【文章內(nèi)容簡介】 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車前副車架設(shè)計(jì) 19 課題以前副車架總成作為研究對象，根據(jù)不同產(chǎn)品間所具有的極高產(chǎn)品相似特性，探討如何科學(xué)總結(jié)轎車底盤零部件的研發(fā)規(guī)律流程。在此過程中，一方面要找到比較全面的產(chǎn)品共有特性，使今后的研發(fā)成為制度性流程；另一方面要通過 CAE 和必要的試驗(yàn)，對關(guān)鍵的典型設(shè)計(jì)和研發(fā)特性進(jìn) 行充分驗(yàn)證，從而保證這些關(guān)鍵特性優(yōu)先滿足用戶需求。在實(shí)際研究過程中，不同的整車工況和系統(tǒng)要求與輸入，不同的材料結(jié)構(gòu)工藝將構(gòu)成一系列復(fù)雜的產(chǎn)品特性，這些特性一部分用于對整車和系統(tǒng)需求特性的分解和驗(yàn)證，一部分用于匯眾 4 大工藝實(shí)施時(shí)的分配與現(xiàn)場控制。本課題期望能創(chuàng)建這樣的描述體系既用于今后的拓展與完善，又能用于今后越來越多的正向開發(fā)設(shè)計(jì)。 研究內(nèi)容 確定建立前副車架柔性研發(fā)平臺和設(shè)計(jì)方法知識庫描述方法。 (1)采集現(xiàn)有前副車架產(chǎn)品式樣、 3D/2D 圖樣、試驗(yàn)方法、 CAE 報(bào)告、試驗(yàn)報(bào)告； (2)進(jìn)行典型性分 類，抽取關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素，劃分使用條件與場合，區(qū)別制造成本與周期，評價(jià)綜合性能水平，形成類似研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)物，便于正向研發(fā)參考和“三化”。 基于建立前副車架研發(fā)知識庫的 CAD/CAE 二次開發(fā)，在 CAD 中，試圖建立典型 3D 結(jié)構(gòu)庫已被調(diào)用，如斷面結(jié)構(gòu)，焊接搭接結(jié)構(gòu)等、在 2D 圖中建立基準(zhǔn)與公差標(biāo)準(zhǔn)庫、材料標(biāo)準(zhǔn)庫等；在 CAE 中，建立工況庫、約束方式及加載方式庫，劃分網(wǎng)格的基本流程與規(guī)范，使計(jì)算結(jié)果盡量與工程師人為因素不相關(guān)。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車前副車架設(shè)計(jì) 20 提出匯眾正在建立的前副車架開發(fā)流程設(shè)想及要解決的關(guān)鍵問題： 本課題的關(guān)鍵問題在于明確 前副車架的系統(tǒng)要求，運(yùn)用虛擬仿真手段，實(shí)現(xiàn)前副車架設(shè)計(jì)開發(fā)的計(jì)算機(jī)化。同時(shí)建立起一個(gè)關(guān)于前副車架總成較詳細(xì)的數(shù)據(jù)平臺。 圖 SH59 前副車架三維數(shù)模 圖 為本次設(shè)計(jì)的 SH59 前副車架三維數(shù)模。 4 前副車架關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素的建立與運(yùn)用 建立與前副車架總布置等相關(guān)的設(shè)計(jì)要素 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車前副車架設(shè)計(jì) 21 前副車架通常連接底盤與車身。以下是各個(gè)連接位置的剖面視圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車前副車架設(shè)計(jì) 22 圖 使用橡膠襯套與車身連接，如圖 至圖 。 與控制臂連接處切面，如圖 與圖 。 與制造精度相關(guān)的 設(shè)計(jì)要素 前副車架安裝點(diǎn)的位置度 有研究表明：底盤的制造精度和制造誤差方向?qū)?輪胎跳動(dòng)和車輪定為參數(shù)變化有較大的影響。尤其是前副車架球鉸鏈和前副車架安裝點(diǎn)在汽車坐標(biāo)系中 Z方向上 3~4mm的制造誤差則會引起整車輪胎挑動(dòng)和前束較明顯的變化，因此在設(shè)計(jì)相關(guān)形位公差時(shí)要的別將這些尺寸進(jìn)行重點(diǎn)控制。通過 ADAMS 可以對 SVW 一款車進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。 已有多起質(zhì)量故障和試驗(yàn)都表明，無論是懸架件還是制動(dòng)盤的端跳乃至整車的 4 輪定位參數(shù)等涉 及車輛重要行使安全的參數(shù)都應(yīng)嚴(yán)格控制公差。 這里的設(shè)計(jì)要素是各安裝點(diǎn)的位置度。 