楊中生

（濟(jì)南黃河路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250000）

0 前言

汽車一半以上的油耗來自于其自身重量，經(jīng)過研究證明汽車每減自身重量的10%，便可以降低油耗10%～15%。底盤系統(tǒng)作為汽車的重要組成部分，底盤系統(tǒng)重量約占汽車總重量的30%以上。所以底盤系統(tǒng)的輕量化不僅可以降低油耗，還對(duì)整車舒適性有著重要影響。為此就當(dāng)前汽車底盤輕量化技術(shù)的應(yīng)用情況，做簡要描述。

1 底盤輕量化的意義

汽車在給人們的生活方帶來便捷和舒適的同時(shí)，其尾氣也給人類帶來了環(huán)境危機(jī)，越來越多的科研機(jī)構(gòu)以及汽車公司開始就如何降低汽車尾氣的排放等進(jìn)行不斷地研發(fā)，這也是全球汽車行業(yè)所面臨的又一難題。眾所周知，降低汽車重量可以有效降低油耗，底盤又占據(jù)著汽車整車1/3的重量，因此汽車底盤輕量化是減少汽車尾氣的一個(gè)重要途徑。隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展與壯大，近年來我國汽車產(chǎn)銷量不斷攀升，如圖1所示，從2005年至2016年的汽車產(chǎn)銷量由500萬輛增加至2500萬輛以上，短短12年增加了5倍的產(chǎn)銷量，既大大提高了我國制造業(yè)的發(fā)展水平及人們生活的便利程度，但也給環(huán)境帶來了挑戰(zhàn)。

圖1 近年來汽車產(chǎn)銷量

人們對(duì)于汽車尾氣污染的認(rèn)識(shí)非常深刻，近年來空氣質(zhì)量大大降低，汽車尾氣中含有大量的硫氧化物、氮氧化物等損害和影響著人們的身體健康，通過網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查結(jié)果，人們關(guān)心最多的污染源，包括汽車尾氣，霧霾和生活垃圾等，其中關(guān)注度最高的就是汽車尾氣（＞70%）。另外霧霾很大程度是由汽車尾氣造成，因此減少汽車尾氣排放迫在眉睫。將汽車底盤的重量減輕對(duì)于降低汽車耗油量的作用很大，降低油耗就意味著降低尾氣排放，對(duì)整個(gè)大氣環(huán)境就會(huì)有較大的改善。即在滿足汽車的必要使用性能、要求以及消費(fèi)者需求的前提下，最大限度地減輕汽車底盤的重量。

2 車輛輕量化國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代開始國外汽車發(fā)展較快的國家開始著手汽車輕量化研究，為后續(xù)工作開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1998年德國大眾品牌的某一轎車車型實(shí)現(xiàn)了總重量（895～990）kg。大眾的商用車重量也實(shí)現(xiàn)了很大突破，意大利在2004年將國內(nèi)的一款商用車駕駛室的重量同比減少近40%，使其駕駛室質(zhì)量減少至960 kg。美國在2009制定了有關(guān)措施與目標(biāo)，計(jì)劃在2016實(shí)現(xiàn)國內(nèi)汽車小型卡車及客車油耗＜6.62 L/100 km，CO2氣體降低約20%。這就意味著美國將會(huì)在目標(biāo)年限內(nèi)降低接近18億桶原油的消耗，這對(duì)于大氣的改善作用十分巨大。

鋁合金材料具有易于成型，密度較小及較強(qiáng)的耐腐蝕性等性能，隨著大量技術(shù)的日漸成熟，這些良好的鋁合金產(chǎn)品越來越的得到汽車生產(chǎn)廠商的認(rèn)可，并被大量的生產(chǎn)。鋁合金底盤工藝分析如表1所示，多種鋁合金底盤工藝被廣泛的應(yīng)用于各類大型品牌。奔馳、寶馬、奧迪等眾多大型國外品牌車型采用鋁合金進(jìn)行生產(chǎn)，鋁合金車架實(shí)現(xiàn)了車輛的輕量化，其輕量化效果能達(dá)到40%。如表1所示。

表1 多種車型鋁合金車架發(fā)展現(xiàn)狀

汽車發(fā)展大國日本也不斷追求汽車輕量化。其中某一汽車公司于2013開始對(duì)于輕量化高強(qiáng)度鋼加大研發(fā)力度，其目標(biāo)是2017年該輕量化強(qiáng)度鋼在底盤的使用覆蓋整個(gè)行業(yè)的約20%。

