輕量化管狀扭力梁橫梁研究

張驍杰，李衛(wèi)華，劉俊祥，史東杰，劉攀

(長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

輕量化管狀扭力梁橫梁研究

張驍杰，李衛(wèi)華，劉俊祥，史東杰，劉攀

(長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

介紹了扭力梁橫梁應(yīng)用現(xiàn)狀，并從結(jié)構(gòu)、工藝和材料3個(gè)方面介紹具有良好輕量化效果的管狀扭力梁橫梁，包括封閉截面結(jié)構(gòu)，內(nèi)高壓成形、熱壓成形、鋼管冷沖壓等成形工藝，熱處理工藝及高強(qiáng)鋼、熱成形鋼和差厚管等先進(jìn)材料的應(yīng)用。

輕量化管狀扭力梁橫梁；應(yīng)用現(xiàn)狀；封閉結(jié)構(gòu)；成形工藝

0 引言

為了緩解燃油供應(yīng)矛盾、減少尾氣排放、改善大氣環(huán)境，2014 年底，國(guó)家發(fā)布強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)要求乘用車平均燃料消耗量在2020年下降至5 L/100 km[1]。據(jù)研究表明，汽車每減質(zhì)量100 kg，油耗可降低(0.3～0.6) L/100 km，CO2排放量可減少約5 g/km[2]?；诮档陀秃脑鰪?qiáng)汽車競(jìng)爭(zhēng)力、滿足國(guó)家法規(guī)要求，以及車重較大的SUV車型在國(guó)內(nèi)乘用車市場(chǎng)份額持續(xù)增加的現(xiàn)狀,汽車的輕量化設(shè)計(jì)愈發(fā)重要。

扭力梁式懸架發(fā)明于20世紀(jì)70年代，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省空間、成本低廉等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用在小型乘用車中，且近年來應(yīng)用比例呈上升趨勢(shì)。據(jù)某公司統(tǒng)計(jì)：2011年國(guó)內(nèi)乘用車中應(yīng)用扭力梁式懸架的車型占比40.72%，2012年國(guó)內(nèi)乘用車中應(yīng)用扭力梁式懸架的車型占比42.57%，扭力梁式懸架應(yīng)用比例環(huán)比增加近2%。因此，作為扭力梁式懸架中重要零件的扭力梁橫梁的輕量化意義重大。

1 扭力梁橫梁應(yīng)用現(xiàn)狀

通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外汽車品牌的六十余款主流車型了解到，管狀扭力梁橫梁的應(yīng)用已不在少數(shù)，并且呈上升趨勢(shì)。歐系車型和韓系車型中鋼板冷沖壓扭力梁應(yīng)用較多，管狀扭力梁應(yīng)用較少。日系車型和美系車型中管狀扭力梁應(yīng)用較多，其中日系車型中以應(yīng)用內(nèi)高壓成形扭力梁為主，美系車型中應(yīng)用內(nèi)高壓成

形和鋼管冷沖壓成形扭力梁的情況都比較普遍。另外，自主品牌中應(yīng)用管狀扭力梁的車型也在增加，如長(zhǎng)安、長(zhǎng)城和一汽等汽車廠均有管狀扭力梁應(yīng)用或正在開發(fā)。由于管狀扭力梁橫梁在輕量化方面的優(yōu)勢(shì)，近年來國(guó)內(nèi)外汽車廠紛紛加強(qiáng)對(duì)管狀扭力梁橫梁的開發(fā)與應(yīng)用力度，如本田飛度由第二代車型的鋼板冷沖壓扭力梁橫梁變更為第三代車型的管狀扭力梁橫梁，新一代標(biāo)致308也由之前的鋼板冷沖壓扭力梁橫梁變更為管狀扭力梁橫梁。圖1為調(diào)研結(jié)果中各系車型鋼板冷沖壓扭力梁橫梁和管狀扭力梁橫梁應(yīng)用比例。表1為部分車型的扭力梁橫梁結(jié)構(gòu)。

車系品牌車型管狀扭力梁橫梁鋼板冷沖壓扭力梁橫梁歐系菲亞特菲翔√大眾朗逸√斯柯達(dá)明銳√美系雪佛蘭賽歐√福特翼博√嘉年華√日系豐田卡羅拉√本田繽智√日產(chǎn)軒逸√韓系現(xiàn)代瑞納√起亞K3√自主比亞迪速銳√長(zhǎng)安奔奔√中華駿捷√