建立與結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度相關(guān)的 設(shè)計(jì)要素 沖壓焊接結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的關(guān)系 沖壓焊接結(jié) 構(gòu)是當(dāng)前運(yùn)用最為普遍的結(jié)構(gòu)之一，具有成本低、造型靈上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車前副車架設(shè)計(jì) 23 活、制造技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，是目前前副車架普遍的焊接方式。 由于沖壓成型材料利用率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，故這一工藝方法在汽車生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。在傳統(tǒng)的沖壓生產(chǎn)過程中，無論是沖壓工序的制定、工藝參數(shù)的選取，還是沖壓模具的設(shè)計(jì)、制造，都要經(jīng)過多次修改才能確定。這種反復(fù)的調(diào)試過程造成企業(yè)人力、物力和財(cái)力的大量消耗，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期難以保證。 沖壓成型過程數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)為改變這種傳統(tǒng)模式提供了強(qiáng)有力的工具。通過對沖壓過程模擬分析得到最佳模具 結(jié)構(gòu)和工藝條件，并能通過對板材沖壓過程數(shù)值模擬，在計(jì)算機(jī)上觀察到模具結(jié)構(gòu)、沖壓工藝條件（如壓邊力、沖壓方向、摩擦潤滑等）和材料性能參數(shù)（如皺曲、破裂）的影響，還可以提供最佳鈑料形狀、合理的壓料面形狀、最佳沖壓方向、以及分析卸載和切邊后的回彈量，并補(bǔ)償模具尺寸以得到尺寸和形狀精度良好的沖壓件。該技術(shù)使試模時(shí)間大大縮短，從而減少制模成本。 (1)按外形分類： 一般地，前副車架 4 點(diǎn)安裝處的結(jié)構(gòu)為：與車架連接的前點(diǎn)為套筒結(jié)構(gòu)型（具備多種形式，在附件中再討論），其軸線與汽車坐標(biāo)的 x 軸 方向大致一致；而與車架連 接的后點(diǎn)則可分為把柄式和圈套式結(jié)構(gòu)型 2 種：如下圖： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車前副車架設(shè)計(jì) 24 圖 圖 其中，圖 為板式；圖 為框式，只有沖壓焊接結(jié)構(gòu)才使用，同時(shí)板式結(jié)構(gòu)工藝定位比較方便也很準(zhǔn)確。根據(jù)筆者的初步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)安裝尺寸和其它部分結(jié)構(gòu)相同時(shí)，這兩種結(jié)構(gòu)對整車部分操穩(wěn)性和平順型影響有明顯不同。一般情況下，采用板有利于提高整車操穩(wěn)性；采用框式有利于提高整車的舒適性。 框式的副車架又可細(xì)分為帶管、不帶管。 (2)按安裝方式分類： 前副 車架如果按安裝方式分類，可以分為四點(diǎn)支撐與六點(diǎn)支撐。 圖 六點(diǎn)支撐副車架 圖 為六點(diǎn)支撐典型副車架。 CAE 在前副車架設(shè)計(jì)過程中的作用及相關(guān)設(shè)計(jì)要素 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車前副車架設(shè)計(jì) 25 根據(jù)以上部分設(shè)計(jì)要素設(shè)計(jì)出前副車架后，進(jìn)行 CAE 分析很有必要，但比較容易完善和修改，反之則完善或修改的難度較大。在穿插進(jìn)行 CAE分析的過程中，作為開發(fā)前副車架的環(huán)節(jié)之一，通過調(diào)節(jié) CAE 過程中的一下要素是可以順利完成部分設(shè)計(jì)驗(yàn)證的： 對初步出現(xiàn)的危險(xiǎn)部位改善容易引起應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)，這是最有效的改善途徑。 對初步出現(xiàn)的危險(xiǎn)部位細(xì)化優(yōu)化網(wǎng)格模型。 對初步出現(xiàn)的危險(xiǎn)部位對照工程常識改善約束方式，包括自由度的設(shè)置、約束節(jié)點(diǎn)的分布。 對初步出現(xiàn)的危險(xiǎn)部件作必要的沖壓仿真分析，以防止出現(xiàn)厚薄變化超差等沖壓缺陷。 對初步出現(xiàn)的危險(xiǎn)部件采用更好性能和厚度更大的材料，這樣可能增加成本和重量。 副車架受力分析 整車在正常行駛時(shí)，副車架需要承受不同類型的載荷，主要是沖擊和交變載荷。對于不同類型的載荷，副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用的設(shè)計(jì)流程也不盡相同。