十五計(jì)劃期間，國內(nèi)各大型車企開始對(duì)鎂合金材料的使用進(jìn)行研發(fā)，建立了眾多實(shí)驗(yàn)中心對(duì)鎂合金壓鑄進(jìn)行試驗(yàn)及生產(chǎn)。有些實(shí)力較強(qiáng)的大型主機(jī)廠，如一汽、長安等建立了生產(chǎn)線進(jìn)行相應(yīng)生產(chǎn)。與此同時(shí)各大院校，如上海交通大學(xué)也開展了鎂合金等輕量化材料的課題研究，研究方向涵蓋強(qiáng)度、剛度、韌性等。近年來，隨著我國輕量化材料研發(fā)實(shí)力的不斷積累和增強(qiáng)，輕量化材料逐漸從實(shí)驗(yàn)室階段轉(zhuǎn)入主機(jī)廠量化生產(chǎn)階段，成熟的產(chǎn)品逐漸走入市場(chǎng)，輕量化材料越來越多的被廣泛應(yīng)用，其中鎂合金材料涵蓋的范圍，已包括車輛底盤、駕駛室內(nèi)座椅等。此外還有使用熱成型技術(shù)生產(chǎn)的超高強(qiáng)度鋼材料，這種材料也會(huì)應(yīng)用在某些車型底盤防撞梁部件等，2015年我國某一實(shí)力較強(qiáng)的自主品牌車型在熱成型剛板材料的使用率達(dá)到了8%，熱成型高強(qiáng)度鋼板較多的應(yīng)用于白車身及車架等位置。雖然國內(nèi)高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用較廣泛，技術(shù)也越來越成熟，但與汽車強(qiáng)國相比還存在一定差距，還需要不斷吸取國外的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)交流合作，逐漸縮小距離。

總之，近年來我國在底盤輕量化，車身輕量化材料發(fā)展領(lǐng)域取得了不小成績，但在輕量化成型方法方面還需要進(jìn)一步的加大研發(fā)力度，除了主機(jī)廠，科研單位及高校等也需要擔(dān)負(fù)起相應(yīng)的課題研究，使國內(nèi)汽車行業(yè)的底盤輕量化技術(shù)水平越來越高，新產(chǎn)品研發(fā)周期越來越短，研究成果被越來越多的展現(xiàn)出來。

3 底盤輕量化技術(shù)途徑

汽車的組成部分包括動(dòng)力系統(tǒng)及附件、底盤系統(tǒng)、電氣設(shè)備、車身系統(tǒng)。由于底盤系統(tǒng)大約占整車重量的1/3，所以底盤的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)于整車輕量化具有舉足輕重的作用。因底盤必須具有較強(qiáng)的支撐作用，所以整車裝配中對(duì)底盤零件的要求較高，目前為了實(shí)現(xiàn)底盤零件輕量化有很多途徑，包括材料輕量化升級(jí)，例如，用鎂鋁合金代替鋼制材料。

進(jìn)行輕量化的先進(jìn)成形技術(shù)，包括高強(qiáng)鋼熱沖壓成形技術(shù)，可以將工件置于熱處理爐中加熱約4 min，使工件均勻奧氏體化，用機(jī)械手臂取出并在較短的時(shí)間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)移至熱沖壓模具上快速?zèng)_壓成形，強(qiáng)度可達(dá)到初始工件的2倍以上（強(qiáng)度達(dá)到1200 MPa）。汽車底盤中常用的沖壓梁，包括U形梁，V形梁，W形梁。U形梁是底盤縱梁中最常用的；V形結(jié)構(gòu)梁一般用于車體的防撞結(jié)構(gòu)，采用V形梁作為中間的過渡結(jié)構(gòu)，對(duì)于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用明顯。采用V形梁，既加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又減少了材料重量，使整車輕量化的標(biāo)準(zhǔn)前進(jìn)了一步；為了減少橫梁零件截面的跨度過大，減少應(yīng)力集中，又設(shè)計(jì)出W形結(jié)構(gòu)梁；該結(jié)構(gòu)形式更加緊湊，且穩(wěn)定性較強(qiáng)，吸收能量的效果更優(yōu)于V形結(jié)構(gòu)梁，很多轎車的防撞梁就是采用該類形狀結(jié)構(gòu)梁。3種梁的材料、厚度、質(zhì)量及受力參數(shù)，如表2所示。

