某SUV白车身后轮罩区域优化设计

贺劲刚　徐彪　路贻莎

摘 要：白车身作为整车体系的主体框架，其力学性能也是整车力学性能的基础。减震器作为悬架系统中起到吸收、缓和路面不平带来冲击、振动的主要零件，是用户评价车辆舒适性的重要依据之一。本文结合某SUV的后悬架减震器固定结构在MTS试验、道路试验中出现的钣金、焊点开裂问题的解决，总结出可靠的后减震器固定结构所必需具备的要素，同时为后续车型设计提供了相应的设计思路。

关键词：白车身；后轮罩；后减震器；疲劳性能

中图分类号：U463.82 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）03-0008-08

Optimized Design of SUV BIW Rear Wheel Cover Area

HE Jin-gang1，XU Biao1，LU Yi-sha2

（1.DongFeng Honda Automobile CO.， LTD.， Wuhan 430056， China；

2. Wuhan University of Engineering Science， Wuhan 430200， China）

Abstract： The BIW is the main frame of the vehicle system， which mechanical properties are also the basis of the mechanical properties of the vehicle. The shock absorber is used as the main part of suspension system to absorb and mitigate the impact of uneven pavement，which is an important basis for users to evaluate the comfort of vehicles. In this paper， we fix the structure of the rear suspension shock absorber of SUV to solve the problem of sheet metal and solder joint crack in MTS test and road test， and summarize the necessary elements for the reliable structure of rear shock absorber， which provides the corresponding design ideas for the design of the subsequent models.

1 前言

随着经济的发展，汽车已走进千家万户。SUV （Sport Utility Vehicle）是运动型多功能车型，有着优异的驾乘表现和对不同路面情况良好的适应能力等优点，受到广大消费者青睐，如今消费者也越来越看重汽车的安全和品质。

本文以某SUV车型轮罩焊点开裂失效，运用CAE 仿真分析等手段完成产品优化的过程。不仅可以提前规避风险，还能在车型研发阶段有效的降低成本投入。

2 后轮罩问题现状

2.1 后轮罩区域结构概述

如图1所示，后减震器通过后减震器支座连接在后部轮罩上。

如图2所示，后减震器通过后减震器支座连接到后轮罩内板上，在后轮罩内板的上侧和内侧分别通过上下两个支撑板将后悬减震器传来的载荷传递到侧围和后地板上[1]。

2.2 后轮罩区域结构的CAE强度分析结果

2.2.1 各单一工况下车身各零件的应力状态

针对一轮试制白车身进行了表1中九个工况的强度分析。后减震器周边零件多数在工况二（误用工况，Z向加速度4个g）、工况四（向前加速1个g）、工况五（向后制动1个g）存在较大应力集中。部分零件在工况七（左转弯0.6个g）、工况八（右转弯0.6个g）也存在一些应力集中。

图3到图6列举了一轮试制白车身在各个工况下后减震器固定结构中各个零件的应力集中情况图，可以看出在焊点位置、圆角根部以及加强板支撑受力位置均存在不同程度的应力集中。

表1 各种工况下作用力的分解情况（MPa）

从表1来看，工况二（误用工况）下，减震器固定结构应力超标严重，其余四个工况也存在不同程度的应力集中[2]。

2.2.2 一轮试制车身疲劳分析结果

针对一轮试制车身状态进行了疲劳仿真分析，得到以下结果：

图7中的损伤值代表满载条件下道路试验中每一个道路循环给结构带来的损伤。经过计算，表2中列举了图7中各损伤部位出险损伤的周期数以及公里数。

从疲劳分析的结果看，只有疲劳损伤数为10-2.8和10-3.6的部位存在风险，会在道路试验中出现损伤（道路试验为2万公里），其余部位损伤已经超出了试验公里范围。

表2 各疲劳损伤部位的损伤周期数及公里数

2.3 一轮试制后轮罩区域结构试验结果

2.3.1 MTS试验结果

一轮试制车23个小时MTS试验后，轮罩局部开裂，多处焊点开裂，如图8和图9所示：

从MTS试验结果看，后轮罩焊点开裂的位置与CAE分析结果比较一致，相关位置的焊点在向后制动工况中均出现了高于材料屈服强度的应力值（见表1）。

CAE分析结果来看，侧围内部加强板与侧围内板、后轮罩上支撑件之间的焊点也存在很大风险（见图5）。

由于MTS试验出现问题时间较早，问题出现后对车身进行了临时性的加强。还有一些CAE分析中应力较高的部位例如上下支撑板，其高应力区域問题没有体现。此外，工况二（误用工况）由于存在单独的试验，所以误用工况下所有应力值严重超标的问题也没有体现。

