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多极限工况下汽车悬架关键紧固件的设计优化

德国人卡尔.本茨在1885年研制的第一辆汽车预示着汽车工业的开始，在随后的130年的发展长河中，汽车已经成为一种人们出行不可缺少的交通工具。目前汽车工业经过一百多年的发展也已经达到了相当高的水平。现在汽车工业的规模和其产品的质量已经成为衡量一个国家机械水平的重要标志之一。


如今汽车工业在中国正在如火如茶的发展，随着中国自主品牌可以独立自主的开展新车型的研究，自主品牌也越来越受到车主们的喜爱。但是中国品牌真正发展目前还处于前期，出于市场考虑，车企目前还是以逆向开发为主。汽车终究还是一个机械产品，数千上万的零件最终堆砌成一个完整的系统，即使小到一颗紧固件的技术或者装配参数的差异，也可能导致整体质感的天壤之别。因此必须对汽车设计的自主性加以重视。

 

随着全球汽车品牌的增多，车企要想在越来越激烈地国际竞争中脱颖而出，必须想方设法的提高自己产品的竞争实力。而紧固件这个广泛应用在汽车底盘中的小小零部件目前却没有得到车企的重视。


紧固件是用来连接一个或多个零件使之成为一个整体的机械零件，在车辆系统中处于举足轻重的地位。一旦在车辆的高速行驶过程中关键紧固件出现断裂或者崩溃，就会导致一系列机构无法工作，车辆将会出现无法预计的后果。而且紧固件的作用不仅仅在于此，目前有众多的车企因为不注重紧固件的设计研究，其生产的车型中紧固件也不能保证它的可靠性，因此紧固件或者出现松动或者出现断裂，其车辆因此出现了各种小毛病，例如底盘前部在某种操作中出现异响，虽然对于消费者来说都是小毛病，但是对于产品来讲却严重影响了其产品的可靠性能与安全性能。因此，在车辆设计时就应该保证紧固件的性能。

 

汽车动力学可以追溯到20世纪20年代，随着汽车大量应用出现了各种各样的问题，人们开始研究汽车振动问题，由此独立悬架应运而生，在随后的几十年里随着多刚体动力学软件的应用，人们对车辆动力学又有了进一步的加深，此时先进的控制理论与技术已完全应用到汽车底盘中。


然而，虽然现在对底盘悬架的动力学及运动学还有前后悬架的底盘性能研究已经非常详细，目前我国对紧固件这块领域的研究还是非常稀少，大部分研究都是针对紧固件本身性能来研究的。紧固件由于在底盘中处于关键的作用，在设计中一丝一毫都不能疏忽，因此目前需要在车辆底盘紧固件设计领域进行研究，开发一种有效的紧固件设计方法来保证车辆底盘紧固件的可靠性。

 

一、底盘紧固件概述


紧固件主要指的就是螺栓连接，螺栓连接在装配时必须保证的是不松动，即拧紧，这样连接在承受工作载荷之前就已经承受了一定的作用力，即预紧力。预紧力对于螺栓来说作用很重要，不仅能够保证被连接件不出现滑移，而且最重要的就是放松作用，提高了连接的可靠性。因此其紧固件处载荷的分析与提取十分重要。

 

在车辆复杂的底盘中，许多连接处的关键部位存在着紧固件，且每处的连接形式以及紧固件数量都各有不同，在车辆设计初期时就需要初步确定紧固件的强度，底盘零件工作环境恶劣，对于关键零件联接紧固件的可靠性要求不是很高，所以多数联接紧固件采用螺栓连接。

 

底盘关键紧固件包括下面5个系统中的螺栓连接，他们分别是：悬架系统、车轮系统、转向系统、制动系统、传动系统。下面对车辆底盘中的关键紧固件进行详述。

 

1) 悬架系统关键紧固件范围：前悬下摆臂前点、后点、外点连接螺栓；前悬横向稳定杆衬套安装点连接螺栓；前悬横向稳定杆拉杆上、下安装点连接螺栓；前副车架前、后安装点;前悬挂与转向节安装点；扭转梁与车身安装点；后减震器与扭转梁安装点。

 

2) 车轮系统关键紧固件范围：前轮毂与轮辋联接点螺栓；前转向节与轮毂连接点螺栓；后轮毂与轮辋连接点螺栓；扭转梁与轮毂连接点螺栓。

 

3) 转向系统关键紧固件范围：转向机安装点螺栓。

 

4) 制动系统关键紧固件范围：转向节与制动卡钳连接点螺栓。

 

5) 传动系统关键紧固件范围：传动轴中间支撑点螺栓。

 

如下图所示，利用K&C试验台模拟真实路况，利用传感器分析出底盘紧固件处的载荷数值后进行提取并分析。


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            汽车K&C试验台

 

