副车架设计规范-新能源汽车

XXXXXXX有限公司副车架设计规范编制：校对：审核：批准：2017-09-15发布2017-09-20实施XXXXXXX有限公司发布前言本规范的主要目的用于副车架开发设计基本要求。范围本规范规定了新能源汽车副车架开发设计基本要求。2、规范性引用文件无3、术语和定义3.1副车架功能定义副车架可以看成是前后车桥的骨架,是前后车桥的组成部分。副车架并非完整的车架，只是支承前后车桥、悬挂的支架，使车桥、悬挂通过它再与“正车架”相连，习惯上称为“副车架”。副车架作用一是阻隔地面及动力总成的振动和噪音，减少其直接进入车厢；二是使装配模块化(前悬模块主要集成动力总成及其附件、前悬架系统、转向器总成、左/右制动器装配总成等)，既方便又省时。3.2副车架基本类型非框架式前副车架、刚性连接框架式前副车架、柔性连接框架式前副车架、非框架式后副车架、框架式后副车架4、副车架结构设计4.1副车架基本形式的选择根据设计车型前期的悬架形式定位，选择副车架的基本形式。为降低开发成本及风险，副车架设计基本分为2种情况，情况一为完全重新设计，基本形式在标杆车基础上进行重新设计，情况二为在现有平台基础上进行改款升级，一般形式与基础车型相同。4.2副车架的硬点的确定副车架硬点包括安装硬点、定位硬点、运动硬点三种。前副车架安装硬点包括自身安装硬点、转向器安装点、横向稳定杆安装点、摆臂安装点、后悬置安装点等，后副车架安装硬点包括自身安装硬点、横向稳定杆安装点、各控制臂安装点、后主减速器总成前后安装点等。定位硬点为副车架整体主、副定位点。运动硬点为各控制臂、横向稳定杆的弹性中心，弹性中心决定了各运动零部件的安装点位置。副车架硬点需根据整车预研方案的要求在标杆车基础上进行设计，需配合如轴距、轮距加大、置换动力总成等方案进行修改，各安装硬点、定位硬点初步确定后，需与各专业（主要是车身专业）进行交流，然后根据反馈意见进行调整，并将此问题反馈进行预研方案调整，运动硬点确定后需根据动力学分析部门的悬架动力学分析结果进行调整。4.3副车架与车身安装点、定位点设计副车架与车身安装点一般为4个或者6个，且左右两侧相互对称，，4个安装点设计位置一般位于副车架的4个边角处，如图1-3、1-4、1-5所示，6个安装点设计方式相对4个安装点方案一般在下摆臂安装点之间采用焊接支架的形式增加2个对称的安装点，如图1、2所示，安装点设计完成后需进行装配可行性、可维修性校核，特别是位于下摆臂之间的副车架安装点，摆臂设计过程中应对其安装点进行避让，且此安装点装配可行性校核时需将下摆臂跳动到下极限状态进行校核，如图1-1所示。图1-1安装点装配可行性校核副车架的定位点一般由主定位点（圆孔）和辅助定位点（长圆孔）组成，一般位于副车架的后部安装点附近，定位点设计过程中需考虑定位销的平面接触面积，此处推荐定位销接触面侧定位孔（辅助定位孔）距圆角边大于8mm，如图1-2所示。图1-2定位销接触面校核4.4纵梁总成设计输入条件：1、布置完成的动力总成数据；2、平台所有车型最大的轮胎包络；标准要求：1、副车架与动力总成间隙大于等于20mm；2、副车架与轮胎包络间隙大于等于10mm；纵梁结构设计过程中经常会遇到与动力总成间隙不满足要求的情况，如某车型前副车架设计之初副车架与动力总成间隙仅为4.6mm不满足设计要求，如图1-3中水红色与绿色所示，为保证纵梁总成拥有足够的刚度，在断面Z向下降后应增加断面Y向尺寸，保证修改后截面积与修改前相近，修改后断面如图1-3中浅黄色与蓝色所示。