张海莉 谢涛

(恒大恒驰新能源汽车研究院(上海)有限公司第一车型研发院，上海201600)

副车架作为悬架一个重要零件，其提供悬架系统、转向系统和动力传动的安装位置,并且从结构角度将载荷分配到最合适的车身区域。本文将详细介绍副车架的功能、分类、内部结构与接口、新技术等要素。

副车架有三个基本功能，第一个功能是用来承载，例如承载前或后悬架零件，如果利用车身结构的前后端来达到这个目的会增加其不可接受的复杂性或成本，还会有制造或维修的困难。在装配过程中可以将副车架直接螺接在车身结构上，这种固定在车身结构上而没有隔离弹性体的副车架称为刚性连接副车架。第二个功能是将悬架系统与车身之间的高频振动隔离开来。在这种情况下，橡胶体或聚氨酯等隔离弹性体安装在悬架控制臂与副车架，以及副车架与车身的接附点上，这种副车架与车身之间有弹性体的结构叫作弹性连接副车架。第三个功能是副车架可以隔离动力总成的振动，通常副车架和动力总成之间由一个三点或四点弹性悬置安装系统。

为了让副车架被批准生产，其必须满足其功能和整车制造目标。任何一项功能的改变都会影响其他功能。因此，参与开发的人都必须对其跨职能需求有一个基本的了解。副车架的功能目标本质上是将客户需求、法规需求转化为设计和开发目标。副车架的主要目的是为动力总成及其他底盘零部件提供结构支撑，在一些车辆中，它可以完全或部分地支持动力总成。

副车架的功能目标主要有以下几个方面:舒适与操稳性、耐久性、NVH和耐碰撞性。为了保证车辆制造和性能目标，还有其他要求限制，如耐腐蚀、离地间隙、尺寸公差和布置等。下面列出了有关副车架的功能和车辆性能目标要求[1]。

操稳和舒适性：副车架必须具有良好的操稳和舒适性，其目标值应定义为等于或优于其对标或竞争车辆。这些目标可以通过模拟分析静刚度、在实验室进行的运动学和顺应性(K/C)测试以及主观驾驶评价等来评估。刚度是副车架设计中最重要的一个指标，在产品设计中应当首先予以考虑，也可以作为零件拓扑优化的边界条件。刚度是全局问题，合理的结构决定了产品具有一定的刚度，副车架在不同方向刚度需求是不一样的，整车横向刚度建议保持一个较高水平，这样不会因为刚度低而发生溃变，起到良好的支撑；
而整车纵向刚度需要结合悬架系统纵向柔度和辅助碰撞的需求。

在首轮仿真分析时如果刚度离目标值很远，应当考虑改变零件结构而不是局部优化。在结构一定的情况下，刚度取决于材料的弹性模量。无论何种强度级别的钢板，其杨氏模量基本一致，所以采用高强度钢板并不能提高零件的刚度。刚度对材料板厚非常敏感，通过计算机进行板厚优化能找出合理板厚分布。在刚度全部满足指标的前提下，说明产品的结构基本是合理的，此时强度往往成为局部问题，切忌因为强度问题推翻整体结构。

耐久性：在零件试验台、道路模拟试验台和试验场进行的所有耐久性测试结束后，副车架必须保持结构完整性和功能。工程师可以通过仿真，根据不同试验工况下副车架上产生的工作应力来评估结构的完整性。一般来说，在极限工况和普通耐久载荷下，副车架应力必须在材料的屈服强度范围内。此外，对于疲劳分析，由此产生的累积损伤因子应小于1。

NVH：司机耳内的噪音应低于55分贝，为保证良好的隔振效果，在0～800 Hz频谱上，副车架与所有悬架系统和车身结构的接附点处的结构动刚度和衬套动刚度之比须至少为10∶1以上。这一要求改善了副车架的隔离特性，相对于是改善了结构噪声[2]。副车架和车身作为一体，增加了整体的刚度，对抑制振动有好处；
另副车架模态匹配需控制好，模态不要出现和其他振动系统的频率耦合，尤其是动力总成模态。为了避免与其他系统避频，对于刚性连接副车架，其一阶约束模态要求大于200 Hz；
而一般情况下，相近尺寸的副车架，框型结构的模态会低于蝶形结构的模态；
弹性连接副车架，由于弹性体的存在，其模态低于刚性连接的副车架模态,如弹性连接的框型副车架模态一般不会超过110 Hz，为了避免与动力总成共振，需与动力总成模态(如50 Hz左右)的间隔保持大于20 Hz以上，一般规定其模态大于70 Hz。模态主要取决于零件的刚度及重量分布，通过提高刚度以及调整零件的重量分布能有效提高副车架的模态。