2 管狀扭力梁橫梁形式及特點(diǎn)

根據(jù)截面形式將扭力梁橫梁分為開口截面的鋼板冷沖壓扭力梁橫梁和封閉截面的管狀扭力梁橫梁。鋼板冷沖壓扭力梁橫梁一般采用6 mm左右厚的鋼板或使用4～5 mm厚的鋼板配合橫向穩(wěn)定桿，其結(jié)構(gòu)與截面見圖2；管狀扭力梁橫梁的壁厚一般為3 mm左右，其結(jié)構(gòu)與截面如圖3所示。

鋼板冷沖壓扭力梁橫梁的材料利用率約60%，而管狀扭力梁橫梁由于采用管材作為原材料，其材料利用率可達(dá)到85%左右。表2為管狀扭力梁橫梁應(yīng)用的工藝及材料。基于管狀扭力梁橫梁在提升零件性能和輕量化方面的優(yōu)勢(shì)，某司針對(duì)管狀扭力梁橫梁進(jìn)行過技術(shù)預(yù)研。預(yù)研結(jié)果表明：在滿足強(qiáng)度、剛度、模態(tài)和疲勞壽命等設(shè)計(jì)需求的前提下，表1內(nèi)的幾種管狀扭力梁相較于鋼板冷沖壓扭力梁質(zhì)量降低15%～25%，材料利用率提高20%～30%，焊縫長(zhǎng)度減少20%左右。

表2 管狀扭力梁橫梁工藝及材料應(yīng)用情況

2.1 管狀扭力梁橫梁結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)零件輕量化的重要手段[3]。由于管狀扭力梁橫梁的封閉截面結(jié)構(gòu)，一方面扭力梁橫梁和兩側(cè)縱臂可以完全焊合；另一方面提高了扭力梁性能，使扭力梁擁有更高的強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命[4]，可節(jié)省橫向穩(wěn)定桿和部分加強(qiáng)件，降低了扭力梁總成零件數(shù)量和總成質(zhì)量。

2.2 管狀扭力梁橫梁成形工藝

管狀扭力梁橫梁的成形工藝有鋼管冷沖壓成形、熱壓成形和內(nèi)高壓成形。

鋼管冷沖壓成形工藝通過對(duì)沖壓過程的精確控制得到符合使用要求的管狀扭力梁橫梁。其成形工序主要為預(yù)成形整→成形→裁邊。由于不需要費(fèi)用高昂的設(shè)備，且成形工藝簡(jiǎn)單，扭力梁橫梁成本較低。若希望得到性能更優(yōu)的零件，也可對(duì)成形后的扭力梁橫梁進(jìn)行熱處理，如去應(yīng)力退火或淬火+回火[5]處理。通過驗(yàn)證可知：采用去應(yīng)力退火處理可提高扭力梁疲勞壽命20%以上，采用淬火+回火處理可提高扭力梁疲勞壽命50%以上。

熱壓成形扭力梁橫梁[6]的成形過程與鋼管冷沖壓成形類似，不同之處在于成形過程中材料處于高溫狀態(tài)。高溫下材料具有較高的流變性能，更易成形，另一方面還可以有效克服室溫成形時(shí)回彈大等缺點(diǎn)。成形后，材料在冷卻作用下完成淬火過程，形成強(qiáng)度很高的馬氏體組織，大幅提升了扭力梁橫梁的強(qiáng)度和耐久等性能。

內(nèi)高壓成形工藝的原理是以金屬管材為毛坯，向密封的管材內(nèi)注入液體介質(zhì)，使管材內(nèi)部產(chǎn)生高壓，同時(shí)對(duì)管材兩端施加軸向力進(jìn)行補(bǔ)料。在兩種外力作用下，管材發(fā)生塑性變形，并得到形狀與精度均符合要求的扭力梁橫梁[7]。相比前兩種工藝，內(nèi)高壓成形扭力梁橫梁的精度更高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加自由，更適合于沿軸向截面變化復(fù)雜的扭力梁橫梁的加工。例如，昂克拉四驅(qū)車型為了避讓傳動(dòng)軸采用的彎曲扭力梁橫梁就是應(yīng)用內(nèi)高壓成形工藝成形。