图1-3纵梁修改方案4.5碰撞溃缩结构设计为了提高碰撞星级，在框架式副车架纵梁中需设计碰撞溃缩结构，与车身碰撞溃缩结构相似，副车架纵梁碰撞溃缩结构也存在着变形区和刚性区，变形区主要通过局部结构弱化加以实现，理想碰撞过程中，受力初期吸能盒溃缩，随着受力加大纵梁向下弯折，动力总向下运动，从而减少动力总成对驾驶舱的侵入量，实现对驾驶员、乘客的保护。副车架典型碰撞溃缩结构可分为2种：S形纵梁结构、V形突变纵梁结构；S形纵梁结构一般在S形弯曲处对纵梁截面进行缩小弱化，如图1-4所示某副车架结构，V形突变纵梁结构是直接对纵梁弯折区域进行V形结构弱化，如图1-5所示某副车架结构，此两种结构并没有明显的界限，很多车型同时出现两种结构，如某车型。图1-4纵梁S形碰撞溃缩结构图1-5纵梁V形碰撞溃缩结构在纵梁结构弱化后，为保证副车架的正常行车时的纵向刚度，一般在弱化区域增加加强板，如图1-5所示。4.6转向器安装点设计转向器安装点尽量采用对称设计，以保证转向器本体受力的均衡性；转向器安装点一般选在副车架刚度较大处，并采用焊接安装套管形式进行Z向刚度加强；考虑副车架的平台化，一般在设计安装点时需考虑左右舵通用，如图1-6所示。图1-6副车架转向器安装点（左舵上，右舵下）4.7后悬置安装点设计后悬置安装点需根据同平台所有动力总成后悬置点位置进行居中选定，以保证副车架后悬置安装点的平台化；后悬置安装点主要承受来自后悬置的X向力，所以在结构设计过程中需注意将其X向力均匀传递至副车架整体后横梁总成，避免应力集中风险，如图1-7所示。后悬置安装点结构形式可归纳为2类，第一种结构为在后横梁本体上焊接安装支架，如图1-7所示，第二种结构为直接安装在后横梁上下板之间，中间采用支撑板加强，如图1-8所示。后悬置安装腔体设计完成后需进行后悬置前点沿弹性中心Z向±15mm（此值根据悬置解耦的不同进行调整）跳动包络校核，最小间隙需大于15mm。图1-7后悬置安装点断面图1-8后悬置点断面4.8液压弯管梁设计液压管梁因结构简单、力学性能好等优点，被广泛应用于框架式副车架的横梁、纵梁；因液压成型工艺要求，管梁当量直径需略大于管材的直径，当量直径变化率（控制在2%-5%）范围之内，最大不超过7%，同时要求过渡圆滑，避免出现尖角或圆角过小的情况。截面截面周长（mm）当量直径（mm）变化率（%）截面1198.463.153.58截面2198.563.18截面3205.565.41图1-9液压管梁成型分析4.9四轮定位参数调整点结构设计受零部件制造工艺精度水平限制，部分车型需在标杆车前束调整点基础上增加外倾调整点结构，四轮定位调整结构主要是满足偏心螺栓的限位要求，一般以下2种结构较为常用，结构一为在钣金平面上直接冲压对称的限位突起，如图1-10所示，结构二为焊接限位小支架，如图1-11所示；图1-10冲压突起限位结构图1-11限位支架结构副车架增加外倾调整点后，需充分考虑外倾调整过程中控制臂包络的增加量，并与之保持合理间隙，如某车型增加外倾调整点后，上控制臂调整包联络与副车架纵梁翻边干涉，副车架纵梁进行避让修改，以保证10mm以上间隙。上控制臂安装点增加外倾调整点上控制臂安装点增加外倾调整点解决方案：将纵梁向内侧移动10mm，下部翻边开避让缺口上控制臂包络制作过程中应考虑偏心螺栓运动干涉图1-12四轮定位参数调整点结构设计4.10漏液孔设计在副车架设计过程中，涉及到空腔结构或者“坑”状结构设计时，一定考虑漏液孔的设计，避免实车状态因结构积水引起副车架锈蚀，如图1-13所示某车型前副车架的漏液孔设计，孔径大小根据空间确定，一般推荐φ12mm。