汽车底盘悬架关键部件轻量化设计分析

文章来源：《科技与创新》发布时间：2021-05-20

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以汽车制造为落脚点，在简单介绍底盘悬架作用及构成的基础上，从策略、设计方法及发展方向出发，围绕关键部件所适用的轻量化设计方案展开讨论，并得出相应结论。希望提及内容可以给人以启发，为汽车企业乃至行业发展提供支持。

由汽车业发展现状可知，节能减排是大势所趋。在燃油消耗量日益增加的当下，要想抢占市场份额，从事汽车制造及相关工作的企业必然将燃油设计、轻量化设计提上日程，在确保汽车功能不被影响的前提下，通过减轻部件质量的方式，避免燃油被大量消耗。只有落实轻量化设计，才能推动汽车业朝着持续发展的方向前进，由此可见，本文所讨论内容有突出的社会价值。

一、底盘悬架概述

底盘悬架是弹性连接车轮和承载系统的装置，其作用不仅有衰减振动、传递载荷，还有缓和冲击，另外，对处于行驶状态的汽车而言，底盘悬架往往可用来调节车身位置，避免安全事故出现。

现将其核心功能概括如下：①向车架传递车轮受路面作用所产生应力，如支承力、制动力、驱动力和侧向反力，当然，上述应力带来的力矩同样经由底盘悬架向车架进行传递，这点易被忽视；②缓冲并吸收不平路面给行驶中汽车带来的冲击、振动，为车载货物的安全性提供保证，乘坐体验也会得到一定程度优化；③确保车轮和车身的关系始终满足动态几何特征，具体来说，就是车轮按照特定规律跳动，车身自然可以按照预期轨迹运动。现有汽车的底盘悬架，以非独立悬架较为常见，该悬架主要分为两部分，由稳定杆、减振器等部件组成的前悬架以及由缓冲块、平衡轴等部件构成的后悬架，其中，后悬架结构以平衡结构为主[1]。

二、轻量化设计探究

2.1 优化策略

要想使底盘悬梁达到轻量化设计所提出的要求，有关人员应着重考虑结构、工艺及材料的优化，以下将逐一对其进行介绍，希望能够给人以启发。

2.1.1 结构优化

对于底盘悬架而言，结构优化既能够实现轻量化设计目标，又可使零件质量与成本处于平衡状态。在计算机技术渗透到各行各业的当下，利用计算机对结构进行仿真设计和优化成为大势所趋。随着尺寸优化及形状优化手段被引入，汽车业可在成本维持不变的前提下，尽量降低结构质量。经由CAE 确定材料密度分布优化方向，得出符合扭力梁主体需求的方案，通过对尺寸加以优化，掌握结构、管梁厚度的最佳参数，可使汽车质量显著降低，这也是轻量化设计被提出的初衷。

2.1.2 工艺优化

要想使轻质材料得到广泛运用，其前提不仅是保证产品可靠且稳定，对制造工艺进行优化也很有必要。例如，由于不同部件需要达到的承载力、功能结构要求通常有显著差异，只有运用不同工艺，完成设计输入的相关工作，才能避免不必要问题出现。对铝合金部件而言，工艺优化方向可被概括为：以现有工艺为依托，同步开发零件承载力与结合方案，确保设计工艺优势均可得到充分发挥，由此而获得设计方案，自然可使行业要求得到最大程度满足[2]。

2.1.3 材料优化

设计底盘悬架部件时，“出镜率”较高的方法是运用轻质材料，该法拥有良好的发展前景，这是因为其既能为汽车运行的可靠性提供保证，还可使底盘质量减小。在合金制造技术趋于完善的当下，以铝合金、高强度钢为代表的诸多材料，均已被用来制造汽车，冲焊零件固有优势通常可因此而得到充分发挥。例如，在对B 级汽车进行设计时，有关人员选择运用铝合金制造控制臂及副车架，汽车质量降低幅度明显，与此同时，底盘悬架功能的实现并未受到影响。由此可见，对中端和低端汽车而言，材料优化是轻量化设计的关键。