對于沖擊載荷， CAE 分析之后， 直接進(jìn)行整車試驗(yàn)而不需要臺架試驗(yàn)來對副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性加以驗(yàn)證。對于交變載荷， CAE 分析之后，需要搭建臺架進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，通過臺架試驗(yàn)后再進(jìn)行整車試驗(yàn)，以此驗(yàn)證副車架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。 對于本課題的研究對象某引進(jìn)車型的副車架，其全部設(shè)計(jì)開發(fā)認(rèn)可工作已經(jīng)在北美完成，進(jìn)行的二次開發(fā)工作主要是路況適應(yīng)性開發(fā)設(shè)計(jì)。整上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車前副車架設(shè)計(jì) 26 車廠商在國內(nèi)完成該引進(jìn)車型的道路譜采集工作，對采集得到的道路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估后，得出在縱向力工況下，國內(nèi)的路況要比原設(shè)計(jì)所在地惡劣，需要采用適合中國路況的縱向力載荷，對副車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理 性重新評估。其余的工況沒有作出重新評估的要求。也就是說，某副車架的路況適應(yīng)性開發(fā)工作只要評估在縱向力工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如果滿足模塊要求，那么就可以證明副車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在中國是可靠安全的。另一方面，本課題的主要目的在于通過計(jì)算機(jī)仿真和臺架試驗(yàn)相結(jié)合的手段，驗(yàn)證有限元分析方法的可行性和有效性，而不是產(chǎn)品的全部設(shè)計(jì)開發(fā)認(rèn)可過程。因此只要選擇一個(gè)典型的工況，完成該工況下全部相應(yīng)的仿真和試驗(yàn)工作，然后進(jìn)行對比分析，就可以達(dá)到本課題的目的。至于其他的工況，其設(shè)計(jì)開發(fā)所采用的手段和思路與縱向力工況是類似的，這需要結(jié)合具體 的項(xiàng)目需要作進(jìn)一步的工作，是一個(gè)逐步積累的過程。 縱上所述，根據(jù)項(xiàng)目的具體需要和實(shí)際的課題目的，本文選擇了某副車架縱向力載荷輸入這一典型的工況，以此作為有限元分析工況，并結(jié)合臺架試驗(yàn)以驗(yàn)證分析結(jié)果的合理性。 根據(jù)某副車架在整車中的實(shí)際裝配情況，可以得到副車架縱向受力及邊界約束示意圖，如圖 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車前副車架設(shè)計(jì) 27 圖 副車架縱向受力及約束示意圖 前副車架設(shè)計(jì)要素系統(tǒng)化（分類分級）與應(yīng)用分布 前副車架設(shè)計(jì)要素分類方法可大致分為 2 類 :按與其它零件的設(shè)計(jì)要素相比可分為通用設(shè)計(jì)要素和專用 設(shè)計(jì)要素；按重要程度可分為關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素和一般設(shè)計(jì)要素。其中，諸如可靠性、重大工藝缺陷控制等涉及影響零部件重要功能和性能發(fā)揮的可能既是通用設(shè)計(jì)要素又是專用設(shè)計(jì)要素。結(jié)合本文要旨，在以上各部分討論的基礎(chǔ)上，在這里只討論按開發(fā)流程進(jìn)行劃分的設(shè)計(jì)要素的分類及其應(yīng)用分布。 總布置階段（前副車架設(shè)計(jì)輸入?yún)f(xié)調(diào)階段） 安裝硬點(diǎn)座標(biāo)、硬點(diǎn)座標(biāo)位置度公差、三個(gè)硬點(diǎn)連線形成的平面在整車前側(cè)俯視圖上的傾斜度。正如前文論述和后文算例中所指出的，這些設(shè)計(jì)要素對于整車的操穩(wěn)性和舒適性有重要的影響。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車前副車架設(shè)計(jì) 28 與整車懸架運(yùn)動(dòng)干涉相關(guān)的輪 廓邊界包絡(luò)面相關(guān)的本體最大斷面高度、關(guān)鍵危險(xiǎn)曲線段和曲面段的曲率分布。 三個(gè)安裝點(diǎn)的約束方式、約束結(jié)構(gòu)。如球鉸鏈和普通線性橡膠支撐襯套及其尺寸和性能參數(shù)的選取、套筒或把柄結(jié)構(gòu)形式的選?。ㄈ缦鹉z襯套套管可選鋼管、鋼板卷管（近似圓管）、 帶凸緣沖壓成型管、帶凸緣帶臺階沖壓成型管等）。