耐碰撞性：为了获得耐撞安全性，车辆碰撞需通过正碰、40%偏置碰、25%偏置碰、侧碰等测试。在正碰时，副车架对碰撞的贡献如下：配合车身纵梁等其他结构，辅助吸收碰撞能量；
在碰撞时副车架须发生折弯变形(可在副车架纵臂上设计一级多两级诱导变形溃缩槽)或者后点螺栓脱落，来辅助动力总成下沉，同时为纵梁变形提供更多空间。为了实现这一目标，部分汽油车副车架可设计后螺栓在极短时间内分离，进而副车架结构滑到车身下方的方案。但对于电动车，副车架后端布置的电池包，为防止碰撞时副车架与电池包干涉产生更大安全问题，一般不允许副车架后端螺栓脱落。因此对于不同的车辆方案，车辆和相应的副车架要求可能是不同的，可能需要副车架吸收能量并在特定模式下弯曲形式或保持刚性以支持车辆的要求也会不同[3]。为满足25%偏置工况，建议设计时，多增加副车架与避障的重叠量。

耐蚀性：副车架暴露在车辆底部，承受湿、热及碎石冲击，遭受各类液体的腐蚀，并且副车架的使用寿命一般为终生免维护，所有副车架均需要满足对应的耐腐蚀要求。一般副车架必须经过相当于10年的正常使用，而不会因为腐蚀而失去功能。为了减重所开的槽、孔一般应定义于最低处，这样可以将进入的水直接排掉，避免水长期留存导致腐蚀。

尺寸公差：副车架局部公差应在安装定位的规格范围内，离地间隙要求和维修性也影响其设计形状和尺寸。另外副车架的尺寸公差对四轮定位公差贡献很大，以双叉臂结构的前悬架为例，前副车架上的转向器位置度、转向器与前副车架的孔销浮动均会影响前轮前束角公差；
而副车架上的控制臂位置度和孔销浮动，对前轮外倾、主销内倾、主销后倾的公差均有较大影响。

离地间隙：车辆必须在路沿等不同下有足够的离地间隙，副车架设计时需注意其最低点或安装最低点零件时的结构设计。

布置：副车架必须满足其所有周边零部件的布置要求，以便副车架和其他子系统的组装和维修性。副车架与控制臂、稳定杆的臂体间隙一般要求大于10 mm，与电机、电池包间隙大于25 mm，其中衬套件与副车架支架间隙一般要求在衬套径向方向大于10 mm，衬套轴向方向大于5 mm。其的设计范围是由这些周边零件静态和动态状态的几何形状定义的。

重量：为了实现副车架支撑车辆的重量、成本等目标，重量尽可能轻。

一般按照副车架的形状，主要形式可以划分为蝶形(半副车架)和框型(全副车架)两种类型，蝶形副车架较多用于部分前悬架结构，框型副车架可以用于前、后悬架结构。

图1 蝶形副车架

图2 框型副车架

按照配接悬架型式不同可划分为前副车架和后副车架，前悬架有麦弗逊和双叉臂两种结构，但是这两种悬架都是下控制臂装配在副车架上，而双叉臂结构的上控制臂都是直接装配在车身上，所以前悬架的副车架结构都比较相似，都是扁平型副车架，其纵梁的高度跨度比较小。

后悬架一般都是多连杆结构形式，且后控制臂直接装配在副车架上，所以如果具有上控制臂悬架的副车架在高度方向上的跨度都比较大，而如果是三连杆悬架的副车架由于没有上控制臂，其高度跨度也比较小。

