基于輕量化的汽車零部件設(shè)計(jì)研究

金琦珺

基于輕量化的汽車零部件設(shè)計(jì)研究

金琦珺

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

得益于中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，中國(guó)的汽車工業(yè)體系得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。但隨著社會(huì)能源問(wèn)題的日漸突出和人們生活水平的提高，人們對(duì)汽車整體水平的發(fā)展提出了更高的要求。所以為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就提出了汽車輕量化這一創(chuàng)新目標(biāo)。旨在能夠得到與原材料性能一樣但是更輕便的新材料，進(jìn)而提高汽車基礎(chǔ)性能以及燃油性能，在行駛時(shí)增強(qiáng)人對(duì)汽車的操縱感。

汽車零部件；輕量化設(shè)計(jì)；副車架；后縱臂

1 汽車輕量化技術(shù)

汽車輕量化是以保證汽車具有原本的強(qiáng)度與性能為基礎(chǔ)，再減輕汽車各零部件的質(zhì)量，那么汽車的動(dòng)力性將會(huì)有一定的提高。因此從以下方面提出改變方案：①?gòu)氖褂貌牧系馁|(zhì)量入手，在保證汽車原有各種參數(shù)的基礎(chǔ)上，盡量地減輕質(zhì)量；②使用新材料代替，比如鋁合金等密度盡量小的材料；③對(duì)各種零部件的構(gòu)架進(jìn)行一個(gè)整體的分析，尋找一種新的加強(qiáng)方法；④采用承載式車身可以取消車架的使用，從而大大減輕質(zhì)量。

2 輕量化在底盤零件上的應(yīng)用

底盤零件的構(gòu)造組成主要是有四部分，分別是制動(dòng)系、裝相系、行駛系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)。行駛系的功用是支持整車質(zhì)量并且保證汽車平穩(wěn)運(yùn)行；為了保證汽車平穩(wěn)轉(zhuǎn)向，設(shè)置了轉(zhuǎn)向系；傳動(dòng)系是由離合器、變速器、萬(wàn)向節(jié)等組成的，離合器可以保證汽車的換擋、起步等平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)，變速器可以用于汽車的變速；制動(dòng)系的主要作用就是使運(yùn)動(dòng)中的汽車實(shí)現(xiàn)減速或是停車，使下坡的汽車保持穩(wěn)速下行，保證已經(jīng)停止的汽車不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

2.1 副車架的輕量化

副車架是車橋的組成部分，由于它將車橋、懸掛與正車架連起來(lái)，所以就被稱為副車架。副車架的成型方式是熱軋鋼板沖壓焊接成型，但這是傳統(tǒng)的加工方式。為了減輕副車架的質(zhì)量，先是改變了成型技術(shù)。

采用了液壓成型方式，用低合金高強(qiáng)度鋼焊接鋼管，再利用液體介質(zhì)進(jìn)行傳力。通過(guò)這種方式生產(chǎn)出的副車架的減震效果與原先的沖壓成型并無(wú)太大差異，但實(shí)現(xiàn)了車架的輕量化，減少了零件數(shù)，也省去了一部分的焊接與裝配工序，降低了生產(chǎn)成本。

液壓成型的副車架如圖1所示。

圖1 液壓成型的副車架

成型方式改變之后，再在材料上尋求了改變，在輕量化中，鋁合金的使用是非常受歡迎的，因?yàn)樗哂忻芏刃?、成型性好的特點(diǎn)。目前鋁合金副車架成型工藝基本都已能成熟地應(yīng)用于汽車生產(chǎn)中，且輕量化效果能夠達(dá)到將近40%。不同車型應(yīng)用的成型工藝和材料如表1所示。

表1 不同車型應(yīng)用的成型工藝和材料

成型工藝應(yīng)用車型使用材料 鑄造成型奧迪Q3、奔馳C級(jí)、大眾途觀、克萊斯勒200C、英菲尼迪Q50等鑄造：A356、AlSi11、AlSi9MgMn、AlMg5Si2Mn等；擠壓：6005A、6060、AlSi7Mg0.6等；鋁管：AlMg3.5Mn、6061等；鋁板：AlMg3.5Mn、6061等 鋁管液壓成型大眾輝騰等 擠壓+鋼板沖壓成型奔馳S級(jí)、阿爾羅密歐等 鑄造+擠壓成型雪鐵龍C5、凱迪拉克CTS、克萊斯勒Concorde等 鑄造+擠壓+鋁管液壓成型奧迪A4、A6、Q5，寶馬5系、7系等

2.2 后縱臂的輕量化

后縱臂在汽車底盤零件中經(jīng)常被用到，作為底盤的重要零件，它在汽車行駛中起到非常重要的作用。在對(duì)車型進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，車企往往會(huì)為了減輕底盤質(zhì)量、節(jié)約成本而對(duì)后縱臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

