龔侃 馮立軍 汪沛?zhèn)ァ堣F 宋瀚
摘 要:車身牽引裝置是一種安全保護(hù)裝置,方便車體進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境損壞后,借助外力走出困境。本文先介紹輕量化設(shè)計(jì)基本方法,然后以某車型開發(fā)為例,在滿足車身剛度和模態(tài)基本不變的前提下, 以車身后牽引裝置重量減輕為目標(biāo),優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和后部碰撞的模擬計(jì)算和對(duì)比分析, 以驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性,達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
關(guān)鍵詞:后牽引裝置;輕量化;優(yōu)化設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào):U463.91+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-2550(2017)06-0018-05
Abstract: Traction device is a kind of safety protection devices for getting the car out of dangerous situation.This paper first introduced the basic methods of lightweight design, and then taked an example of vehicle development, optimizing the structure of rear traction device on one vehicle, lightening the weight as the objective and remaining the body stiffness and modal unchanged.Accroding to the simulation calculation and comparison analysis of the structure strength and the rear collision, verified the validity of the optimization design and achieved the purpose of lightweight design.
Key Words: rear traction device; lightweight; optimization design
隨著我國(guó)對(duì)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視,汽車的輕量化設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要,目前輕量化設(shè)計(jì)的方向主要在新能源汽車,先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)以及汽車輕量化三個(gè)方面。
目前新能源汽車和先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)都存在開發(fā)周期長(zhǎng)、開發(fā)難度大等特點(diǎn),其在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟,但普遍存在一定的瓶頸。而輕量化技術(shù)是節(jié)能減排最直接有效的措施,轎車質(zhì)量每減輕10%,燃油消耗量可降低6%~8%,碳排放量降低4%[1]。但直接減輕零件重量不是輕量化技術(shù)的根本,而是在綜合考慮整車重量、性能、功能、用戶感知、成本等因素,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。所以輕量化設(shè)計(jì)方法以及如何對(duì)輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)是主要研究對(duì)象。
車身牽引裝置是一種為方便車體進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境損壞后,借助外力走出困境的安全保護(hù)裝置,如果牽引裝置及其安裝點(diǎn)強(qiáng)度不足,除了引起車身零件的損壞外,也會(huì)給人身帶來(lái)直接或間接的傷害[2] ,但通常為了保證牽引性能會(huì)導(dǎo)致牽引結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大,增加車身后部重量。
所以對(duì)牽引裝置進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化,在減重的同時(shí),保證整車及后牽引裝置部件性能,就具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。
1 后牽引裝置輕量化設(shè)計(jì)方法
