轿车前副车架设计(编辑修改稿)

轿车前副车架设计(编辑修改稿)内容摘要：

学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计 19 课题以前副车架总成作为研究对象，根据不同产品间所具有的极高产品相似特性，探讨如何科学总结轿车底盘零部件的研发规律流程。 在此过程中，一方面要找到比较全面的产品共有特性，使今后的研发成为制度性流程；另一方面要通过 CAE 和必要的试验，对关键的典型设计和研发特性进 行充分验证，从而保证这些关键特性优先满足用户需求。 在实际研究过程中，不同的整车工况和系统要求与输入，不同的材料结构工艺将构成一系列复杂的产品特性，这些特性一部分用于对整车和系统需求特性的分解和验证，一部分用于汇众 4 大工艺实施时的分配与现场控制。 本课题期望能创建这样的描述体系既用于今后的拓展与完善，又能用于今后越来越多的正向开发设计。 研究内容 确定建立前副车架柔性研发平台和设计方法知识库描述方法。 (1)采集现有前副车架产品式样、 3D/2D 图样、试验方法、 CAE 报告、试验报告； (2)进行典型性分 类，抽取关键设计要素，划分使用条件与场合，区别制造成本与周期，评价综合性能水平，形成类似研发标准的产物，便于正向研发参考和“三化”。 基于建立前副车架研发知识库的 CAD/CAE 二次开发，在 CAD 中，试图建立典型 3D 结构库已被调用，如断面结构，焊接搭接结构等、在 2D 图中建立基准与公差标准库、材料标准库等；在 CAE 中，建立工况库、约束方式及加载方式库，划分网格的基本流程与规范，使计算结果尽量与工程师人为因素不相关。 上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计 20 提出汇众正在建立的前副车架开发流程设想及要解决的关键问题： 本课题的关键问题在于明确 前副车架的系统要求，运用虚拟仿真手段，实现前副车架设计开发的计算机化。 同时建立起一个关于前副车架总成较详细的数据平台。 图 SH59 前副车架三维数模 图 为本次设计的 SH59 前副车架三维数模。 4 前副车架关键设计要素的建立与运用 建立与前副车架总布置等相关的设计要素 上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计 21 前副车架通常连接底盘与车身。 以下是各个连接位置的剖面视图 图 图 图 图 图 图 图 图 上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计 22 图 使用橡胶衬套与车身连接，如图 至图。 与控制臂连接处切面，如图 与图。 与制造精度相关的 设计要素 前副车架安装点的位置度 有研究表明：底盘的制造精度和制造误差方向对 轮胎跳动和车轮定为参数变化有较大的影响。 尤其是前副车架球铰链和前副车架安装点在汽车坐标系中 Z方向上 3~4mm的制造误差则会引起整车轮胎挑动和前束较明显的变化，因此在设计相关形位公差时要的别将这些尺寸进行重点控制。 通过 ADAMS 可以对 SVW 一款车进行验证计算。 已有多起质量故障和试验都表明，无论是悬架件还是制动盘的端跳乃至整车的 4 轮定位参数等涉 及车辆重要行使安全的参数都应严格控制公差。 这里的设计要素是各安装点的位置度。 建立与结构及强度相关的 设计要素 冲压焊接结构与强度的关系 冲压焊接结 构是当前运用最为普遍的结构之一，具有成本低、造型灵上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计 23 活、制造技术成熟等优点，是目前前副车架普遍的焊接方式。 由于冲压成型材料利用率高，产品质量稳定，易于实现自动化生产，故这一工艺方法在汽车生产中得到广泛应用。 在传统的冲压生产过程中，无论是冲压工序的制定、工艺参数的选取，还是冲压模具的设计、制造，都要经过多次修改才能确定。 这种反复的调试过程造成企业人力、物力和财力的大量消耗，导致生产成本高，生产周期难以保证。 冲压成型过程数值模拟技术的出现为改变这种传统模式提供了强有力的工具。 