启飞汽车

摘要

    汽车底盘悬架系统关键部件的轻量化开发和设计，在保证结构和功能的基础上车辆自重降低 l 吨，用户增加 l 吨的载重量产生的净收益非常可观。文章通过研究国内外在重型商用车领域轻量化技术路线，总结并提炼出悬架系统轻量化设计思路及主要设计方法，并以工程实践开发为例，为重型汽车底盘悬架系统及部件轻量化设计提供思路，也可为从事悬架设计人员提供参考、借鉴。

一、底盘悬架系统功能及组成

    悬架系统是车轮或车桥与汽车承载系统(车架或承载式车身)之间弹性连接并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的 车身位置等有关装置的总称。悬架系统的主要功能：
    （1）把路面作用于车轮的垂直反力（支承力）、纵向反力（驱动力和制动力）、侧向反力以及这些反力造成的力矩传递到车架（或车身）上；
    （2）与与轮胎一起，吸收和缓冲汽车行驶中由于路面不平所造成的各种振动和冲击，从而保证乘客乘坐舒适性和货物安全；
    （3）使车身与车轮之间保持适当动态几何关系，即车轮跳动时应有正确的运动规律。重型商用汽车底盘悬架大多为非独立悬架，由前悬架和后悬架构成，结构分别如图 1、图 2所示，前悬架包含钢板弹簧、减振器、稳定杆等；后悬架大多为平衡悬架结构，包括平衡轴（集成支架功能）、钢板弹簧、上下推力杆、缓冲块等。
 

二、悬架轻量主要设计方法

1. 系统技术革新

    在满足法规及用户使用的要求下，突破常规悬架系统方案，应用悬架系统新技术，制定系统综合优化方案，如采用空气悬架、橡胶悬架、空气复合悬架、橡胶复合悬架、提升悬架、复合材料板簧悬架等，能实现悬架系统在同样承载能力下，减重 20%以上，部分可实现降成本。

2. 等应力设计法

    等应力设计方法的原理是基于材料的合理分布和结构的形貌优化，通过减少强度冗余和局部加强的手段，控制零件不同位置的结构应力在定义的约束范围内，达到提高设计效果的目标，采用 CAE 分析和拓扑优化等手段，对零部件进行优化设计，使零部件各个部位的应力值接近，即各个部位的壁厚不一致，受力小的部位减薄料厚或不要材料，从而减轻零件的重量。

3. 等边界设计法

    根据不同轻质材料（如铝合金、塑料、高强度钢及复合材料等）的机械性能和工艺成型特点，在保证零件之间不发生干涉的情况下以原结构为基础，结合零部件与周围相连部件间的静态装配关系、运动关系、强度等同等边界约束条件下的结构优化设计方法，并保证底盘悬架系统系列化、通用化设计。

4. 集成化设计法

    分工细化的系统设计，各个系统零部件的兼用性不强。尤其是各类的支架件，相互之间界限比较分明，比如，钢板弹簧支架、转向机支架、前伸梁，虽然布置的空间很接近，但却是多个零件。在轻量化设计的理念下，从布置上考虑应把多个支架集成化成一个零件；再通过各种优化，使这个集成化零件的重量大大低于分开布置的多个零件。

三、底盘悬架轻量化开发实践

1. 橡胶悬架应用

    橡胶悬架是一种用橡胶弹簧代替传统钢板弹簧的新型悬架结构，一般由橡胶主簧、橡胶副簧、均衡梁及推力杆等零件组成，由于具有轻量化、舒适性好、免维护等优点，被欧美国家主机厂重型车有较大的应用；公路标载牵引车载荷稳定、工况好，在某牵引车细分车型采用橡胶悬架技术方案取代少片簧平衡悬架，可实现悬架降重 220kg，橡胶悬架结构如图 3 所示。
 

2. 悬架支架集成优化

    系统集成思路是基于原设计功能、可靠性不变的前提下，采用新的方案将多个零件进行集成化设计，提高悬架系统部件功能扩展性和兼用性的重要手段，集成化设计精简零件数量，以达到轻量化设计思路。如以某公司弹簧滑板和推力杆支架优化为例，在保证结构强度、刚度和耐久等性能基础上，通过集成优化设计将原有零件数量 9 种优化为 6 种，实现减重约 36%以上，如图 4 所示。
 

3. 悬架支架结构优化

    结构优化设计是对汽车整体以及零部件结构进行分析，通过对结构进行改进优化，在保证安全使用性能的前提下，实现汽车结构和零部件的整体化、精简化以及轻质化。汽车结构优化主要的主要方法是：尺寸优化、形状优化和拓扑优化。尺寸优化主要针对汽车结构和零部件的型面和板厚进行优化；形状优化则是根据零件的主要受力位置，对零件的形状进行改进优化，使零件的受力更加均匀；拓扑优化在汽车结构的概念设计阶段应用较多，在给定汽车结构的设计区域内通过优化算法，在满足约束条件情况下，实现结构材料的最佳布局形式，提高材料的利用率，保证结构的各项性能在合理的安全系数范围以内。运用 Hyperworks 等有限元分析软件对某重卡推力杆支架结构优化前后结果如图 5、图 6 所示，重量降低 13.9%。
 

四、结语

    通过研究对标国内外在重型商用车领域轻量化技术路线，总结并提炼出悬架系统轻量化设计思路及主要设计方法，并以工程实践开发为例，为重型汽车底盘悬架系统及部件轻量化设计提供思路，也可为从事悬架设计人员提供参考、借鉴。

作者：杨银辉 申国伟  来源：汽车实用技术
 

福利：做任何事情，都有方法。比如汽车行业如何最短时间内获取高薪，其实，是一件很容易的事情，结合汽车行业十多年工作经历，我做了一次系统全面总结无偿分享大家，文章共计十篇。帮助更多的网友在汽车行业快速发展。同时，我业余时间整理一套免费经典的CATIA视频教程， 汽车设计领域必备软件工具，大家有需要的，可以给我留言，请加微信qifei1799。提“启飞”就可以获取下载链接:汽车行业快速突破月薪过万绝密分享和catia视频精品一套。明确方向，精准学习，为以后在汽车行业职场做好铺垫。