對(duì)后牽引裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí),不影響整車性能的同時(shí),后牽引裝置性能達(dá)標(biāo),本章結(jié)合輕量化設(shè)計(jì)方法,結(jié)合對(duì)后牽引裝置的性能要求,建立后牽引裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。
1.1 輕量化一般設(shè)計(jì)方法
車身重量通常占整車重量的30~40%,車身輕量化設(shè)計(jì)主要從材料(使用低密度高強(qiáng)度材料)、結(jié)構(gòu)(形狀尺寸優(yōu)化)、制造工藝(激光焊接等)、連接工藝(鉚接,膠接等)這四個(gè)方面考慮,通過(guò)輕量化一般設(shè)計(jì)方法,以車身主要性能項(xiàng)剛度,強(qiáng)度,碰撞和耐久等性能要求為設(shè)計(jì)和校核目標(biāo);通過(guò)對(duì)車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,選擇最合適的結(jié)構(gòu)形狀和材料分布,使材料用量達(dá)到最少同時(shí)保證結(jié)構(gòu)功能要求,然后給出輕量化的評(píng)價(jià)指數(shù),最后對(duì)輕量化的車身進(jìn)行性能校核,這樣不斷循環(huán)達(dá)到輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo),如圖1所示[3]:
1.2 輕量化一般評(píng)價(jià)方法
在車身設(shè)計(jì)方面的輕量化技術(shù)指標(biāo)能給予車身開發(fā)一個(gè)方向性的指導(dǎo),目前對(duì)輕量化技術(shù)水平評(píng)價(jià)比較常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是車身輕量化系數(shù)。下面就對(duì)車身輕量化系數(shù)進(jìn)行介紹。
車身輕量化系數(shù)L是用來(lái)表示車身靜態(tài)剛度和減輕車身質(zhì)量的關(guān)系[4],如公式1所示:
根據(jù)上面公式所列輕量化系數(shù)L的影響因子,輕量化系數(shù)L數(shù)值越小輕量化水平越高。同級(jí)別車的車身投影面積A通常差距不大,所以保證車身靜態(tài)剛度CT的同時(shí),實(shí)現(xiàn)車身重量M的下降是此次后牽引裝置輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向。
1.3 后牽引裝置的性能要求
1.3.1 后牽引裝置強(qiáng)度
1.3.2 后部碰撞性能
因后牽引裝置位于后部碰撞的傳力路徑上,因此輕量化設(shè)計(jì)后的后牽引裝置還需滿足后部低速碰撞法規(guī)GB 17354要求與后部碰撞安全性法規(guī)GB 20072要求。
2 某車型后牽引裝置輕量化設(shè)計(jì)實(shí)例
在滿足車身剛度和模態(tài)基本不變的前提下,以后牽引裝置減重為目標(biāo),采用布置調(diào)整,形狀優(yōu)化,尺寸優(yōu)化,性能校核等方法及手段,優(yōu)化后牽引裝置原結(jié)構(gòu)。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和碰撞的模擬計(jì)算和對(duì)比分析,以驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性。
2.1 原后牽引裝置的結(jié)構(gòu)分析
基礎(chǔ)車后牽引裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示,采用鈑金零件拼焊成牽引鉤,焊接在后地板縱梁上。該牽引裝置為實(shí)現(xiàn)牽引功能,既要預(yù)留一定的牽引空間,又要保證足夠的強(qiáng)度,導(dǎo)致鈑金尺寸過(guò)大,既增加車身后端重量,又影響車輛整體美觀,所以需要對(duì)該后牽引裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。endprint
2.2 后牽引裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
新車型后地板大體沿用基礎(chǔ)車,通過(guò)引入前文提到的后牽引裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化思路重點(diǎn)放在零件料厚減薄,縮小板件尺寸以及布置調(diào)整上。
因還存在外漏影響美觀問(wèn)題,減薄板件料厚不可行。而縮小板件尺寸影響牽引操作空間不可行。決定調(diào)整后牽引裝置布置形式,利用防撞梁本體上增加螺紋管實(shí)現(xiàn)后牽引功能的實(shí)現(xiàn)。
具體優(yōu)化過(guò)程及方案如下:
第一步:將原基礎(chǔ)車構(gòu)成牽引鉤的板件取消,用后縱梁連接板替換以實(shí)現(xiàn)后地板與后圍的連接,同時(shí)為后防撞梁提供安裝。該方案使后牽引裝置結(jié)構(gòu)減重2.2kg;如圖4所示:
第二步:更改牽引裝置布置位置,增加螺紋管與加強(qiáng)件與車身后防撞梁焊接以實(shí)現(xiàn)后牽引功能,提高牽引載荷集中區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。該方案使后牽引裝置結(jié)構(gòu)增重0.332kg,如圖5所示:
新車型后牽引裝置優(yōu)化后采用螺紋管和拖車環(huán)裝配式結(jié)構(gòu)如圖6所示,將螺紋管,加強(qiáng)件與車身后防撞梁焊接,用帶螺紋的拖鉤柄旋入螺紋管里實(shí)現(xiàn)牽引功能。整個(gè)更改實(shí)現(xiàn)牽引裝置減重1.9kg。
2.3 輕量化評(píng)價(jià)
對(duì)優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行車身的剛度和模態(tài)進(jìn)行計(jì)算,校核優(yōu)化后的后牽引裝置是否對(duì)剛度和模態(tài)產(chǎn)生影響[5]。對(duì)車身剛度進(jìn)行分析,如表1所示,優(yōu)化方案對(duì)車身整體彎扭剛度影響極小。
后牽引裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)與彎曲模態(tài)分別為31.4Hz,46.8Hz,優(yōu)化后的車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)與彎曲模態(tài)分別為31.4Hz,46.6Hz,各階模態(tài)振型無(wú)改變,如圖7所示:
從上表可以看出,優(yōu)化前后各個(gè)約束條件的變化率最大不超過(guò)1%,可以近似認(rèn)為整車的剛度和模態(tài)沒(méi)有發(fā)生變化,而后牽引裝置結(jié)構(gòu)重量減小1.9kg。由此可以看出在滿足車身剛度和模態(tài)基本不變的前提下,后牽引裝置結(jié)構(gòu)重量實(shí)現(xiàn)了減輕,符合輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。
2.4 后牽引裝置結(jié)構(gòu)的性能校核
對(duì)優(yōu)化后的牽引裝置進(jìn)行強(qiáng)度和碰撞的模擬計(jì)算和對(duì)比分析,以驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)可行性。
2.4.1 后牽引裝置強(qiáng)度校核
對(duì)優(yōu)化化后的后牽引裝置進(jìn)行強(qiáng)度校核,得到直拉工況與斜拉工況下的塑性應(yīng)變?cè)茍D,如圖8所示。從圖中可以看出經(jīng)過(guò)優(yōu)化的后牽引裝置各工況下的塑性應(yīng)變有所增大,但各工況的最大塑性應(yīng)變均小于目標(biāo)值2%,滿足強(qiáng)度要求。
2.4.2 后牽引裝置碰撞校核
對(duì)優(yōu)化后的后牽引裝置進(jìn)行后部低速碰撞分析。在中心碰撞,橫向偏置碰撞和60°角度碰撞三種工況下,碰撞侵入量相對(duì)優(yōu)化前增大。優(yōu)化前車身后圍最大塑性應(yīng)變分別為0.011%,0.016%,0.032%;優(yōu)化后車身后圍最大塑性應(yīng)變分別為0.028%,0.019%,0.023%,如表3所示:
后圍塑性應(yīng)變變化較小,車身得到有效保護(hù);同時(shí)信號(hào)裝置避開了與后圍碰撞接觸,信號(hào)裝置得到保護(hù)。綜合分析結(jié)果,優(yōu)化后的后牽引裝置滿足后部低速碰撞法規(guī)GB 17354要求。
優(yōu)化后的后牽引裝置進(jìn)行后部碰撞安全性仿真分析,得到燃油箱與燃油管的塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖9所示,優(yōu)化前燃油箱與進(jìn)油膠管的最大塑性應(yīng)變分別為0.3%,0.4%;優(yōu)化后的燃油箱與進(jìn)油膠管的最大塑性應(yīng)變分別為0.28%,0.42%,判斷不會(huì)發(fā)生燃油泄漏,滿足后部碰撞安全性法規(guī)GB 20072要求。
綜上,對(duì)優(yōu)化后的后牽引裝置進(jìn)行性能校核,自身強(qiáng)度以及后部碰撞性能均滿足性能要求,結(jié)構(gòu)可行。
3 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)輕量化設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行介紹并結(jié)合對(duì)后牽引裝置的性能要求,歸納出后牽引裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思路,運(yùn)用于對(duì)某車型后牽引裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,既減輕了基礎(chǔ)車后牽引裝置的重量,又解決了車輛整體美觀的問(wèn)題,性能目標(biāo)也滿足要求,有一定的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,同時(shí)本文的車身輕量化設(shè)計(jì)的思路對(duì)于后續(xù)項(xiàng)目的車身優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。
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