图3 前悬副车架

图4 后悬副车架

从材料划分，可把副车架分为钢制副车架和铝制副车架，由于钢制副车架和铝制副车架制造工艺的不一样，如果考虑后期需要两种材料的切换，需在开发前期开发一款副车架时就兼顾另一种材料的布置空间保护。钢制副车架主要由冲压+焊接或者液压成型+焊接两种型式，铝制副车架主要有整体铸造(主要应用低压铸造、高压铸造、挤压铸造等工艺)、铸铝+铝挤压件、铝挤压拼焊(如宝马4)等三种基本型式。部分车型还会用到以下型式：整体液压成型(如大众辉腾)、铝液压成型+铝挤压件、铸铝+铝液压成型+铝挤压(如奥迪A6)、铝冲压+铝挤压、铸铝+铝冲压等型式。其中铸铝+铝挤压型式主要由铝低压永久模铸件和铝挤压件组成，铸件和铝挤压件通过金属惰性气体(MIG)熔焊工艺连接，见图5。低压铸造和挤压铝制造工艺能够结合中空型材，提供了一个有效的轻量化机会，同时满足产品刚度目标和布置空间要求。

图5 低压铸造铝+挤压铝副车架示意

如前文所述，由副车架与车身接附点不同，副车架可以分为弹性连接副车架和刚性连接副车架。采用刚性连接副车架可以简化装配过程，降低副车架安装系统的一定成本，并显著提高整体系统的刚度。

弹性连接副车架对轮胎端路面滚动噪音衰减效果更好，同时其可配合动力弹性悬置，实现动力总成振动的二级衰减；
而刚性连接副车架更强调转向的直接感受，在操控性上有所优势，成本也低。传统汽油车部分车型会设计副车架后螺栓点脱落结构，来降低碰撞时的加速度峰值；
但弹性连接副车架由于衬套的存在，力不能全部直接传递到后点螺栓，导致后点脱落不易实现且不好控制；
但电动车是不需要设计后点脱落结构，因此不受此影响。

从副车架与车身接附点数量对比，主要可分为六点连接或四点连接副车架。六点连接整体刚度、模态更高。六点连接与车身固定的结构更多，导致车身纵梁变形受副车架影响更大，可以通过其结构优化碰撞时的车身纵梁变形；
相对于四点连接，六点连接更不容易设计螺栓脱落结构；
同时因副车架的纵臂单边被中塔结构分成两部分，纵臂需和车身纵梁对应结构设计碰撞结构，副车架和车身纵梁可否稳定地同步压溃为设计难点。

副车架的结构设计具有多样性的特点，不管是蝶形副车架还是框型副车架，都没有固定的设计形式。蝶形副车架一般由于其一体化的设计，无法对其进行严格的结构划分。而框型副车架往往可以分为横梁部分、纵梁部分及相关附属支架部分。横梁是体现副车架强度性能最关键的构件，一般副车架都会要求较高的横向刚度和强度，整个副车架的横向方向受力也是最严峻的方向。纵梁主要起到连接副车架横梁的作用，同时也是影响碰撞安全性能最重要的构件。

副车架的接口一般可以分为两类，一类是副车架安装在车身上的接口，另一类是安装在副车架上零件的接口，这些接口有些直接集成在副车架的横梁、纵梁上面，也可能需要单独设计一些支架提供这些接口，这些单独设计的支架往往构成了副车架的附属支架部分，为改善舒适性，部分车身会增加弹性衬套结构[4]。

硬点和动力装置确定后，一般副车架的大体结构就能确定了。

纵臂设计：左右纵臂的横向跨度尽量小，能够提高副车架的强度，同时能够提高控制臂的长度。但纵臂受制于动力装置的影响，所以设计时纵臂往往尽量贴近动力装置。

横梁设计：横梁的位置主要取决于相关硬点的位置，包括控制臂硬点和动力装置硬点。往往动力装置的支架直接布置在横梁上，可以不用重新设计额外的支架，横梁还应该尽量靠近控制臂着力点，这可以尽可能增加副车架的强度和刚度。同时横梁上也会布置转向器、稳定杆等安装接口。

