某越野车悬架安装梁强度分析及优化

1 前沿

在部分越野车承载式车体中，悬架安装梁是汽车的基体，其主要的功用是支撑和连接汽车底盘上的各总成，例如：三角臂，减速器总成等，使各总成之间保持正确的位置，并且承受来自底盘悬加系统和车轮的各种冲击和振动。安装梁强度性能的好坏，直接影响到整车行驶的安全性。

所以在设计开发初期，结合先进的CAE仿真分析技术，开展对悬架安装梁总成方案的强度及刚度分析，寻求符合目标的最佳产品设计，进而缩短开发周期和降低开发费用。

本文以某款越野车悬架安装梁总成为例，系统介绍了有限元建模、工况定义、仿真分析的过程，基于初次强度仿真分析结果，对安装梁的原方案进行优化结构，再次分析表明，改进方案满足强度使用要求。

2 安装梁模型的建立

悬架安装梁总成结构较为复杂，主要由纵梁、横梁、挂板和弹簧支座等组成，各零部件之间通过焊缝焊接，安装梁本体与车身形成刚性连接。在安装梁建模的过程中，厚度均匀的钣金零部件，采用二维壳单元建立有限元模型，对于非均匀厚度零部件及铸造件（例如：挂板）等，采用三维实体单元建立有限元模型。各钣金件之间的螺栓孔采用RBE 刚性连接。悬架安装梁本体的材料为DL590，材料的屈服极限为560MP。

本文基于越野车底盘悬架静强度分析六工况，通过多体软件Adams计算悬架系统硬点载荷，以惯性释放方法分析车体及悬架安装梁的强度，首先将建立完成的悬架安装梁通过RBE单元刚性的连接在白车身上，因纵向安装梁及挂板为强度分析的关键件，对该总成进行网格细化。发动机、变速器、主副油箱、冷却系统及传动轴等与实际设计质量相符，各总成通过质量点的形式刚性连接在车身上，所建立的有限元模型如图1所示。



图1 悬架安装梁有限元模型

3 工况加载

在汽车行驶的过程中，悬架系统主要受到来自地面的冲击，同时将载荷传递到悬架安装梁和车身总成，依据越野路面状况，车身和悬加安装梁强度可分为六种工况进行分析即为：静态稳定工况、垂直跳动工况、驱动垂直跳动工况、制动工况、驱动转向工况及转向工况。在有限元分析的过程中，悬架安装硬点载荷依据以上六工况，通过多体软件Adams 计算所得。因该越野车为三轴车型，共有前中后三套悬架总成，载荷分别施加在上下三角臂安装点，弹簧安装点等共计30处硬点位置，左右对称，且前中后悬架安装方式相同，取前悬架载荷施加位置为例，其左侧硬点如图2所示。



图2 前悬架载荷施加硬点位置

载荷加载完成后，形成INP文件，定义PARAM INREL卡片为-2，以惯性释放方法，应用OptiStruct求解器进行求解。

4 结果分析

分析完成后，通过后处理察看结果，前悬架基本无应力集中现象，各工况最大应力均出现于中后悬架，六工况下车身及悬架安装梁应力,以垂直跳动工况和驱动垂直跳动工况最大，且超过材料的屈服极限，两工况应力分布图，如图3和图4所示。
通过应力云图可以看出，垂直跳动工况，驱动垂直跳动工况最大应力位置均出现于悬加挂板和安装梁连接板及纵向安装梁末端处，需对悬架方案进行优化，以满足强度使用要求。



5 原因分析

中后悬架原设计方案为，上下三角臂通过轴销连接在悬架挂板上，三角臂可绕轴销上下转动，以满足在越野路面上不同的轮跳。悬架挂板与纵向安装梁通过中间连接板进行刚性连接，因挂板为铸造件，纵向安装梁厚度为8mm,连接板为冲压钣金件，厚度为5mm,故挂板和安装梁刚度远高于连接板，导致在垂直冲击或驱动垂直冲击等受力较大的工况中，最大应力均集中在连接板上，故需对该悬架设计方案或连接板方案进行优化，以提升强度性能。对安装梁末端应力集中现象主要因为末端与车身为断开结构，车身未承担部分悬架载荷所致。

6 优化方案

基于原方案的强度分析结果，对车身及悬架安装梁结构进行优化，改进方案为取消中后悬架连接板及纵向安装梁，将悬架挂板与车身地板一体化，两者通过一安装板形成刚性连接，安装板与车身地板为焊接结构，内部设有螺栓套筒支撑，该方案相比原方案优点在于:（1）因取消安装梁，车身地板下移，后部乘员乘坐空间更大；（2）安装板为冲压钣金件，其重量相比原方案减轻16Kg，有利于整车轻量化；（3）该悬架车身一体化方案，避免原方案中安装梁末端与车身形成断开结构。 其优化方案如图6所示。



7 优化方案结果分析

基于原方案的六种强度分析工况，载荷及施加硬点位置不变，对优化方案进行有限元分析，其垂直冲击工况和驱动垂直冲击工况，如图6和图7所示。



通过优化方案的有限元分析，垂直冲击工况应力最大，为487Mpa，最大应力均不超过材料的屈服极限，安全系数为1.15，该优化方案满足使用要求。

8 总结

本文基于OptiStruct 的某越野车悬架安装梁强度分析为例，系统介绍了车身及安装梁建模方法，工况定义及优化方案的实施，总结如下：

（1）应用惯性释放分析悬架安装梁强度时，要考虑车身各安装总成质量，使其与实际相符；
（2）对安装梁及挂钣等关键零部件采用局部网格细化，以提升分析精度；
（3）优化方案相比原方案有诸多优点，且强度满足要求，说明优化方案合理可行。