輕量化設(shè)計(jì)理論在商用汽車上的應(yīng)用

王利團(tuán)

北奔重型汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市 014030

1 輕量化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及意義

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的汽車出現(xiàn)在家家戶戶中，并且汽車的普及對(duì)我們的生活也越來(lái)越便捷，所以汽車在我們的日常生活和經(jīng)濟(jì)環(huán)境領(lǐng)域都至關(guān)重要。汽車給我們帶來(lái)的第一印象就是方便和快捷，但是在汽車發(fā)展領(lǐng)域要更多的向安全、低成本、節(jié)能環(huán)保以及智能化的方向發(fā)展。由于當(dāng)今社會(huì)中人們對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高和不可再生資源的日益減少，所以汽車行業(yè)更多的是考慮到汽車燃料的使用和對(duì)尾氣對(duì)環(huán)境的污染情況。通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，汽車在進(jìn)行設(shè)置的質(zhì)量減少百分之十，就可以對(duì)應(yīng)的降低百分之六到八的耗油量。如今在全球范圍內(nèi)都對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)的改革，比如在2010年的美國(guó)PNGV計(jì)劃對(duì)轎車汽油的使用量設(shè)置為34千米每升，那么對(duì)于其他類型汽車的排放量進(jìn)行嚴(yán)格的控制；再比如說(shuō)，在歐洲地區(qū)的汽車主要生產(chǎn)廠家也做出相應(yīng)的調(diào)整，降低百分之二十五以上的能源消耗12焦。同樣，我國(guó)就排放量問(wèn)題也做出相應(yīng)的調(diào)整，在北京地區(qū)我國(guó)嚴(yán)格控制了汽車尾氣排放的標(biāo)準(zhǔn)。所以就汽車輕量化設(shè)計(jì)的問(wèn)題上，要對(duì)車體的質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整，一方面可以有效的減少材料的使用量，另一方面還可以減少汽

車尾氣的排放量，減少對(duì)環(huán)境的破壞。這一措施也是輕量化設(shè)計(jì)的核心，與此同時(shí)也在全球范圍內(nèi)各個(gè)汽車生產(chǎn)行業(yè)之間達(dá)成共識(shí)，并且通過(guò)實(shí)踐取得一定的成效。在我國(guó)加入世界貿(mào)易組織后，為了順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和相應(yīng)各國(guó)的號(hào)召，在輕量化設(shè)計(jì)和應(yīng)用的工作上進(jìn)行更深一步的研究，達(dá)到國(guó)際的要求，提高我國(guó)汽車行業(yè)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的地位，促進(jìn)我國(guó)民族振興的工作。

2 商用汽車輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)用途徑

2.1 基于力學(xué)原理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.1.1 零件薄壁化和小型化設(shè)計(jì)

基于力學(xué)原理，對(duì)零件薄壁化和小型化的設(shè)計(jì)工作，當(dāng)承受壓力相同的情況下，載貨車懸架系統(tǒng)選擇空心結(jié)構(gòu)，雖然空心軸的質(zhì)量?jī)H為實(shí)心軸質(zhì)量的百分之三十一，但是提高了材料的利用率。中空薄壁結(jié)構(gòu)的采用有碰撞吸能的優(yōu)勢(shì)，在重型牽引車車架設(shè)計(jì)中被廣泛的使用，對(duì)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，盡量的縮小材料的厚度和對(duì)局部加強(qiáng)，從而形成受力均勻的結(jié)構(gòu)。為了更進(jìn)一步的均勻車架的受力面積，可以在車架橫梁上銜接上大跨度橫梁形成一個(gè)連接板，可以有效的起到分力的效果；如果存在載荷較大的位置，就要對(duì)橫梁的連接板進(jìn)行重疊，可以對(duì)載荷較大的部位起到保護(hù)作用（如下圖1所示）。在鋁合金殼體變速器設(shè)計(jì)中，同樣也是通過(guò)有效的措施對(duì)殼體的硬度進(jìn)行提高（如下圖2所示）。在商用汽車輕量化設(shè)計(jì)的理念中，通過(guò)對(duì)廢棄渦輪增壓來(lái)滿足小排量發(fā)動(dòng)地對(duì)大功率的輸出。隨著汽車行業(yè)相關(guān)理論的不斷成熟和相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，在進(jìn)行汽車零件領(lǐng)域逐步出實(shí)現(xiàn)了小型化、集成化

圖1 牽引車車架總成

圖2 鋁合金殼體變速器

2.1.2 有限壽命設(shè)計(jì)

對(duì)零件進(jìn)行有限壽命設(shè)計(jì)，可以較大程度的實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)還可以減少資源的浪費(fèi)，反過(guò)來(lái)說(shuō)就如果無(wú)限壽命的零件是浪費(fèi)材料的行為。對(duì)任何類型的汽車進(jìn)行有效壽命的設(shè)計(jì)，都會(huì)聯(lián)系到力學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)等多方面只是的應(yīng)用。在對(duì)汽車隨機(jī)動(dòng)載荷的檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，可以判斷出構(gòu)成威脅的零件的應(yīng)變范圍，隨后再分析零件疲勞性能圖標(biāo)或數(shù)據(jù)得知零件的疲勞情況下的使用期限，最后結(jié)合累計(jì)損傷理論掌握到零件的使用壽命。我國(guó)汽車行業(yè)在現(xiàn)階段缺乏對(duì)相關(guān)零件的疲勞壽命設(shè)計(jì)，所以生產(chǎn)出的產(chǎn)品與實(shí)際不相符，所以就頻繁出現(xiàn)零件損壞的現(xiàn)象。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，力學(xué)原理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作為工作前提，結(jié)合著結(jié)構(gòu)分析軟件和優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)實(shí)際情況和一定條件下，對(duì)選取材料進(jìn)行進(jìn)行合理布置，是現(xiàn)在重量和性能之間實(shí)現(xiàn)平衡。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性的結(jié)構(gòu)模式。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效的降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，并且還可以對(duì)性能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，甚至可以延長(zhǎng)安全壽命。

