底盘零部件刚度系统化匹配在底盘架构开发中的应用

底盘零部件刚度系统化匹配在底盘架构开发中的应用

孙继宏

郑州宇通客车股份有限公司河南省郑州市450061

摘要：实际上影响整车性能的因素包括从轮端到车身之间所有零部件的系统刚度，单一的零部件刚度设计意义不大，整体评估和优化底盘的系统刚度更重要。该文在分析底盘系统刚度特性关键指标及悬架和转向系统刚度对车辆性能影响的基础上，探讨在底盘架构开发阶段整体评估和优化底盘系统刚度的思路和方法，并以多连杆悬架为例，根据某车型硬点参数，利用ADAMS／CAR建立多连杆独立悬架模型对系统刚度进行仿真，结合DOE方法完成优化设计，提升底盘的操控性能。

关键词：汽车底盘；零部件刚度；系统刚度；刚度优化

1底盘架构开发概述

随着现代工业的进步和发展，企业为了缩短开发周期、节约资源和降低成本，把不同产品中接近的、类似的功能子系统或零部件，在某些开发阶段合并开发，建立起一种适用于不同或相似产品的开发系统—产品平台。然而，在平台理念的产生和应用使企业的资源得到最优化、效益最大化的同时，其缺点也逐渐显露出来。一些企业由于过分追求利润，通过最大限度的采用共用产品零部件的方式开发新车型，导致车型趋于雷同，使消费者的认同度下降；在同一平台上过多地推出性能类似的新车型，对自身家族车型造成冲击导致对品牌伤害的同时，零部件高度的共用对产品质量控制是一把双刃剑，一个零件或子系统的质量问题就会导致该平台众多产品需要召回。在此背景下，为了打破平台理念的局限性，将平台的概念进行深化和拓展，架构的概念开始逐步形成。所谓架构，实际上就是相同的工程解决方案和模块化制造工艺的综合。从平台概念上物理的同零件扩展到了设计过程上的同方法和制造过程的模块化，是一种更深层次的协同。换句话说，架构是从采购同零件到开发资源同方法的提升，在不得不采用不同零部件时，还是否找出共同点保持平台概念上的优点，一种平台理念的拓展。不同公司对产品平台与平台、平台与架构之间的关系划分也是有差异的。自年以来，美国通用汽车公司坚决地实施全球化架构战略将在本世纪初形成的个平台为基础优化合并成个开发架构其中其中EPSILON、DELTA和GAMM--A3大主要构涵盖了美国通用全球60%的乘用车型。架构开发的优势：架构战略给现代汽车开发提供了一条崭新的思路，在平台化战略和全新开发之间架起了一座桥梁，其优点如下。（1）按照传统的平台战略，SUV、MPV和轿车等车型由于产品的外形、布置有较大差异因而很难共平台开发，架构理念的出现避免了新平台各自为政的情况出现，使公司资源得到最合理的整合。（2）在相同架构下，衍生出不同平台所开发出的不同性能的车型给用户提供了更多的选择，以比较小的代价解决了共平台策略车型雷同，导致的用户满意度降低的问题；保护了自身家族体系的品牌优势。与平台化开发产品相比进一步降低产品的开发费用。（3）缩短了同架构车型开发周期的同时，得到验证的共同工程解决方案可以应用于该架构中任意一款车型，产品质量的保证以及售后的反馈都将系统化整合管理，大大降低了风险。

2底盘零部件的有限元建模

对底盘零部件进行有限元建模所采用的软件主要是Hypermesh。Hypermesh软件是美国Altair公司的产品，是世界领先、功能强大的CAE应用软件包，被作为一款优秀的有限元前后处理软件而被广泛运用。它的图像用户界面易于学习，特别是支持直接输入已有的三维CAD几何模型或者有限元模型，导入的模型质量和效率较高，可以明显减少重复性的建模工作，使CAE分析工程师能够投入更多的精力和时间到分析计算工作中去。