图1-13漏夜孔设计4.11套管类零部件设计套管类零部件一般可分为内部支撑套管（不凸出）、外部安装套管（凸出）两类，当内部支撑套管起定位作用时，套管直径小于钣金孔直径，套管与一侧贴合焊接，与另一侧留调整间隙，当内部支撑套管不起定位作用时，套管直径大于钣金孔直径，套管与上下板面贴合无间隙，且为单侧焊接，如图1-14所示。图1-14内部支撑套管为便于简化后期焊接工艺，外部安装套管类零部件设计过程中，一定要保证在上下颠倒焊接时可互换通用，一般需注意上下表面公差要求相同、两端倒角相同等，且凸出高度推荐大于6mm，套管与钣金件留有（0-0.5）mm间隙。图1-15某车型外部安装套管4.12副车架平台化设计副车架设计之初就应考虑需搭载此副车架的所有车型的平台化设计，前副车架主要考虑不同动力总成、两四驱、左右舵等因素影响，如某车型共搭载4款动力总成，在此基础上需同步开发两四驱、左右舵车型，在副车架设计过程中，需考虑满足所有动力总成的最大包络要求、右舵转向器、四驱分动器等零部件的安装要求。5、副车架工艺设计5.1基本工艺要求结构可靠，主体断面或结构有标杆车参考；焊接工艺简单快捷，焊接定位能保证总成尺寸；焊接件数模的焊接方式、焊接位置、焊接尺寸以及焊接间隙要符合标准规定的要求,两零部件面接触的CO2保护焊，两面应贴合无间隙；两零部件线接触的CO2保护焊，两者之间应随零件形状变化，焊接间隙应基本均匀一致，并在0.5～1.0mm之间，特殊局部最大允许间隙1.5mm；如图1-16所示；图1-16某车型后副车架焊接间隙数模焊接和调整部位应预留焊接调整间隙。如图1-17所示前安装板焊接过程中，考虑多个面与后横梁搭接且需要保证后横臂安装点精度，前安装板与后横梁留有0.5mm焊接调整间隙。图1-17焊接调整间隙焊枪的接近性要合理，检查焊枪的运动空间要足够（一般焊枪直径25mm）；焊接件搭接宽度应大于5mm，如有U形件因变形而使得搭接边变小时，搭接边应大于7mm。设计搭接在选在平面处，这样有利于布置焊点，同时搭接面避免覆盖倒角。图1-18搭接边宽度两板贴合焊接折弯处应留有间隙，保证内R1≥外R2+2mm的原则。图1-19副车架焊接折弯间隙两板焊接有同轴孔设计应避免“双眼皮”，设计“一孔大一孔小”消除焊接误差不同心。图1-20焊接同轴孔孔径设计副车架注意与周边件的运动包络无干涉，间隙在10mm以上。副车架的钣金件设计避免制件形状复杂，不利成型定位，要设计定位工艺孔，同时要分析避免有局部变薄严重开裂现象。副车架的钣金件设计避免制件出现多余小尖角，造成修边困难，增加模具成本。零部件设计无拔模负角，深度冲压的零部件有吸皱结构。副车架上表面应适当的加一些加强筋，同时局部圆角要尽量加大，以防止起皱，开裂等现象。5.2焊接流程图制作根据标杆车型焊接流程的分析制作初版焊接流程图，随着副车架设计的深入，对焊接流程图进行调整并交流至工艺部门进行焊接流程工艺可行性分析，工艺部门反馈相应工艺问题，焊接流程图将进一步修改至双方达成一致意见。