二、底牌紧固件处载荷分析


提取极限载荷是紧固件具体参数设计的第一步也是最重要的一步，所提取的载荷精度直接影响紧固件的设计结果。提取载荷过大，会使设计的紧固件尺寸参数偏大，会影响其他系统的结构设计，增加了整车体积和质量，使设计成本提高;提取载荷过小，无法满足在极限工况下的使用要求，有连接失效的安全隐患。

 

目前极限载荷的提取通常有以下三种方法:

1)  静力分析法一一力平衡、力矩平衡；底盘关键紧固件连接多是采用普通螺栓紧连接，靠螺栓预紧力压紧被连件，使被连接之间产生摩擦力从而抵抗工作时的工作载荷。所以无论多复杂的连接形式通过静立分析方法一平面力系或者空间力系的等效合成都可以简化为以下四种受力状态：受横向载荷作用的螺栓连接、受轴向载荷作用的螺栓连接、受转矩作用的螺栓连接、受倾覆力矩作用的螺栓连接。分别计算出螺栓连接在这些简单受力状态下的工作载荷，然后经过矢量合成，便得到螺栓连接的总载荷。一般情况下，对普通螺栓可以按轴向载荷和倾覆力矩确定螺栓的工作拉力；按横向载荷和转矩确定连接所需的预紧力。

 

2) 路谱分析法一路面激励和载荷；路谱分析是建立在HEAD Recorder软件上的一种实验分析方法。确定测试样车后，输入测试样车轮胎，满载前、后轴荷等相关参数，在需要测试载荷的位置处安装传感器，通过数据线连接到数据处理设备上，然后开始路试。轮胎受到不同路面激励，测试位置传感器受到不同的载荷，通过数据线将传感器信息传到电脑上，由HEAD Recorder软件生成路面激励载荷曲线。通过比较分析，确定不同激励下最大的载荷作为极限工况载荷。

 

3) CAE分析法-一ADAMS仿真；ADAMS仿真分析是目前载荷分析使用最多的方法，随着计算机技术的发展，ADAMS仿真分析的便捷性和准确性不断得到提高，一般的分析步骤如下图所示：


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一般紧固件分析流程


现在对三种方法进行对比分析，利用静力分析法是通过数学模型进行紧固件处受力计算分析，但是由于要求的数值是相对于准确的紧固件受力分析，而车辆悬架复杂多变，而且里面多数的衬套刚度以及减震器阻尼都是非线性的特性，这样就给数学模型的计算带来了非常多的问题，其求得的紧固件处的受力必然是不准确的。

 

路谱分析法采用真实测量路面进行激励，是求得的真实紧固件处受力最准确的一种方法。但考虑到效率以及成本，首先路面建立过程复杂，耗费的人力物力以及时间比较多，其次计算输入的整车参数也比较多，且不容易获得全部的仿真参数。

 

而CAE方法建立在静力分析方法以及路谱分析方法之间，是目前比较广泛运用的一种方法，其主要的特点就是运用常用软件建模，比较方便。加载的工况为通用设置工况，容易控制。但是由于CAE方法建立的整车模型相对来说也是比较复杂，参数众多，许多参数都是基于设计时的设定值，需要进行方方面面的调试，而且在CAE中只能加载常用的几种危险工况，对于本文第二章所列举的通用的十几种危险工况并不能全部囊括。因此目前的CAE方法还有所缺陷，是一种并不成熟的设计方法。在CAE分析的基础上对一般紧固件分析流程方法进行了改进。具体流程如下图所示：

 

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1) 验证前的轮胎受力计算。首先针对具体的车型，用车辆多极限工况四轮受力分析软件计算车辆在十几种危险工况下的轮胎受力，同时建立相应的整车模型来验证车辆多极限工况中数学模型取值的准确性。这里的整车模型并不用于紧固件受力的提取，而仅仅是验证计算软件的准确性，在得到计算软件的准确性保证之后，针对相似的其他车型在进行紧固件的强度设计时也能够利用该计算软件得到轮胎的四轮受力，而不必再建立复杂的整车模型来进行多种工况的验证仿真。这虽然也要经过整车模型和试验的验证，但是这个过程只经历一次，而且对于类似的其他车型，车辆多极限工况四轮受力分析软件可以通用。

 

三、前悬架减震器上支点紧固件受力提取


现选取减震器上支点的螺栓进行强度设计，螺栓数目为4个。假设侧滑极限为0.8，极限转弯速度为26m/s， 由得，车辆需要通过半径约为R=86.2m的弯道。根据基本参数建立整车数学模型和悬架ADAMS模型，通过轮胎受力得到悬架关键紧固件受力，最终实现该车型的关键紧固件强度设计与选型。

 

将第二章末节利用计算软件得到的轮胎受力分别按工况加载到前悬架总成模型进行各工况仿真，建立相应的紧固件受力对应的request,提取紧固件处的受力，得到的仿真结果如下表所示：

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