汔车轻量化技市售辑 轻型商用车悬架系统轻量化方法研究 潘超王海艳王兴平 王海燕 （中同第一汽车股份有限公司技术中心，长春ｌ３００１ １） 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、尺寸优化设汁、高强度材料以及非金属材料的应用、先进 １ 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。 关键词：商用车悬架轻量化高强度材料复合材料 中图分类号：Ｕ４６３．３３ 文献标识码：Ａ ｌ汽车轻量化的发展现状 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： 要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代没 汁方法进行静强度计算、分析及拓扑优化设汁阶 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 ａ．高强度材料和轻质材料的比重不断增加，铝 化材料应用、结构优化、先进制造Ｔ艺应用ＩＩＩ、先进 技术应用等几部分，具体如阿１所示。 汽１ 轻撤化 主璎方法 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； 眦叫 料ｆ 《 ｃ．汽车轻量化程度的逐步加深促使汽车制造 业在 艺方法和技术上不断创新。 围圆嘲旧围圆嘲悃 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 目前，车用高强度钢板、镁合金等新材料已在 汽车上取得应Ｈｊ。在结构设计方面，国内已从主 作者简介：潘超（１９８８一），男，助理工程师，研究方向为悬架系统 设计、 汽车工艺与材料 ＡＴ＆Ｍ ２０１７年第７期 ．汔车轻星ｆ 技市苣辑 １０ ０００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８ ｍｍ 减为６ ｍｍ，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。 ２．２形状优化 术、明确没计力值输入等多个方面捕述轻型商用 乍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。 ２基于零件结构优化的轻量化设计 ｝扫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 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 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 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。 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。 ２．１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。 （ａ）优化前 （ｂ）优化后 图３优化前、后零件结构对比 通过对支架结构进行更改，将－￣；ｆＬ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１，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ｌ８％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 Ｔ艺难以实现。 （ａ）优化前 （ｂ）优化后 ２．３模块化、集成化设计 图２优化前、后零件外观形状对比 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。 南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 两个铆钥‘孑Ｌ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 ２０１７年第７期 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 汽车工艺与材料ＡＴ＆Ｍ ．汔车轻萤ｆ 技市专辑 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 后横向稳定杆支架或后减振器支架同样可以采Ｊ｝】 集成设汁，但集成设计时由于同时承担多种Ｔ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。 ２．４零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 的等寿命设汁并未进行充分考虑。不同零件的实 际使Ｊ『＿１ｊ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，从而綦于零部件轻量化方法进行设 计，减少材料，减轻质量。 ２．５先进分析工具的应用 ２．５．１辅助分析 具应刚 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 以缩短开发周期，节约开发成本。 ２．５．２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 况相吻合，才能更可靠地做到零件问的等寿 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。 ｊ －Ｌ ▲ －“Ｉ 霹 『 减振器运动分布Ｉ Ｉ一道路载荷潜 ３ ５（）０ ３ ｌＩＩ ，舅 ｌ ＿ Ｊ ｒＩｌ『 嘲 ＿ ＿ ’ ！ ０００ ． Ｉ 二 ． ３ ０（）０ －… ．．・止－ ＾ 。 ２ ５００ ＿ ２ Ｉ ９ｌ ２ ５ 一 ７ ～ ． ： 一 － － Ｉ‘ 【 ｊ ｒ一’Ｔ＿ －’＇ ｉｔ， ＾ ｒ ● 巅Ｉｊ ｑ２ｌ ；互２０ＯＯ 一： ； ＿｝ － Ｉ ５００ Ｉ Ｏｏｏ ５ｏｏ Ｏ ： ● ＿ ＿ ＿ ７ｌ ・．５ １ ７．１ １ ８９． ８ ． ． ． ．！． ０ ０．１ ０，３ ０．５ ０．８ １．０ １．１ １．２ １．３ Ｉ．４ １．５ １．６ １．７ １．８ １．９ 减振器速度／ｍ・ｓ’ 图４减振器运动分布图 ３基于新材料应用的的轻量化设计 ３．１高强度材料的应用 化方法，达到设计效果。 此轻量化车型某平台共计ｌ４个支架采用ＡＤＩ 材质，各支架降重幅度如表ｌ所示。 由表ｌ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。 ３．２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 由于【｜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 同．支架存 寸与结构优化的同时，将材料南 Ｑ Ｆ４５０—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 汽车工艺与材料ＡＴ＆Ｍ 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一玻纤、Ｓ一玻纤、玄武岩纤维及碳纤 ２０１７年第７期 ．汔车轻量世技市专辑 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 维 Ｉ。此轻量化项目以Ｅ一玻纤代替传统材料进行 板簧轻量化设计。冈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 Ｍ…ｍｍｍ ｑ 差ｌ３％，后期通过模具修正可实现一致。图７为两 …ｗⅢ 舯 属材料。 训 群１＝ｌ ＝￡１ ｔ “ ¨ 州Ｉ】 应■—ｎＨ阿门ｎ圜■ 量墨 者刚度对比。 变形／ａｍ ｒ（ａ）复合材料钢板弹簧刚度曲线 ＼ 《 ８ ６ ４ ２ ０ ８ ６ ４ ２ Ｏ 图５优化前、后方案对比 轰 Ｈ毓 辍熏化效景 ｌ ｜ （ｂ）传统材料钢板弹簧网０度曲线 圈７两种材料钢板弹簧刚度对比 目前复合材料汽车应用较少且有能力生产的 后支架一后钢板弹簧 ２．０７ 前支架一后钢板弹簧 后支架一前钢板弹簧 前支架一前钢板弹簧 支架一辅助钢板弹簧 上支架一前减振器 ２．１４ Ｏ．８４ １．７ １．８２ １．０ ３．６３ ３．７７ ２．９ ４．２３ ４２．９８ 厂家相对较少，所以也造成成本较高的现象，相对 ４３．２４ ７１．０３ ５９．８ｌ ２９．７３ 传统材料板簧成本高 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。 ２．５９ １．５２ ３４．２ｌ ４基于先进工艺的轻量化设计 ４．１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＿Ｔ （ａ）传统材料板簧 艺开发逐渐加强，喷丸ｌＴ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Ｔ艺原理图如图８所示。 以此次轻量化钢板弹簧为例，喷丸预应力南 （Ｉ ）复合材料板簧 图６两种材料钢板弹簧对比 目前现生产５００ ＭＰａ提高至１０００ ＭＰａ及以上，采 用该＿Ｔ艺喷丸后的少片簧表面强化效果非常显 汽车＂１－艺与材料ＡＴ＆Ｍ【６７ ２０１７年第７期 ．汔车轻喜化技赢专镱 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刚 级阻尼减振 著；表面残余压应力南目前的５００ ＭＰａ以下提升到 ６６０—８３０ ＭＰａ，提升３０％以上；表层残余压应力场 深度南目前的０．４ ｌｌｌｒｎ以下提升到０．７ ｍｍ以上．提 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ｌ０为两种减振器的速度 特性曲线对比。 Ｊ 升７０％以Ｉ ；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ｌ６万次疲劳 ４ ‘ 寿命要求提高近３倍．大幅度提高钢板弹簧寿命。 ３ ／ 姜ｚ 塞 ●ｎ ｌ一一 ０ ５ 打Ｈｆ／…．、 （ａ）二级减振器速度特性Ｉ“１线 － 图８高应力喷丸强化工艺原理图 ５基于先进技术的轻量化设计 ５．１空气悬架技术 ２ —１．５ ———一Ｉ —一＝Ｑ． 霎曼 ； 厂 互 。０．５ ｌ １．５ ； 速度／【Ｉ１・ｓ 在旧际商用车市场上，空气悬架的使用率非 常高，罔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 （１ ） 级减振器 沦没汁速度特性ｌＩ『Ｉ线 － ＿ 结构没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。 ．Ｚ： 一 ５ 一， 一一 巧一０ ４ ＿１ －． — ０５ ．Ｉ １． 速度，ｌ１１・ｓ （ｃ，）ｉ级减振；｝｛｝试制什速度特性曲线 图１０两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 图９转向桥复合式空气悬架示意图 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ｉ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。 宅气悬架刚度低，可以获得较低的同有频率， 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。 ５．２三级减振器技术 ６结束语 目前，轻型商用车悬架系统轻量化是悬架系 ２０１７年第７期 以减振器为例．目前国内轻型商用车大部分 汽车工艺与材料ＡＴ＆Ｍ 汔车轻量化技市专辑 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 参考文献： 【ｌ Ｊ范子杰，桂良进，苏瑞意．汽车轻量化技术的研究与进 展．汽车安全与节能学报，２０１４，５（１）：Ｉ／１３． Ｔ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。 【２】杨德旭，祝海峰，张林文．复合材料板簧研究进展．ＦＲＰ／ ＣＭ．２０１４． 【３】胡朝辉．面向汽车轻量化设计的关键技术研究：【学位论 文１．长沙：湖南大学２０ｌ０． 【４】马鸣图，易红亮．高强度钢在汽车制造中的应用．热处 理，２０１ １，２６（６１：９． 圈 （上接第６３页） 比例５４．３％；由于原支架采用普通砂型铸造，为提 最小安全系数 质量／ｋｇ 成本／元 高铸件质量，优化结构采用精铸工艺，导致下支架 单位质量成本增加，但总成本仍降低４元。 项目材料 鬻 罄 由表１Ｉ可见，通过综合优化结构设计，优化结 构轻量化成本降低。 ４结束语 Ｑ…结合某重型载货汽车驾驶室翻转液压缸下支 架优化的实际案例，根据正向设计流程，解决了现 有结构强度过剩等问题。另外，准确的工况识别 和载荷掌握，是精细化设计的基础，本文所述支架 工况比较简单，在整车中，零部件往往＿Ｔ况复杂， 载荷难以掌握，因此对于整车轻量化设计的工作 重点是零部件典型工况识别与载荷梳理。圃 ３．３优化前、后对比 优化前、后结构参数对比如表１ １所示。 ２０１７年第７期 汽车工艺与材料 ＡＴ＆Ｍ