2.2 设计方法

2.2.1 集成设计

要想使汽车业具备实现持续发展目标的前提条件，将产品质量提升到更高水平，前提是对设计方案加以调整，现阶段，橡胶悬架、空气悬架均已得到推广，二者的优势主要是以悬架承载力达到行业要求为前提，通过对质量进行大幅降低，将制造成本控制在合理范围内。上述提到的橡胶悬架，强调用橡胶弹簧替代钢板弹簧，通常由推力杆、均衡梁及橡胶主（副）簧组成，其优势往往表现在三个方面，分别是无需维护、舒适性能佳、满足轻量化要求。在落实轻量化设计的相关工作时，有关人员往往将集成设计作为首选方案，通过细化分工的方式，使部件拥有更为理想的兼容性及实用性。在传统观念里，兼用性并非细化分工需要考虑的部分，因此，多数汽车的底盘部件均有明显界限，其中，界限最为分明的部件主要是前纵梁和弹簧支架，即便空间分布十分紧凑，仍然无法达到轻量化要求[3]。而引入集成设计理念，通常可使上述问题迎刃而解，有关人员以零件集成应用为切入点，通过系统优化的方式，获得集成零件。事实证明，这样做可使零件质量得到有效降低，轻量化设计初衷随之实现。

2.2.2 等边界设计

事实证明，将等边界设计用于底盘悬架部件设计，对其质量的降低有突出效果。由底盘部件所用材料表现出的力学特征可知，以等边界条件为前提，参考现有制造工艺，对结构进行优化，通常可使轻量化设计优势得到充分体现。例如，控制臂适用减重方案，强调利用高强度钢材料替代原有材料，通过比对不同车型所用控制臂的方式，确定顺利通过验证的设计方案，随着减重设计得到落实，汽车沿用率往往有所提高。而底盘悬架质量减轻所带来的积极影响还有降低成本和增加效益，这点应当尤为注意。

2.2.3 等应力设计

有关人员考虑到底盘悬架质量与设计效果的关系，遂决定经由等应力设计的方式，在确保底盘悬架有效性的基础上，对其质量进行减轻，通过优化结构、科学分布材料等手段，将强度冗余维持在理想范围内，随着零件位置与结构得到约束，设计效果自然可以达到预期。其中，最应当引起重视的部件是控制臂、转向节。以转向节为例，在对其进行设计时，有关人员将铸铝材料作为首选，在CAE 结构的辅助下，弱化低应力区域并强化高应力区域，确保零件拥有均衡应力，而这样做所带来的积极影响，通常表现为：使提高效果的目标成为现实，均衡的零部件应力为质量降低提供了保证。

2.3 发展方向

2.3.1 引入计算机

在汽车业快速进步的当下，轻量化设计走入人们视野，如何科学选用轻量化材料与技术，确保汽车制造及相关工作得到顺利开展，现已成为亟待解决的问题。由上述内容可知，对铝合金、高强度钢等新型材料加以运用，可使底盘功能得到保证，此外，汽车油耗也会随着质量的降低而降低，这与社会倡导的节能减排理念不谋而合。

信息时代的来临，使计算机技术呈现出迅猛的发展势头，对底盘悬架进行设计时，如果条件允许，有关人员可引入计算机技术，通过辅助设计优化的方式，使零件质量大幅降低，在优化制造效率的基础上，将验证零件需要投入的成本控制在合理范围内，这样做可使产品更具竞争力。由实践经验可知，计算机的运用方向主要有概念设计、方案设计等，具体如下：对概念设计进行拓扑优化，使部件拥有更为理想的空间布置方案及结构；以动力学为切入点，对方案进行设计并优化，确保悬架部件空间与载荷均衡；比对并优化结构，对设计成熟度有显著的提升效果；在汽车进入量产前，运用计算机优化已成型工艺，通常能够赋予产品更为理想的稳定性及工艺性[4]。

2.3.2 控制设计成本

研究表明，要想使汽车制造表现出更为理想的经济效益，既要对底盘悬架进行轻量化设计，还应当以制造成本为依据，通过评估现有方案的方式，确保汽车兼具实用性及经济型。简单来说，就是全方位、多角度衡量技术成本和材料成本，确定符合实际需求的方案，通过推动轻量化发展的方式，为汽车业注入动力，使其拥有更大的影响力和竞争实力。

2.3.3 加大产品开发力度

在开发底盘悬架部件时，有关人员应将轻量化设计作为指导思想，确保该原则贯穿产品制造的各个环节，为产品功能性与安全性提供保证。除此之外，以下内容也需要加以了解：以优化开发全过程为前提，通过建立开发标准，确保悬架及其他部件始终处于均衡状态，随后，结合不同目标所表现出的特征，拟定切实可行的提升方案，通常可取得事半功倍的效果。

三、结论

综上所述，对悬架关键部件进行轻量化设计，其效果能否达到预期，主要取决于两个方面：设计工作是否贯穿制造及验证始终；设计方案是否做到工艺、材料与成本的平衡。只有满足上述要求，才能使设计目标具备达成的条件，在未来一段时间内，上述内容仍然是讨论的重点，有关人员应对此引起重视。