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段 材料材質(zhì)、材料規(guī)格，這涉及到選擇材料應(yīng)變應(yīng)力兩方面性能（如強(qiáng)度屈服極限延展性等）鑄、鍛或沖焊工藝并確定與它們相關(guān)的拔模斜度、斷面尺寸安排等工藝（如焊縫分布）和強(qiáng)度等要求。 本體斷面參數(shù)分布、關(guān)鍵斷面優(yōu)化處 理，在已有安裝尺寸和邊界約束條件的基礎(chǔ)上，主要滿足強(qiáng)度、工藝方面要求。如工字?jǐn)嗝鎱?shù)、閉口斷面搭接參數(shù)、圓角倒角變化、加強(qiáng)筋、各曲面曲率協(xié)調(diào)等。同時(shí)還要將裝配總成數(shù)模放在系統(tǒng)乃至整車中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和裝配干涉分析，以確認(rèn)有無需要設(shè)置避讓結(jié)構(gòu)，如加設(shè)緊固車架安裝螺栓孔、加深避讓圓弧等。 前副車架安裝點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括斷面和連接，連接中涉及球頭鐓鉚、焊接變形的避免或補(bǔ)償、壓裝定位等。 主基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，原則上應(yīng)使各工序的制造基準(zhǔn)與檢驗(yàn)基準(zhǔn)一致，同時(shí)使應(yīng)用三座標(biāo)測量儀與使用專用檢具一致和方便。如鑄鍛件上的凸臺、沖壓件上 的平面孔、定位平面等。 設(shè)計(jì)驗(yàn)算與修改完善階段 鑄鍛和沖壓仿真用來調(diào)整形狀以避免出現(xiàn)變形缺陷，如表面裂紋、大上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車前副車架設(shè)計(jì) 29 的厚薄差、焊接缺陷等。 靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算除了驗(yàn)算強(qiáng)度外還可用來檢驗(yàn)裝配約束和工藝。 模態(tài)剛度和屈曲驗(yàn)算，以符合整車 HVH 和碰撞要求。 提出材料材質(zhì)規(guī)格調(diào)整方向。 大致提出結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部位和加強(qiáng)量。 工程設(shè)計(jì)（ 2D）階段 衍生基準(zhǔn)。當(dāng)形狀復(fù)雜需要表達(dá)較多幾何特性時(shí)，可在在主基準(zhǔn)基礎(chǔ)上為方便制造和檢測設(shè)計(jì)部分衍生基準(zhǔn)。 形位公差。包括裝配配合精度（如一般后點(diǎn)橡膠襯套與套管鐵碰鐵配合 配合過盈量可在 ~ 之間選取、接觸長度不小于 20mm，前點(diǎn)鐵碰橡膠配合配合過盈量可在 ~ 之間選取、接觸長度不小于50mm）、安裝點(diǎn)位置度、安裝尺寸公差、面線輪廓度等。 工藝操作干涉現(xiàn)象分析，避免出現(xiàn)沖壓負(fù)角、焊接槍頭進(jìn)不去等錯(cuò)誤。 通過工藝驗(yàn)證關(guān)鍵形位公差的分配，如確定沖壓件因?yàn)楹附釉蜃兓L度需要在零件上進(jìn)行的焊接補(bǔ)償量、鑄鍛件毛坯的加工余量等。這些應(yīng)一一在工程二維圖上加以說明。 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)要素。試驗(yàn)種類以包括靜態(tài)功能強(qiáng)度試驗(yàn)（如壓入力或壓出力）、一般疲勞試驗(yàn)、特殊工況 試驗(yàn)（如沖擊與碰撞）等，可先進(jìn)行試驗(yàn)仿真，可單個(gè)零件或至于系統(tǒng)模塊直至整車試驗(yàn)中去做。要根據(jù)計(jì)算與試驗(yàn)確定試驗(yàn)工件的夾持方式即約束方式、載荷的大小方向作用點(diǎn)、作用頻率、失效模式、試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與評價(jià)方法。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車前副車架設(shè)計(jì) 30 根據(jù)以上陳述，至少涉及到 36 個(gè)方面的設(shè)計(jì)要素，它們之間相互聯(lián)系需要協(xié)調(diào)，它們可分出輕重緩急，需要在各個(gè)階段分別加以不同重視。 5 有限元理論概述 在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對于許多力學(xué)問題和物理問題，人們已經(jīng)得到了它們應(yīng)遵循的基本方程（常微分方程和偏微分方程）和相應(yīng)的定解條件。但能用解析方法求出精確解的只有少數(shù)方 程性質(zhì)比較簡單，且?guī)缀涡螤钕喈?dāng)規(guī)則的問題。對于大多數(shù)問