王 倩 王新宇 陳 靜 孫萬(wàn)來(lái)

（1.吉林大學(xué)；2.中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

1 前言

隨著對(duì)商用車安全性、舒適性、節(jié)能和環(huán)保性能要求的不斷提高，越來(lái)越多的功能裝備安裝到商用車上，同時(shí)也增加了整車質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整車總質(zhì)量每增加10%，油耗將提高6%～8%。商用車全裝備駕駛室約占其空載整車質(zhì)量的1/10，空載行駛時(shí)駕駛室的燃油消耗在20%以上。商用車駕駛室為非承載式車身結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)通常有較大冗余，可對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，而且駕駛室的輕量化對(duì)降低商用車整車質(zhì)量、改善燃油經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。

駕駛室的輕量化設(shè)計(jì)是在保證其使用性能的前提下提高材料利用率，以達(dá)到減輕其質(zhì)量的目的。駕駛室輕量化分為駕駛室結(jié)構(gòu)件輕量化和內(nèi)飾件輕量化兩種途徑[1～2]。目前，國(guó)內(nèi)在商用車駕駛室結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方面已經(jīng)進(jìn)行了一些研究工作，文獻(xiàn)[3]～文獻(xiàn)[5]分別用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)、孔洞分布和焊點(diǎn)分布進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，在不降低其靜態(tài)力學(xué)特性及振動(dòng)模態(tài)頻率的前提下，分別減輕質(zhì)量46 kg 與 4 kg，焊點(diǎn)數(shù)減少 32%；文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]用靈敏度分析方法確定了駕駛室輕量化設(shè)計(jì)的敏感零部件，并據(jù)此對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)壁厚進(jìn)行了調(diào)整，在保證駕駛室滿足ECE R29被動(dòng)安全性要求的條件下，取得了減輕質(zhì)量的效果。

本文在上述研究成果基礎(chǔ)上，以某商用車駕駛室為研究對(duì)象，在不改變駕駛室內(nèi)飾件裝飾、使用和NVH性能的前提下，重點(diǎn)對(duì)駕駛室內(nèi)飾地毯和上、下臥鋪進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

2 駕駛室地毯的輕量化設(shè)計(jì)

駕駛室地毯除了對(duì)駕駛室地板具有裝飾和美化作用外，還能夠隔離向車內(nèi)傳播的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，同時(shí)對(duì)駕駛室內(nèi)部噪聲在傳播和混響過(guò)程中有一定的吸聲作用，提高了駕駛室的NVH性能。本文所研究駕駛室地毯是駕駛室內(nèi)部質(zhì)量較大的裝飾件之一，它由皮革和發(fā)泡材料組合而成，共分為4塊，總質(zhì)量為10.62 kg。

對(duì)駕駛室地毯進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，首先要測(cè)量其材料的吸隔聲性能，以保證選用新的輕量化地毯材料后其吸隔聲性能不降低，并同樣具有裝飾性。用B&K4206T駐波管聲學(xué)材料測(cè)量系統(tǒng)對(duì)駕駛室地毯試樣的聲學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量，其吸隔聲性能曲線如圖1所示。

擇優(yōu)選取由皮革和海綿粘接而成的乘用車地毯材料，用駐波管測(cè)量其吸隔聲性能如圖2所示。

比較圖1和圖2可以看出，新地毯材料的總體吸聲系數(shù)和隔聲性能均優(yōu)于原地毯材料。將新地毯材料加工成與原地毯相同的尺寸形狀，保證兩者的的裝飾功能不變，并比較相應(yīng)各塊的質(zhì)量如表1所列。

表1 改進(jìn)前、后駕駛室地毯質(zhì)量比較 kg

從表1中可以看出，與原地毯材料相比，新地毯材料在保證裝飾性不變、吸隔聲性能有明顯改善的情況下，質(zhì)量減輕3.42 kg。

3 駕駛室上、下臥鋪的輕量化設(shè)計(jì)