图1-21某车型焊接流程图6、副车架相关分析6.1副车架分析项目表1-1分析项目列表序号分析项目分析部门分析时间1前/后副车架模态刚度分析车辆安全工程研究院NC阶段2前/后副车架及安装点强度分析车辆安全工程研究院NC阶段3设计车操纵稳定性仿真分析动力学性能分析部NC阶段4设计车悬架系统仿真分析动力学性能分析部NC阶段5前后悬架系统疲劳分析可靠性工程研究院NC阶段6前后悬架系统焊点及焊缝疲劳分析可靠性工程研究院NC阶段6.2副车架CAE分析所需输入1、副车架设计数模及悬架系统数据；2、各钣金件材质明细清单；3、悬架系统运动硬点列表；4、悬架系统所有弹性元件（包括副车架衬套等）刚度曲线；5、最新副车架数据相对上版数据具体变更点。6.3副车架分析项目评价指标1、副车架及安装点强度分析评价指标在颠簸、制动、转向、加速工况下，强度分析结果一般与标杆车结果进行对比，应力趋势应与标杆车相符，且副车架各零部件最大应力必须小于所用材料的屈服极限。表1-2某车型前悬架数据与标杆车各零部件最大应力数据汇总表（MPa）2、副车架疲劳分析评价指标计算的疲劳分析结果包括副车架各个零部件的疲劳寿命和危险位置，计算得到的副车架疲劳寿命应该与标杆车设计寿命进行对比，大于标杆车设计寿命视为合格。3、副车架模态分析(1)螺栓连接工况评价：副车架第一阶模态频率前横梁不小于200Hz，后悬置安装横梁不小于250Hz，具体数值根据车型定位，参照Benchmark及公司数据库进行目标分析及评价，如表1-3所示。表1-3各车型模态数据统计表（2)衬套连接工况评价：设计车模态值应满足：a）响应阶次频率间隔不小于3Hz，以避免耦合；b）各阶次频率与车身扭转、弯曲、机舱横摆频率相互避让3Hz，避免共振现象发生；c）第一阶模态频率应大于路面激励及怠速开空调的激振频率；d）在满足上述条件下，根据车型定位，参考Benchmark及公司数据库制定设计车模态目标值。4、副车架刚度分析（1）静刚度：约束副车架与车身连接位置X、Y、Z平动及转动六个方向自由度，分别在摆臂、转向器、各悬置安装点加载X、Y、Z方向1000N的载荷，加载模型如图1-22所示，静刚度分析结果不得小于设计目标值（设计目标值根据标杆车型确定）。图1-22某车型焊接流程图表1-4某车型前副车架安装点静刚度（N/mm）（2）动刚度：在20-200Hz范围内，动刚度分析结果不得小于设计目标值（设计目标值根据标杆车型确定）。表1-5某车型前副车架安装点平均动刚度20-200Hz（N/mm）6.4副车架性能分析修改随着设计工作的深入，轻量化设计的理念越来越多的影响到整车的性能，所以在后期接受CAE方面的修改建议时应按照以下优先顺序对其进行选择，甚至驳回；1、结构优化；如某车型前副车架后横梁上板在制动工况下最大应力为347MPa，接近材料（SAPH440/2.0mm）的屈服强度，存在失效风险，并且在后悬置安装点周围存在应力集中现象，性能分析部门建议将后横梁上板修改为一个平面，后横梁最大应力降低至159MPa，低于材料的屈服极限强度，如图1-23所示。改前改前改后改后图1-23后横梁上板结构优化升级材料；如某车型前安装板颠簸工况最大应力为307MPa，不满足强度要求，性能分析部门建议将其材料有BR440/590HE变更为BR600/780HE，此应力低于更改后材料的屈服极限强度，如图1-24所示。图1-24前安装板材料升级2、增加焊道；如某车型左纵梁与后横梁搭接处明显应力集中，最大应力为311MPa，性能分析部门建议纵梁内侧向下延伸，增加搭接处焊道长度，修改后最大应力为210MPa，满足要求。图1-25前安装板材料升级3、增加厚度；4、增加中间支撑板、加强板。如某车型前后安装板为U形结构，强度较弱，考虑后期平台某车型，性能分析部门建议