通过对冲压过程模拟分析得到最佳模具 结构和工艺条件，并能通过对板材冲压过程数值模拟，在计算机上观察到模具结构、冲压工艺条件（如压边力、冲压方向、摩擦润滑等）和材料性能参数（如皱曲、破裂）的影响，还可以提供最佳钣料形状、合理的压料面形状、最佳冲压方向、以及分析卸载和切边后的回弹量，并补偿模具尺寸以得到尺寸和形状精度良好的冲压件。 该技术使试模时间大大缩短，从而减少制模成本。 (1)按外形分类： 一般地，前副车架 4 点安装处的结构为：与车架连接的前点为套筒结构型（具备多种形式，在附件中再讨论），其轴线与汽车坐标的 x 轴 方向大致一致；而与车架连 接的后点则可分为把柄式和圈套式结构型 2 种：如下图： 上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计 24 图 图 其中，图 为板式；图 为框式，只有冲压焊接结构才使用，同时板式结构工艺定位比较方便也很准确。 根据笔者的初步计算发现，当安装尺寸和其它部分结构相同时，这两种结构对整车部分操稳性和平顺型影响有明显不同。 一般情况下，采用板有利于提高整车操稳性；采用框式有利于提高整车的舒适性。 框式的副车架又可细分为带管、不带管。 (2)按安装方式分类： 前副 车架如果按安装方式分类，可以分为四点支撑与六点支撑。 图 六点支撑副车架 图 为六点支撑典型副车架。 CAE 在前副车架设计过程中的作用及相关设计要素 上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计 25 根据以上部分设计要素设计出前副车架后，进行 CAE 分析很有必要，但比较容易完善和修改，反之则完善或修改的难度较大。 在穿插进行 CAE分析的过程中，作为开发前副车架的环节之一，通过调节 CAE 过程中的一下要素是可以顺利完成部分设计验证的： 对初步出现的危险部位改善容易引起应力集中的结构，这是最有效的改善途径。 对初步出现的危险部位细化优化网格模型。 对初步出现的危险部位对照工程常识改善约束方式，包括自由度的设置、约束节点的分布。 对初步出现的危险部件作必要的冲压仿真分析，以防止出现厚薄变化超差等冲压缺陷。 对初步出现的危险部件采用更好性能和厚度更大的材料，这样可能增加成本和重量。 副车架受力分析 整车在正常行驶时，副车架需要承受不同类型的载荷，主要是冲击和交变载荷。 对于不同类型的载荷，副车架结构设计时，采用的设计流程也不尽相同。 对于冲击载荷， CAE 分析之后， 直接进行整车试验而不需要台架试验来对副车架结构设计的合理性加以验证。 对于交变载荷， CAE 分析之后，需要搭建台架进行验证试验，通过台架试验后再进行整车试验，以此验证副车架设计结构的合理性。 对于本课题的研究对象某引进车型的副车架，其全部设计开发认可工作已经在北美完成，进行的二次开发工作主要是路况适应性开发设计。 整上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计 26 车厂商在国内完成该引进车型的道路谱采集工作，对采集得到的道路谱数据进行分析评估后，得出在纵向力工况下，国内的路况要比原设计所在地恶劣，需要采用适合中国路况的纵向力载荷，对副车架的结构设计合理 性重新评估。 其余的工况没有作出重新评估的要求。 也就是说，某副车架的路况适应性开发工作只要评估在纵向力工况下的结构强度，如果满足模块要求，那么就可以证明副车架的结构设计在中国是可靠安全的。 另一方面，本课题的主要目的在于通过计算机仿真和台架试验相结合的手段，验证有限元分析方法的可行性和有效性，而不是产品的全部设计开发认可过程。 因此只要选择一个典型的工况，完成该工况下全部相应的仿真和试验工作，然后进行对比分析，就可以达到本课题的目的。 至于其他的工况，其设计开发所采用的手段和思路与纵向力工况是类似的，这需要结合具体 的项目需要作进一步的工作，是一个逐步积累的过程。 纵上所述，根据项目的具体需要和实际的课题目的，本文选择了某副车架纵向力载荷输入这一典型的工况，以此作为有限元分析工况，并结合台架试验以验证分析结果的合理性。 根据某副车架在整车中的实际装配情况，可以得到副车架纵向受力及边界约束示意图，如图。 上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计 27 图 副车架纵向受力及约束示意图 前副车架设计要素系统化（分类分级）与应用分布 前副车架设计要素分类方法可大致分为 2 类 :按与其它零件的设计要素相比可分为通用设计要素和专用 设计要素；按重要程度可分为关键设计要素和一般设计要素。 