成形后還可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝優(yōu)化等，其中結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是優(yōu)化零件的外形，盡可能的減小尺寸，使用空心的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示，汽車結(jié)構(gòu)中較長使用圓形孔進(jìn)行減重，使用該形狀的孔是為了盡可能的避免應(yīng)力集中，使結(jié)構(gòu)盡可能的保證強(qiáng)度的同時(shí)減輕起重量。下面一節(jié)就該問題進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

4 建立模型及結(jié)果分析

首先使用HYPERMESH軟件進(jìn)行前處理建模，然后用NASTRAN軟件進(jìn)行計(jì)算，最后用HYPERMVIEW進(jìn)行后處理。把CATIA數(shù)模導(dǎo)入HYPERMESH中，對(duì)車架幾何模型通過劃分網(wǎng)格，建立有限元模形。按照正確的方式建立邊界條件，這對(duì)于輸出結(jié)果的正確性至關(guān)重要，是得到準(zhǔn)確有限元分析結(jié)果的必要條件。然后為車架添加邊界條件。主要是兩方面的內(nèi)容:一是添加車架載荷，二是添加車架所受約束。有限元模形中縱梁和橫梁采用10 mm殼單元模形，有些實(shí)體單元采用5 mm四面體實(shí)體單元，鋼板彈簧采用Beam梁單元模擬，采用reb2單元模擬螺栓和鉚釘。同時(shí)參考CAE分析常用計(jì)量單位，長度單位為米（m），質(zhì)量單位為（t），力的單位為牛（N），時(shí)間單位為秒（s）應(yīng)力單位為千帕（kPa）的單位制作為有限元模形各物理量的單位。

表2 3種梁的詳細(xì)參數(shù)

圖2 常用梁輕量化設(shè)計(jì)

該模型驗(yàn)證的是U形縱梁的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)梁在不同的結(jié)構(gòu)形式下的所受的應(yīng)力大小。

首先將圖3的結(jié)構(gòu)裝配至整車模型中來，將邊界條件，所有力，材料屬性等設(shè)置好，把計(jì)算模形設(shè)置為緊急剎車狀態(tài)下的計(jì)算模形；然后改變改進(jìn)前加強(qiáng)結(jié)構(gòu)梁結(jié)構(gòu)，使方形的孔焊接方形圓孔的結(jié)構(gòu)形式，再進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比兩個(gè)結(jié)構(gòu)該U形縱梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化。

通過計(jì)算可以得出，改進(jìn)前加強(qiáng)結(jié)構(gòu)梁所受最大的應(yīng)力為158 MPa，經(jīng)過改進(jìn)，在改進(jìn)前加強(qiáng)結(jié)構(gòu)梁基礎(chǔ)上焊接一個(gè)方形圓孔板即可使最大應(yīng)力減少至78 MPa，因此在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該在保證最大安全性基礎(chǔ)上再進(jìn)行最大化的底盤輕量化設(shè)計(jì)，通過計(jì)算可以得知方形結(jié)構(gòu)形式容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用圓形孔進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。改進(jìn)后加強(qiáng)結(jié)構(gòu)梁，見圖4。

5 小結(jié)

主要匯總了底盤梁的主要形式，包括U形梁、V形梁及W形梁，同時(shí)驗(yàn)證了在對(duì)梁進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)盡可能的使用圓形孔，圓形孔能夠盡可能的減少應(yīng)力集中可能性。在不久的將來汽車設(shè)計(jì)師將會(huì)設(shè)計(jì)出更加輕的汽車底盤結(jié)構(gòu)，使汽車的耗能盡可能減少。需要知道先進(jìn)的底盤輕量化設(shè)計(jì)需要優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，還需要繼續(xù)發(fā)展性能更加優(yōu)良輕量化材料?？傊妆P輕量化是汽車技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)，今后必然有更多的輕量化技術(shù)應(yīng)用在汽車底盤系統(tǒng)上。

圖3 改進(jìn)前加強(qiáng)結(jié)構(gòu)梁

圖4 改進(jìn)后加強(qiáng)結(jié)構(gòu)梁

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