轻量化设计对汽车底盘悬架球头总成结构的影响研究

引言

随着科学技术的发展，我国汽车制造业也得到了快速的发展。为了满足人们的出行需求，我国汽车的生产数量也在不断增加。近年来，随着全球经济水平的不断提高，我国的汽车行业也得到了较快的发展。汽车行业作为我国最大的一个工业产业，它在促进我国经济发展方面起到了重要作用。但目前我国的汽车工业仍处于起步阶段，其中还存在很多问题。因此，为了促进我国汽车工业的发展，必须对汽车进行轻量化设计。本文通过对汽车轻量化设计在汽车底盘悬架球头总成结构中的影响进行研究，以期为我国汽车轻量化设计提供一定的理论参考和实践指导。

一、汽车底盘悬架结构概述

1.1 汽车底盘悬架的功能和作用

汽车悬架是指汽车的底盘与车轮之间的连接装置，其作用是传递车轮与地面间的力和力矩，并将力和力矩进行合理分配。悬架可分为非独立悬架两种类型，非独立悬架又称为平衡杆式悬挂和扭力梁式悬挂。非独立悬架由于不能吸收冲击，因此在汽车行驶时会产生振动，影响乘坐舒适性。独立悬架具有结构简单、强度高、刚度大、行驶平顺性好等优点，能够有效降低汽车在行驶时产生的振动。现代汽车设计中，常常会使用独立悬架来代替非独立悬架，以提高汽车的乘坐舒适性。为了使汽车具有更好的舒适性，需要在其底盘与车轮之间增加连接装置，将底盘与车轮连接起来。

1.2 悬架结构的分类和特点

目前，汽车悬架结构的分类主要包括：螺旋弹簧、扭杆弹簧、双叉臂式悬架和钢板弹簧。螺旋弹簧、扭杆弹簧是由钢板弹簧演变而来，由于其刚度大、结构简单等特点，在汽车底盘悬架中使用较为广泛。扭杆弹簧、双叉臂式悬架是由螺旋弹簧演变而来，其刚度和质量都较小，但其制造成本相对较高。钢板弹簧是由钢板冲压而成的，刚度较大，制造成本低，但其缺点是韧性不足、寿命较短。双叉臂式悬架是一种独立的悬架结构，具有结构简单、制造成本低的优点，但其刚性不足。因此，在实际使用中需要合理搭配其他类型的悬架结构，以发挥不同类型悬架的优点。

二、轻量化设计理论概述

2.1 轻量化设计在汽车工程中的应用

随着科技的进步和人民生活水平的提高，人们对汽车产品的质量和性能要求也越来越高，在追求质量和性能的同时，也更加注重汽车产品的使用成本。因此，为了提高汽车产品的市场竞争力，同时又能减少汽车生产成本，越来越多的汽车生产企业开始关注轻量化设计。目前，轻量化设计在汽车工程中得到广泛应用，主要包括以下几个方面：一是整车轻量化设计。整车轻量化主要是指在保证汽车正常运行的情况下，通过采用更高强度、更轻质量的材料和技术来减少汽车自重，从而达到降低汽车生产成本的目的。整车轻量化设计不仅能减少汽车自重，还能提高汽车行驶时的稳定性和安全性。二是零部件轻量化设计。零部件轻量化设计主要是指通过采用更高强度、更轻质量的材料，来实现对零部件重量的降低，从而达到减轻整车重量的目的。

2.2 轻量化设计对汽车底盘悬架结构的影响

轻量化设计在汽车底盘悬架结构中的应用，对于提高汽车的操控性、舒适性和安全性都有很大帮助。通过在汽车悬架中采用轻量化设计技术，能够将原有的钢材使用量降低到原来的1/3,同时，在保证汽车稳定性和安全性的前提下，可以将重量减轻 10% 左右。对于汽车悬架球头总成而言，采用轻量化设计技术之后，其内部结构的强度和刚度都会有很大提升。通过采用轻量化设计技术后，能够在保证汽车整体强度和刚度不变的前提下，将重量降低 10% 左右。因此，对于汽车底盘悬架结构而言，轻量化设计技术是提高汽车性能、降低生产成本和提升经济效益的重要途径。

三、轻量化设计对汽车底盘悬架球头总成结构的影

3.1 轻量化设计对球头总成结构的影响

汽车悬架球头总成的最大等效应力变化不大，球头总成结构设计较为合理，球头总成整体刚度较好，但是最大变形量明显增大，从球头总成的刚度分布情况来看，球头总成中部刚度最大，两端次之。分析球头总成最大变形量和应力分布情况可知：轻量化设计后，球头总成的整体变形量与应力分布都发生了一定的变化，但球头总成的一端存在着应力集中现象。在轻量化设计后，球头总成中的球头体、球头座和球头套都发生了较大程度的变形和应力集中现象，球头体与球头套连接处和球头座与球头套连接处的应力值有所增大。

3.2 材料选择与优化

球头总成的材料选择是球头总成轻量化设计的基础，球头总成在使用过程中受到多种载荷作用，球头总成结构承受较大的冲击载荷，在材料选择上应考虑球头壳体与球头之间连接部分、球头与衬套连接部分等重要零件的强度要求。

在满足强度要求的基础上，对球头壳体材料进行优化，选择铝镁合金材料，使其在满足强度要求的同时实现轻量化设计。球头壳体材料为 6063 铝合金，衬套材料为镁合金。将球头壳体材料、衬套材料分别按照一定的比例组合成 12 种方案进行有限元分析，对其中一种方案进行优化改进。

3.3 结构设计与分析

在轻量化设计的球头总成中，采用了由圆柱销孔、空心轴孔、圆锥轴孔等组成的零件，这些零件都是在设计之前预先加工出来的。在实际使用过程中，这些零件可能会发生松动、损坏等情况，为保证零件使用寿命，应在设计时对其进行合理的校核。通过对球头总成进行有限元分析，得到球头总成的应力云图和位移云图。从应力云图和位移云图可以看出，在设计时由于考虑了材料强度和刚度，球头总成的应力分布比较均匀。球头总成在受到垂直载荷时，其应力和位移分布情况与实际使用工况基本吻合。由此可见，轻量化设计后的球头总成可以满足汽车使用工况下的使用要求。

结论

本文通过对汽车底盘悬架球头总成进行轻量化设计，对球头总成进行有限元分析，得出轻量化设计对球头总成结构的影响，主要体现在以下几个方面：首先，轻量化设计后的球头总成，在垂直载荷下，其应力分布比较均匀；其次，轻量化设计后的球头总成，其最大位移发生在最大扭矩位置附近；最后，轻量化设计后的球头总成，其最大应力发生在圆锥轴孔和圆柱销孔等位置。因此，在实际工程应用中应注意轻量化设计对汽车底盘悬架球头总成结构的影响，采取合理的轻量化措施来改善球头总成的力学性能。

参考文献

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