其中，诸如可靠性、重大工艺缺陷控制等涉及影响零部件重要功能和性能发挥的可能既是通用设计要素又是专用设计要素。 结合本文要旨，在以上各部分讨论的基础上，在这里只讨论按开发流程进行划分的设计要素的分类及其应用分布。 总布置阶段（前副车架设计输入协调阶段） 安装硬点座标、硬点座标位置度公差、三个硬点连线形成的平面在整车前侧俯视图上的倾斜度。 正如前文论述和后文算例中所指出的，这些设计要素对于整车的操稳性和舒适性有重要的影响。 上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计 28 与整车悬架运动干涉相关的轮 廓边界包络面相关的本体最大断面高度、关键危险曲线段和曲面段的曲率分布。 三个安装点的约束方式、约束结构。 如球铰链和普通线性橡胶支撑衬套及其尺寸和性能参数的选取、套筒或把柄结构形式的选取（如橡胶衬套套管可选钢管、钢板卷管（近似圆管）、 带凸缘冲压成型管、带凸缘带台阶冲压成型管等）。 结构设计阶段 材料材质、材料规格，这涉及到选择材料应变应力两方面性能（如强度屈服极限延展性等）铸、锻或冲焊工艺并确定与它们相关的拔模斜度、断面尺寸安排等工艺（如焊缝分布）和强度等要求。 本体断面参数分布、关键断面优化处 理，在已有安装尺寸和边界约束条件的基础上，主要满足强度、工艺方面要求。 如工字断面参数、闭口断面搭接参数、圆角倒角变化、加强筋、各曲面曲率协调等。 同时还要将装配总成数模放在系统乃至整车中进行运动和装配干涉分析，以确认有无需要设置避让结构，如加设紧固车架安装螺栓孔、加深避让圆弧等。 前副车架安装点处的结构设计，主要包括断面和连接，连接中涉及球头镦铆、焊接变形的避免或补偿、压装定位等。 主基准设计，原则上应使各工序的制造基准与检验基准一致，同时使应用三座标测量仪与使用专用检具一致和方便。 如铸锻件上的凸台、冲压件上 的平面孔、定位平面等。 设计验算与修改完善阶段 铸锻和冲压仿真用来调整形状以避免出现变形缺陷，如表面裂纹、大上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计 29 的厚薄差、焊接缺陷等。 静强度和疲劳强度验算除了验算强度外还可用来检验装配约束和工艺。 模态刚度和屈曲验算，以符合整车 HVH 和碰撞要求。 提出材料材质规格调整方向。 大致提出结构加强部位和加强量。 工程设计（ 2D）阶段 衍生基准。 当形状复杂需要表达较多几何特性时，可在在主基准基础上为方便制造和检测设计部分衍生基准。 形位公差。 包括装配配合精度（如一般后点橡胶衬套与套管铁碰铁配合 配合过盈量可在 ~ 之间选取、接触长度不小于 20mm，前点铁碰橡胶配合配合过盈量可在 ~ 之间选取、接触长度不小于50mm）、安装点位置度、安装尺寸公差、面线轮廓度等。 工艺操作干涉现象分析，避免出现冲压负角、焊接枪头进不去等错误。 通过工艺验证关键形位公差的分配，如确定冲压件因为焊接原因变化长度需要在零件上进行的焊接补偿量、铸锻件毛坯的加工余量等。 这些应一一在工程二维图上加以说明。 试验方法设计要素。 试验种类以包括静态功能强度试验（如压入力或压出力）、一般疲劳试验、特殊工况 试验（如冲击与碰撞）等，可先进行试验仿真，可单个零件或至于系统模块直至整车试验中去做。 要根据计算与试验确定试验工件的夹持方式即约束方式、载荷的大小方向作用点、作用频率、失效模式、试验结果统计与评价方法。 上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计 30 根据以上陈述，至少涉及到 36 个方面的设计要素，它们之间相互联系需要协调，它们可分出轻重缓急，需要在各个阶段分别加以不同重视。 5 有限元理论概述 在科学技术领域内，对于许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们应遵循的基本方程（常微分方程和偏微分方程）和相应的定解条件。 但能用解析方法求出精确解的只有少数方 程性质比较简单，且几何形状相当规则的问题。 对于大多数问。