3.1 駕駛室上臥鋪骨架靜力學(xué)分析

駕駛室上臥鋪總成由骨架、鋪板、海綿軟墊及外套組成，總質(zhì)量為15.02 kg，其中骨架質(zhì)量為8.52 kg。原骨架結(jié)構(gòu)采用冷彎空心矩形型鋼焊接而成，截面尺寸為30 mm×20 mm×2.0 mm。上臥鋪總成結(jié)構(gòu)如圖3所示，其設(shè)計(jì)要求為在其上表面施加3 kN垂直向下的均布載荷，骨架不能產(chǎn)生塑性變形，最大彈性變形不超過(guò)10 mm。

為了分析上臥鋪原結(jié)構(gòu)骨架的力學(xué)性能，用Hypermesh軟件對(duì)其進(jìn)行有限元建模，骨架材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量E=210 GPa、密度ρ=7.85×103kg/m3、泊松比 μ=0.3、屈服強(qiáng)度 σs=294 MPa。建模時(shí)按上臥鋪在駕駛室內(nèi)的安裝情況和技術(shù)要求施加約束，即在上臥鋪骨架與駕駛室后圍兩個(gè)連接點(diǎn)及兩個(gè)側(cè)面支撐點(diǎn)各節(jié)點(diǎn)處限制x、y、z 3個(gè)方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并對(duì)上臥鋪總成施加3 kN的垂直均布載荷，使其均勻施加在模型的所有節(jié)點(diǎn)上。上臥鋪骨架有限元分析模型如圖4所示。對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到其最大彈性變形為3.679 mm，最大應(yīng)力為91.3 MPa，臥鋪骨架的位移及應(yīng)力分布如圖5所示。

3.2 駕駛室上臥鋪骨架結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

確定上臥鋪骨架尺寸優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為其質(zhì)量最輕，約束條件為骨架結(jié)構(gòu)的最大彈性變形小于5.0 mm、最大應(yīng)力小于100 MPa，設(shè)計(jì)變量為骨架空心矩形截面的長(zhǎng)、寬和壁厚。尺寸優(yōu)化后截面尺寸保持不變，厚度由原來(lái)的2.0 mm減小為1.75 mm，骨架質(zhì)量為6.05 kg。對(duì)尺寸優(yōu)化后的骨架進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到其最大彈性變形為4.25 mm，最大應(yīng)力為106.4 MPa。對(duì)比優(yōu)化前、后骨架參數(shù)可見(jiàn)，尺寸優(yōu)化后骨架質(zhì)量減輕2.47 kg，但骨架的最大彈性變形和最大應(yīng)力均比優(yōu)化前略大，需要進(jìn)一步通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)確定骨架中部?jī)筛鶛M梁的最佳支撐位置。

3.3 駕駛室上臥鋪骨架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

在沒(méi)有兩根橫梁的情況下把骨架內(nèi)全部填充為六面體單元，形成骨架內(nèi)部橫梁的拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域，為橫梁拓?fù)洳贾锰峁└蟮膬?yōu)化空間。采用與原結(jié)構(gòu)靜力分析相同的約束條件，將總載荷3 kN均勻分布于整個(gè)模型的表面上，得到骨架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化模型如圖6所示。

對(duì)該模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，取目標(biāo)函數(shù)為在3 kN均布載荷作用下骨架變形能最小，狀態(tài)變量為骨架質(zhì)量不大于7 kg，設(shè)計(jì)變量為骨架結(jié)構(gòu)單元材料密度。用變密度法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析得到的結(jié)果如圖7a所示；根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果提取出臥鋪骨架橫梁的最佳形狀及位置如圖7b所示，兩橫梁呈斜向布置，后端距離1200 mm，前端距離為800 mm。由于兩根梁傾斜后變長(zhǎng)其質(zhì)量變?yōu)?.65 kg，較拓?fù)鋬?yōu)化前質(zhì)量增加0.6 kg。拓?fù)鋬?yōu)化前、后臥鋪骨架的靜力學(xué)分析結(jié)果對(duì)比如表2所列。