2.3.2 试验场耐久试验

路试车辆在试验场地进行了7000公里道路试验后，轮罩上下支撑件的多处焊点均出现了焊点开裂的问题，见图10。与MTS试验类似，出现问题也较早。

2.3.3 一轮试制试验问题结论

综合一轮试制状态的CAE分析结果以及MTS、道路试验出现的问题，可以得出以下结论：

1、MTS试验场出现问题的部位基本上都是单一工况CAE分析中应力集中的位置，说明单一工况的CAE分析能够较好的模拟出结构在受力过程中的应力集中程度。

2、一轮试制的车身在后减震器固定结构位置存在较严重的应力集中，力的传递路径设置不合理[3]。

3 基于一轮试制的后轮罩区域结构改进

3.1 后轮罩区域结构改进方案以及CAE分析结果

从图2所示的断面可以看出，由减震器支座、轮罩、上支撑板、下支撑板构成的后减震器支撑结构不够连续，减震器支座传来的作用力首先通过轮罩传递到上下支撑件上。由于减震器区域轮罩料厚偏薄，上下支撑件就存在较多应力集中位置，所以在试验中出现了较多问题。

3.1.1 针对一轮试制的两个方向的优化方案

根据分析对比，轮罩下支撑板与地板连接的焊点由于受到车身在转弯中横向摆动而容易产生疲劳问题，所以在改进结构中取消此零件。

根据上述思路，设计出以下两个方案：

方案1：增加材料P210、料厚2mm的加强件，加强件置于后轮罩上部，目的是让轮罩上支撑件能够随后轮罩、地板一起协调变形，减少相关位置的应力集中，见图11。

方案2：将后轮罩切口，在切口部位增加材料P210料厚1.8mm的加强件，目的是让后减震器传递于车身上的力能更有效的传递出去，见图12。

3.1.2 方案1和方案2CAE分析结果比较

对方案1和方案2的后减震器固定结构进行了各单独工况下的CAE分析，了解两种优化结构方案的应力分布，结果如表3所示。

表3 各工况下原结构与改进方案1、2的对比

表3的应力值分布可以反映以下情况：

1、方案1由于增加了料厚2mm的轮罩加强板，降低了误用工况下的轮罩内板的应力，但左右转弯的应力反而提高，这可能与轮罩上支撑板变弱有关，此外轮罩上支撑板变弱，大幅提高了减震器支座的应力，对于上支撑板本身的应力也没有什么改善。

2、方案2在减震器局部位置增加料厚为1.8mm加强板，显著降低了减震器支座和轮罩内板的应力，而支撑板本身的应力也降低了一部分，新增的轮罩加强板的应力值，方案2也比方案1小。

计算结果表明，一輪试制后轮罩结构主要存在的问题是传力路径不够连续，传力路径本身不够合理，也证明了方案2思路的正确性，后续的优化也是在方案2思路的基础上进行[4]。

3.2 对于方案2的结构优化以及CAE分析结果

对方案2进一步探究，仔细研究了零件的应力情况，发现一轮试制中后轮罩以及侧围部分应力集中的问题依然存在，轮罩上支撑板接触的侧围内板以及侧围内部加强板存在局部的应力集中。