2.3 管狀扭力梁橫梁材料

目前，輕質(zhì)合金相比于鋼材在成本和強(qiáng)度上都存在劣勢(shì)，扭力梁橫梁應(yīng)用的主流材料仍是鋼材，而扭力梁橫梁的輕量化需要使用更高強(qiáng)度的鋼材。隨著各種高強(qiáng)鋼的應(yīng)用，扭力梁橫梁用材強(qiáng)度水平已經(jīng)普遍達(dá)到500～800 MPa級(jí)別；當(dāng)使用熱成形鋼時(shí)，甚至可以達(dá)到1 800 MPa級(jí)別。某國(guó)外公司使用熱成形鋼(22MnB5)量產(chǎn)出1 500 MPa強(qiáng)度級(jí)別管材扭力梁橫梁。扭力梁橫梁應(yīng)用比較普遍的材料及性能見表3。

表3 材料牌號(hào)及性能

另一方面，隨著柔性軋制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了使用差厚管(Tailor Rolled Tube)的扭力梁橫梁，見圖4。差厚管可以針對(duì)零件的應(yīng)力分布和材料減薄等情況進(jìn)行材料厚度的定制化生產(chǎn)，用以避免扭力梁橫梁局部出現(xiàn)應(yīng)力峰值和改善不同部位變形程度差異造成的減薄率不均。德國(guó)某公司將其靈活地應(yīng)用在扭力梁橫梁上，對(duì)改善扭力梁橫梁的減薄率和降低質(zhì)量有很大的幫助。

3 結(jié)束語

(1)管狀扭力梁橫梁在國(guó)內(nèi)車型上的應(yīng)用已不在少數(shù)，并且呈上升趨勢(shì)。

(2)相較于鋼板冷沖壓成形扭力梁橫梁，管狀扭力梁橫梁具有質(zhì)量降低15%～25%、材料利用率提高20%～30%等優(yōu)勢(shì)。

(3)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化以及各種新材料、新工藝的成熟應(yīng)用會(huì)進(jìn)一步提升扭力梁的輕量化效果。

【1】甄文媛.當(dāng)產(chǎn)量套上油耗緊箍咒[J].汽車縱橫,2014(11):62-64.

【2】耿培林,白駿，楊保華.汽車輕量化的發(fā)展及前景探究[J].科協(xié)論壇(下半月),2012 (3)：64-65.

【3】萬年.轎車后懸架扭轉(zhuǎn)梁性能分析與輕量化設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2014.

【4】陳仙風(fēng),陳智勇，蘇海波.不同成形工藝對(duì)扭力梁橫梁使用性能的影響研究[J].鍛壓技術(shù),2014(3)：112-116.

【5】胡素文.汽車扭力梁橫梁高頻淬火裝置的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

【6】張偉瑋,韓聰，苑世劍.高強(qiáng)鋼22MnB5扭力梁橫梁熱成形熱力耦合數(shù)值模擬[J].材料科學(xué)與工藝,2014(3)：16-22.

【7】許樺.內(nèi)高壓成形管件在汽車上的應(yīng)用[J].汽車零部件,2012(3)：52-55.

Research on the Lightweight Tubular Torsion Beam

ZHANG Xiaojie, LI Weihua, LIU Junxiang, SHI Dongjie, LIU Pan

(R & D Center of Great Wall Motor Company, Automotive Engineering TechnicalCenter of Hebei, Baoding Hebei 071000, China)

The application situation of the tubular torsion beam was introduced, and the lightweight tubular torsion beam was explained from the structure, process and material,including the closed cross-section, hydroforming, hot stamping, cold stamping,heat treatment and high-strength steel, press-hardened steel, tailor rolled tube.

Lightweight tubular torsion beam; Application status; Closed cross-section; Forming process

2015-07-19

張驍杰(1991—)，男，學(xué)士，助理工程師，主要研究方向?yàn)殇摬脑牧向?yàn)證、新材料新工藝推廣應(yīng)用。E-mail：746069054@qq.com。