表2 優(yōu)化前、后臥鋪骨架靜力學(xué)分析結(jié)果比較

從表2中可以看出，上臥鋪骨架經(jīng)尺寸優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化后，在骨架最大位移和最大應(yīng)力增加很小、仍能滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，減輕質(zhì)量1.87 kg，即質(zhì)量減少了21.9%。

3.4 駕駛室上、下臥鋪鋪板的輕量化

上臥鋪鋪板是由厚度為10 mm的5層膠合板構(gòu)成，其密度為385 kg/m3，質(zhì)量為5.43 kg?，F(xiàn)將其替換為厚度15 mm、密度為192 kg/m3的無(wú)毒阻燃高密度聚丙烯中空板，替換后鋪板質(zhì)量為3.77 kg，質(zhì)量減輕1.66 kg。

駕駛室下臥鋪沒(méi)有骨架，只有鋪板、海綿墊和外套，它直接固定在駕駛室后地板上，總質(zhì)量為16.6 kg。下鋪板由厚度為15 mm的5層膠合板及厚度為20mm的瓦楞紙板組成，膠合板質(zhì)量為12.11 kg，瓦楞紙板質(zhì)量為1.69 kg，總質(zhì)量為13.8 kg。將膠合板替換為厚度10 mm、密度為192 kg/m3的無(wú)毒阻燃高密度聚丙烯中空板，質(zhì)量變?yōu)?.72 kg，替換后下鋪板總質(zhì)量?jī)H為4.41 kg，減輕9.39 kg。

通過(guò)上述對(duì)某商用車駕駛室上、下臥鋪總成進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，上臥鋪共減輕質(zhì)量3.53 kg，下臥鋪減輕9.39 kg，兩者共減輕質(zhì)量12.92 kg。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將輕量化后的地毯和臥鋪安裝到駕駛室上，經(jīng)實(shí)車試驗(yàn)表明，駕駛室上、下臥鋪滿足使用要求；駕駛室內(nèi)飾件輕量化前、后該商用車以40～80 km/h勻速行駛時(shí)，駕駛員右耳旁噪聲對(duì)比如表3所列。

表3 駕駛室內(nèi)飾件輕量化前、后駕駛員耳旁噪聲比較

從表3中可以看出，駕駛室地毯材料輕量化設(shè)計(jì)后，駕駛員右耳旁噪聲略低于改進(jìn)前，車內(nèi)噪聲水平略有改善。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某商用車駕駛室進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果表明，在保持其裝飾功能不變的情況下，輕量化后地毯質(zhì)量減輕3.42 kg，駕駛室內(nèi)噪聲略有改善；輕量化設(shè)計(jì)后駕駛室內(nèi)上、下臥鋪質(zhì)量分別減輕3.53 kg和9.39 kg，共減輕12.92 kg，且輕量化設(shè)計(jì)后駕駛室上、下臥鋪仍然滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

1 青山公彥，櫻田澈.商用車輕量化技術(shù).輕型汽車技術(shù)，2002（8）：25～29.

2 余景宏.歐洲牽引車在輕量化方面的有效舉措.商用汽車，2009（8）：90～93.

3 王新宇，王登峰，陳靜，等.重型商用車駕駛室輕量化設(shè)計(jì).農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（8）：13～18.

4 于多年，王登峰，汪振華，等.基于拓?fù)鋬?yōu)化的重型貨車駕駛室輕量化技術(shù)研究.汽車技術(shù)，2009（9）：18～21.

5 王登峰，張斌，陳靜，等.商用車駕駛室白車身焊點(diǎn)減縮拓?fù)鋬?yōu)化研究.汽車工程，2009，31（4）：326～330.

6 黃玉鵬，萬(wàn)鑫銘，王善坡，等.基于靈敏度分析的駕駛室輕量化.工程機(jī)械，2010，41（7）：16～18.

7 萬(wàn)鑫銘，李陽(yáng)，黃玉鵬，等.以安全為主要目標(biāo)的重型汽車駕駛室輕量化設(shè)計(jì)研究.汽車工程學(xué)報(bào)，2011，1（2）：134～139.