摆臂支架的设计：摆臂支架是副车架上应力相对较大的部件，一般钢副车架的摆臂支架是焊接在纵梁上，而铝副车架的摆臂支架一般为铸造生成的支架再经过机加工而成。支架与衬套配合的宽度间隙会影响支架的疲劳强度，而铝副车架支架的疲劳强度对间隙相对更为敏感。一般铝副车架是后机加工而成，相对精度更高一些，所以如果对于位置要求更高的钢制副车架，可能需要考虑焊接柔性冲孔的工艺。经四轮定位公差累积分析结果和供应商制造能力的相互匹配，可以定义出摆臂支架的标准化接口尺寸定义，如主定位孔位置度、过孔同轴度及位置度、开档尺寸公差、衬套安装面轮廓度等等。对于钢制副车架，带前束、外倾调节机构的摆臂支架分为两种结构，刺破和不刺破形式，刺破形式可实现的精度更高，但强度低于不刺破形式。设计时，需注意调节凸包相对于偏心垫片的高度、对称度等因素。

弹性衬套设计：弹性衬套布置在整车Z向，其在整车X向刚度需设计软，以改善其纵向冲击舒适性；
而在整车Y向刚度需设计较硬，起到良好的支撑作用，提高转向响应。

材料及生产工艺优化：随着材料技术以及制造工艺的发展，副车架越来越不局限于传统的钢制副车架和铝制副车架，现代副车架也一直在采用新的材料以及新的工艺以达到更轻的重量或者更低的成本。

由于副车架的工作工况，对可靠性要求比较高，且为最重要的安全构件，所以一般铝副车架采用低压铸造或者挤压铝等作为构成副车架的基本材料，以保证铝材微观组织的一致性和致密性。部分车型，如本田铝副车架开始采用高压铸造的铝副车架，高压铸造相对于低压铸造生产效率更高，成本更低，可以制造更薄的壁厚以实现更低的重量。但是由于高压铸造时金属液高速充填型腔的过程中容易卷入气体,使得生产的铸件内部气孔多,无法进行热处理,产品伸长率很低,在应用上受到限制。同时目前行业内还没有太多针对高压铸铝副车架的标准，包括设计指导标准、材料机械性能还是微观结构标准，因此高压铸造需要有关课题的详细研究才能在更多车型上量产[5]。

钢铝混合副车架目前市面上比较少，目前有本田北美版本田雅阁、奥迪Q5产品。钢铝连接一般通过IW(钢钉冲铆铝板和钢钉与钢板点焊)、SPR(自冲铆连接)和FDS(自攻螺纹连接)技术实现钢制结构件和铝制结构件的连接。

相对于传统金属材料，复合材料，如碳纤维在重量上具有绝对的优势，同时成本也不会大幅增加。但是碳纤维复合材料可靠性相对较低，且材料的延伸率相对较低，受到冲击容易出现较为严重的破坏，且碳纤维复合材料对温度比较敏感，所以目前新型复合材料在副车架上并没有推广[6]。

尺寸精度优化：为进一步提供悬架精度和四轮定位公差，以改善操稳性能。对于钢制副车架上的控制臂安装支架孔，现多家汽车制造商在推进柔性冲孔工艺。柔性冲孔可以在总成焊接完成后再对控制臂安装支架孔冲孔，其冲孔力远小于传统冲压，被冲件变形很小，从而控制臂安装孔位置度精度很高。安装孔径向方向位置度可以达到0.6 mm以内，而传统冲压工艺位置度要做到2.0 mm左右。另外柔性冲孔生产节拍快，如某副车架8个孔位，可以在70秒内完成冲孔。柔性冲孔难点在于冲头模具的布置方案和冲压顺序的设定。目前做得比较好的供应商有Widdel等。

随着政府监管部门对整车的操稳和舒适性、耐久性、NVH、抗碰撞性等性能的日益关注，汽车制造商对这些性能的要求越来越高，副车架各项性能设计显得尤为重要。本文从从副车架需满足整车的各方面性能切入，详细描述了副车架为满足整车各方面性能所需达成的功能；
并从副车架结构、材料、与车身接附点的软硬连接及数量等展开讨论副车架各类型结构的优劣势，同时对副车架的目前最新技术进行了分析，尝试阐述副车架的设计时须注意的要点。

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