后縱臂尺寸優(yōu)化模型如圖2所示。

圖2 后縱臂尺寸優(yōu)化模型

由圖2得出，在后縱臂中間區(qū)域，它的厚度可以進(jìn)行一定量的調(diào)整，適當(dāng)減小。為了不改變后縱臂外部框架，可以選擇在中間位置進(jìn)行開(kāi)孔。去除了中間部分之后，外側(cè)邊緣需要有一定量的翻邊，這加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體。后縱臂尺寸優(yōu)化方案如圖3所示。

圖3 后縱臂尺寸優(yōu)化方案

若是結(jié)構(gòu)整體仍較厚，在優(yōu)化方案一上仍可以適當(dāng)?shù)販p薄。在對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行修改后，需要對(duì)后縱臂強(qiáng)度性能進(jìn)行考核，如果強(qiáng)度不足，那么減輕質(zhì)量也將失去了意義。在試驗(yàn)中，優(yōu)化方案一減輕了質(zhì)量，強(qiáng)度性能與原結(jié)構(gòu)并無(wú)太大差異。但進(jìn)一步優(yōu)化之后的方案二不僅更多減輕了質(zhì)量，強(qiáng)度性能也有了明顯的提高。有了較大的安全裕度。后縱臂的優(yōu)化性能如表2所示。

表2 后縱臂的優(yōu)化性能表

后縱臂方案應(yīng)力值/MPa質(zhì)量/kg減重百分比/（%）材料（屈服強(qiáng)度/MPa） 原結(jié)構(gòu)3081.5/B400/780DP（400） 方案一3071.46.7B400/780DP（400） 方案二3121.220.0B400/780DP（400）

3 車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)

車身整體的組成部件包括車殼、車門、車窗等。研究發(fā)現(xiàn)，汽車在空載條件下行駛，由車身質(zhì)量引起的油耗占到了非常大的比例，所以對(duì)于車身的輕量化是非常有意義且有必要的。

3.1 對(duì)車身布局進(jìn)行優(yōu)化

布局優(yōu)化就是根據(jù)實(shí)際使整體或者局部呈現(xiàn)最佳布局。例如采用后置后驅(qū)就可以多出一些傳動(dòng)系統(tǒng)零件的布置，而采用前置前驅(qū)就可以達(dá)到減輕質(zhì)量的目的。此外，為了明顯減輕車身質(zhì)量，還可以采用承載式車身，這一方法可以將車架取消。

3.2 對(duì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化

在尺寸優(yōu)化中，作為變量的是汽車零件的形狀與尺寸，要滿足不同情況下的車身性能。同時(shí)在考慮今后的尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)會(huì)運(yùn)用數(shù)值的優(yōu)化方法來(lái)對(duì)線性靜力學(xué)和車體的整體振動(dòng)進(jìn)行模擬。為了優(yōu)化汽車生產(chǎn)時(shí)所用的零部件以及減重，可以利用基于線彈性尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

3.3 對(duì)車身形狀進(jìn)行優(yōu)化

改變零部件的外形是優(yōu)化車身形狀的目的，并使各部件的受力均勻。這里主要指的是對(duì)汽車整體結(jié)構(gòu)或零部件局部形狀優(yōu)化，使能夠最大化地發(fā)掘出材料各方面性能。在工程設(shè)計(jì)中，通過(guò)采用有限元的分析來(lái)設(shè)計(jì)降低應(yīng)力集中的概率來(lái)實(shí)現(xiàn)受力的均勻分布。在現(xiàn)實(shí)制造工藝中就是在應(yīng)力集中區(qū)加強(qiáng)材料，在低負(fù)荷區(qū)相應(yīng)地減少使用材料。

3.4 對(duì)車身拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化

優(yōu)化車身拓?fù)?，即具體剖析車身整體的材料運(yùn)用和分布的各項(xiàng)指數(shù)。通過(guò)這種方法可以直接得出動(dòng)力傳輸?shù)淖罴淹緩?，同時(shí)通過(guò)這種方法分析空間材料運(yùn)用，可以最大程度地節(jié)省材料運(yùn)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)的汽車行業(yè)發(fā)展時(shí)間并不算長(zhǎng)，汽車輕量化的發(fā)展的時(shí)間則更加短，相比于其他國(guó)家，中國(guó)汽車輕量化起步較晚。所以更應(yīng)該在這一方面加大研究力度，使汽車發(fā)展能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展。

［1］趙云云，商乃鉅，譚文崢，等.底盤后縱臂輕量化設(shè)計(jì)思路［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2019（16）：98-100.

［2］孫永飛，羅文靜，陳賀峰，等.探討汽車底盤懸架關(guān)鍵部件輕量化設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（4）：20-21.

［3］王帥.汽車輕量化現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2019（11）：242-245.

［4］汪濤.車身輕量化設(shè)計(jì)分析［J］.時(shí)代汽車，2019（18）：82-83.

U466

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.049

2095－6835（2020）13－0121－02

〔編輯：王霞〕