3.2.1 针对方案2的三种优化方案

针对侧围部分的应力集中，做了三种方案的优化。

方案2.1：将上支撑板与侧围内板接触面调整为平面，在侧围内板增加局部补强板。

方案2.2：将上支撑板与侧围内板接触面调整为平面，在侧围内板增加几字型支架。

方案2.3：将上支撑板与侧围内板接触面调整为平面，在侧围内板增加加强板，与侧围内板之间形成空腔。

针对轮罩内板的应力集中，将应力集中位置的圆角进行放缓，减少应力集中。

3.2.2 三种优化方案的CAE分析结果

针对上述三种方案，分析了工况二、工况五下的应力分布，表4列出了各零件的应力分布情况：

表4 各改进方案在工况二、五的应力分布

对比表3、表4，可以得到以下结论：

1、方案2.1中各零件应力分布比较均匀，同时焊接工艺性较好；

2、方案2.2中由于几字型支架过强，侧围内板、内部加强板应力偏大，而且焊接可行性没有方案2.1好；

3、方案2.3中增加的侧围补强板刚度不足，导致侧围内部加强板应力在方案2.2的基础上进一步增大。

综合上述分析，最终选择方案2.1作为后轮罩区域优化方案。

4 最终后轮罩区域优化方案

4.1 最终后轮罩区域结构

主要针对以下几个方面进行了优化：

1、加强轮罩本身强度，避让后减震器集中受力部位，在受力大的部位增加料厚为1.8mm的轮罩加强板，使轮罩薄板避开减震器的冲击；

2、增强轮罩上支撑板，使传力路径更加完整，消除力传递过程中存在的薄弱环节带来的应力集中；

3、优化减震器支座位置的焊点和局部结构，使减震器能够通过减震器支座均匀而稳定地向侧围内部传导。

4.2 最终后轮罩区域结构的 CAE确认结果

4.2.1 各独立工况下的CAE确认结果

表5为最终白车身后减震器固定结构的在各种工况下的确认结果，上面一行数字为相关零件在一轮试制结构中的最高应力。相比一轮试制，优化后的后减震器结构中各零件的应力在各工况下均有大幅下降。

表5 最终减震器固定结构在各工况的应力分布

对于误用工况的考核（大的单次颠簸试验）不考虑疲劳情况，需要在后期相关试验中进行验证[5]。

4.2.2 疲劳确认结果

针对最终后减震器结构，做了疲劳分析方面的验算，验算结果如图18所示。除轮罩前部与侧围内板搭接处损伤为10-3.9之外，其余部位在计算中均为无限寿命。损伤为10-3.9折合到试验场里程为39716公里。

体现了后减震器最终结构的二轮试制车进行了耐久试验，已在试验场进行了2100公里的半载试验和900公里的满载试验，然后进行了160余小时的MTS试验，减震器固定结构均未发生焊点开裂或零件撕裂等问题。

5 经验总结

根据此次SUV后轮罩区域优化设计，得出一个合格的承力结构应该具备以下条件：

1、与作用力接触的零件也就是受力起点，应该足够强，应为它起到向结构整体传力的作用；

2、整个承力结构应该有完整清晰的力传导路径；

3、结构中力的传导路径中不应该存在薄弱环节，薄弱焊点很容易造成应力集中，导致试验不合格；

4、在承力结构的末端与力传导路径接触部分，应保证一定的刚度和强度。而其末端的其他部分则应可以很好的消散、分解作用力。使作用在整体结构的载荷首先能够得到很好的支撑，其次能够得到很好的传递，直至作用在结构的应力很好的分解和消散。

参考文献：

[1]贺丽丽，张娜，史荣波，等.汽车轮罩护板选材方案探讨[J] .合肥学院学报（自然科学版），2012（2）.

[2]王伟其.新型汽车轮罩行业情景分析及工艺研究[J].上海汽车，2009（10）.

[3]冯刚. 白车身强度台架试验方法及疲劳寿命的研究[D].重庆大学，2005.

[4]周方明，王华杰，赵永昌，等.基于有限元法的底盘结构件焊接变形预测及优化[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2012，26（4）：337-340.

[5]SulaimanMS，Manurung Y H P， Haruman E， et al.Simulation and experimental study ondistortion of butt and T-joints using WELDPLANNER[J].Journal ofmechanical science and technology，2011，25（10）： 2641-2646.