2.3 新材料的應(yīng)用

2.3.1 高強(qiáng)度鋼

對(duì)于新材料的應(yīng)用問(wèn)題，更多的在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選用高強(qiáng)度的鋼板。采用局域碰撞吸能效果和高成型性的鋼板等優(yōu)勢(shì)的鋼板，可以進(jìn)一步的優(yōu)化性能。高強(qiáng)度鋼板減少了零件的質(zhì)量，對(duì)彈性范圍進(jìn)一步擴(kuò)展。不僅如此，高強(qiáng)度鋼設(shè)計(jì)具備一定的可焊接特點(diǎn)，是在重型汽車沖焊橋殼設(shè)計(jì)中最佳的選擇。在排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，算則不銹鋼材料，不僅可以耐高溫，更好的將設(shè)計(jì)與工藝有效的結(jié)合，對(duì)質(zhì)量的縮減達(dá)到百分之三十以上的效果。

2.3.2 鋁合金和鎂合金

鋁合金具有較強(qiáng)的剛度，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)上更好的實(shí)現(xiàn)鑄造和機(jī)械加工，具有持久耐腐蝕、較高導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，因?yàn)榻饘俨牧峡梢曰厥昭h(huán)使用，所以有效的減少了資源的浪費(fèi)。其應(yīng)用形式主要包括以下兩個(gè)方面：一方面是鑄造鋁合金，在金屬工藝制造中產(chǎn)生的零件，不過(guò)在使用時(shí)有一定的約束，就是對(duì)于高強(qiáng)度的鑄件工作室，不能拿來(lái)進(jìn)行熱處理。考慮到這一點(diǎn)情況，要對(duì)相關(guān)的理論進(jìn)行研究和對(duì)鑄造工藝的完善，實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法的應(yīng)用，鑄造鋁合金的應(yīng)用在變速器殼體和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼制造中已經(jīng)取得相應(yīng)的成效。另一方面就是變形鋁合金，包括鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材。在鋁合金油箱、儲(chǔ)氣筒及鍛造鋁合金車輪等的設(shè)計(jì)中被普遍使用。鎂合金具有與鋁合金相比交由所不同，在使用范圍上，鎂合金更多的應(yīng)用在航空航天和化工等行業(yè)中，由于金屬鎂的密度比金屬鋁要低，所以鑄造和變形加工性能以及抗腐蝕性都較差，并且鎂合金的鑄造成本較高，所以很少出現(xiàn)在重型汽車行業(yè)。

2.4 零部件集成和配置優(yōu)化

2.4.1 零部件集成

對(duì)于零部件的集成可以分為兩個(gè)方面：一方面是其本質(zhì)事是可以由多種材料研制而成的，從而滿足在輕量化設(shè)計(jì)中任何一種特性的材料。比如在進(jìn)行靜音鋼板的設(shè)計(jì)時(shí)，在板間進(jìn)行隔音材料的涂抹，形成的鋼板可以運(yùn)用到?jīng)_壓和焊接的工作，替換掉原有的隔音墊，可以降低零件的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)隔音的最佳效果。汽車車身的組成時(shí)許多零件拼接到一起的，形成多材料于一體的車身。另一方面是大零件時(shí)由多個(gè)小零件功能結(jié)合到一起，在各種小零件在大零件上發(fā)揮著作用，使其具備多功能結(jié)構(gòu)。

2.4.2 整車配置優(yōu)化

整車配置的優(yōu)化時(shí)通過(guò)仿真軟件的操作，對(duì)地盤動(dòng)力系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)置和匹配工作，從而更好的去了解到整體車結(jié)構(gòu)和型號(hào)選取的匹配程度，以達(dá)到減少浪費(fèi)的效果。另一方面對(duì)市場(chǎng)需求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)查和了解，實(shí)現(xiàn)對(duì)功能和設(shè)備選配的優(yōu)化效果，進(jìn)而降低車型重量，減少成本支出。除此之外，對(duì)于相同功能材料的替代，研發(fā)出新總成，比如說(shuō)簧懸架的替代，有多變少、無(wú)內(nèi)胎輪胎取代有內(nèi)胎輪胎等等。這些措施可以極大程度上去輕量化設(shè)計(jì)，并且有效的降低汽車的整體重量。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上內(nèi)容分析，汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)于國(guó)內(nèi)商用汽車行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，并且在即將面臨的經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)下，對(duì)汽車行業(yè)的發(fā)展方面的研究和新設(shè)計(jì)理論的探討更加刻不容緩。在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能的去研發(fā)適用型、高強(qiáng)度和剛度的金屬合金，并且對(duì)相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行更深一步的研究，確定行業(yè)的發(fā)展方向，并在未來(lái)的發(fā)展中，推廣出更多的中國(guó)汽車。