

图3 固支梁扭转模型

设一长度为L的两端固支梁如图3所示，在距左端lT处受一扭矩T作用。其受力点处的等效静态扭转刚度的表达式为：

圆筒薄壁截面的参数如图4所示。

图4 薄壁圆筒截面

圆筒截面的惯性矩为：

将式（3）代入刚度式（2）得出：

式（5）中，ρ为材料密度。

代入式（1）则

由上述论证可得到如下结论：对于长度一定的圆柱桶形扭转结构，增大圆筒的截面直径可明显提高扭转刚度质量效率；增大壁厚则无效［7］。

弯管的厚度对副车架的扭转刚度影响较小，采取减小弯管壁厚的方式进行轻量化改进，同时增大弯管外直径尺寸，以匹配整体刚度。通过多次仿真分析，得到最适宜的结构改进方案。改进后的副车架及其紧急制动工况应力如图5和图6所示。

图5 改进后的副车架

图6 紧急制动工况应力云图

改进后的副车架在紧急制动工况下应力分布情况得到明显改善。可见，改进方案的刚度匹配性更佳，且改进后的副车架实现减重1.2kg。

4 结论

景逸副车架主要应用在国产经济型SUV车型上，此类车型所占市场份额巨大，实现轻量化设计将带来直接的经济效益和多方面的附加回报［8］。景逸副车架轻量化改进，不仅降低了车身自重、降低了耗油量，也减少了碳排放量和其他有害气体排放量，有利于环境保护。此外，其在替代进口产品、节约资金、增加社会、推动我国行业技术进步等方面，都将会产生巨大的社会效益。

采用有限元分析为主、结合电测试验的方式进行仿真模型修正，为轻量化设计提供了可靠依据；对副车架进行轻量化设计，形成一套可行的副车架轻量化方法体系；坚持汽车生产成本降低或不被提高的原则，确保产品的竞争力。

［1］田浩彬，林建平，刘瑞同，等.汽车车身轻量化及其相关成形技术综述［J］.汽车工程，2005（3）：381-384.

［2］张勇.基于近似模型的汽车轻量化优化设计方法［D］.长沙：湖南大学，2009.

［3］田应刚，王霄锋，冯正平，等.轿车前悬架的有限元分析［J］.清华大学学报，2001（8）：90-93.

［4］韩啸，侯文彬，胡平.车身薄壁梁结构刚度特性的仿真研究［J］.汽车技术，2011（12）：8-13.

［5］孙凌玉，Stephen Bian，姚迎宪.车身薄壁梁结构轻量化设计的理论研究［J］.北京航空航天大学学报，2004（12）：1163-1167.

［6］冯美斌.汽车轻量化技术中新材料的发展及应用［J］.汽车工程，2006（3）：213-220.

［7］张立玲，黄黎，叶子青，等.轿车副车架轻量化技术研究及应用［J］.塑性工程学报，2010（5）：71-75.

［8］羊军，叶永亮，汪侃磊.车身轻量化系数的决定因素及其优化［J］.汽车技术，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年河南省高等学校“专业综合改革试点”项目（教高［2015］.33号文，序号116）；2017年度河南省高等学校重点科研项目“乘用车副车架轻量化设计关键技术研究”（17B460009）；信阳学院2016年校级科研项目“景逸SUV车型副车架轻量化改进研究”（2016yb07）。

姜美姣（1986-）女，硕士，助教，研究方向：车辆零部件轻量化设计。