2.1前悬架几何模型及简化

该前悬架采用麦克弗逊式独立悬架。考虑到对称性，只需要分析一侧的结构即可。根据有限元分析的需要，对模型进行了适当删减。经过与上汽通用五菱公司的工程师协商，决定不对制动盘、制动钳、螺旋弹簧、螺栓等进行分析，删除它们。在用于分析的前悬架模型中包括下摆臂、转向节、减振器管、U型夹、两个橡胶套。

2.2驱动桥桥壳几何模型及简化

该驱动桥采用板簧悬架，为普通的非断开式驱动桥。非断开式驱动桥的桥壳既是主减速器、差速器、半轴等零部件的装配基体，也是承载、传力件。在该微型车行驶过程中，后桥壳承受着繁重的载荷。在设计过程中，必须考虑桥壳在动静载荷下具有足够的强度和刚度。减小汽车的簧下质量可以降低动载荷，进而提高汽车的行驶平顺性，故而减小桥壳的质量也很有必要。本文主要研究微型汽车驱动桥的桥壳，验证桥壳强度和刚度，并在其上粘贴应变片，测量实际道路行驶应变信号。根据分析需要，将齿轮、半轴等部件删除，以简化模型。后桥通过钢板弹簧安装在车身上，为了尽可能保证后桥壳中的应力分布符合实际，在后桥壳的有限元模型中保留板簧。

3底盘系统刚度评价方法

悬架系统是车架与车轮之间传力连接装置的总称，其主要作用是传递车轮与车身之间的力和力矩。底盘悬架传递路径上系统刚度主要指各结构件本体及连接点衬套的串联刚度，它直接影响整车操纵稳定性和平顺性。以某车型多连杆后悬架为例，其悬架系统的主要刚度包括上控制臂、下控制臂、前束杆控制臂本体刚度，车轮支架本体各安装点刚度，副车架本体各安装点支架刚度，3根控制臂与副车架连接处衬套刚度和控制臂与车轮支架侧连接处衬套刚度。悬架系统刚度主要由衬套类柔性件刚度及结构件刚度组成。评价过程中，可拆分成多个子系统，如控制臂子系统，1／K控制臂＝1／K本体＋1／K内衬套＋1／K外衬套。转向系统传递路径上系统刚度直接影响转向响应、转向手感等关键性能。

4底盘系统刚度仿真及试验验证方法

在架构开发阶段，可通过多体动力学仿真获取底盘系统关键考核指标；在零部件前期设计开发中，可结合有限单元法求得系统刚度并对零件进行优化设计；后期可通过弹性运动学试验台（KC试验台）进行试验验证。在多体动力学建模中对结构刚度进行简化，通常将结构件刚度与衬套刚度累积形成各子系统的刚度。建模麦弗逊前悬架时，对前桥转向节总成／减振器总成的结构刚度进行简化后累积到Topmount的径向刚度，对前／后桥摆臂、副车架的刚度进行简化后累积到handlingbush的径向刚度，并将部分结构件刚度累积至转向拉杆。

5系统刚度的应用

5.1架构开发前期设定底盘连接点衬套刚度

在项目设计开发初期，可通过控制悬架系统刚度，结合动力学仿真结果调整底盘连接点衬套刚度来优化悬架特性。下表为多连杆后桥衬套刚度定义过程中的优化设计结果，通过调整各连杆衬套刚度使悬架系统刚度最优。

5.2零部件设计中指导零件优化

例如：根据系统刚度分析结果，某悬架系统外倾刚度需增加，而根据供应商的反馈，衬套刚度已无法增加。可采取2种措施：（1）优化上摆臂结构，将双片式冲压结构优化为3片工字形截面结构，使上摆臂本体刚度从原来的17.2KN／mm提高至21.3KN／mm、重量从1.5kg减小至1.34kg。（2）优化上摆臂到副车架安装点，通过CAE分析，将安装支架厚度增加1mm，使刚度提高3KN／mm，增重0.28kg。

6结束语

适当增加关键点的刚度可提升车辆关键性能指标。该文通过对悬架结构及底盘性能试验结果的总结，开发了新的悬架系统设计方法，更新了传统的控制单个零部件刚度的设计方法，用系统的思路满足底盘刚度特性要求，使零部件成本、性能、制造可行性得到平衡。

参考文献：

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