輕量化材料在底盤結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

陳敬玉 胡志剛 辛慶鋒 李航 徐梅梅 王歡歡

浙江吉利控股集團(tuán) 浙江吉智新能源汽車科技有限公司 浙江省杭州市 310014

1 前言

電動(dòng)真空泵是純電動(dòng)車的制動(dòng)系統(tǒng)必不可少的部件，其作用是抽取真空系統(tǒng)中的空氣，保持系統(tǒng)具有一定的真空壓差，達(dá)到助力的效果，一般真空泵的固定支架是由鈑金沖壓、焊接而成，重量較重。而且產(chǎn)品由鋼板經(jīng)落料、成型、沖孔和焊接，相應(yīng)的模具和焊接夾具都較多。如果該支架能鑄塑成型，可以節(jié)約非常多的模具成本，還可以將重量降低。在降低自身成本的同時(shí)還能為節(jié)能減排作出相應(yīng)貢獻(xiàn)。本文以電動(dòng)真空泵支架的以塑代鋼為背景，通過(guò)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、空間布置、成本和重量對(duì)標(biāo)分析，確定了方案的可行性，為底盤結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。

2 電動(dòng)真空泵支架以塑代鋼的可行性分析

2.1 工程塑料材料市場(chǎng)應(yīng)用的可行性

工程塑料的雛形是尼龍66 樹(shù)脂，在1939 年已研制成功并投入生產(chǎn)，最初主要用來(lái)制造合成纖維。經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展以及注塑機(jī)的普及，工程塑料突破了傳統(tǒng)用途。因其具有高耐熱、耐腐蝕能力，機(jī)械性能良好，逐步在汽車行業(yè)中應(yīng)用，比如汽車底盤部件中的加速踏板已經(jīng)全部采用了工程塑料，制動(dòng)踏板的底座采用工程塑料的占比在逐年加大。目前某高端車型的電動(dòng)真空泵固定支架采用了工程塑料替代鋼材已經(jīng)在批量配套，重量較原鈑金方案降低50%，而工程塑料的隔振能力強(qiáng)，對(duì)乘客的主觀感受提升也有非常好的效果。電動(dòng)真空泵固定支架的原理和電動(dòng)真空泵固定支架類似，將工程塑料的應(yīng)用擴(kuò)展至某車型的電動(dòng)真空泵支架具備條件。

圖1 鈑金電動(dòng)真空泵安裝支架結(jié)構(gòu)示意

圖2 工程塑料電動(dòng)真空泵安裝支架結(jié)構(gòu)示意

2.2 空間布置與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可行性

鋼結(jié)構(gòu)材料因其固有的高強(qiáng)度和低變形，抗拉強(qiáng)度能達(dá)到410Mpa，產(chǎn)品強(qiáng)度只需通過(guò)增加加強(qiáng)筋和翻邊即可達(dá)到滿足模態(tài)和剛度的要求。以PA66 工程塑料為例,抗拉強(qiáng)度只有50-90Mpa，需要較大的空間滿足其設(shè)計(jì)要求。本文采用有限元分析的方式，以鋼質(zhì)支架的周邊空間為基礎(chǔ)，以工程塑料的特性進(jìn)行了修改。并對(duì)模型進(jìn)行了強(qiáng)度和變形量的分析，對(duì)真空泵支架加載X、Y、Z 三個(gè)方向的振動(dòng)加速度，分析結(jié)果顯示，采用工程塑料的真空泵支架應(yīng)力11.171Mpa，變形量最大1.32mm，滿足材料的許用應(yīng)力和變形量要求。同時(shí)該結(jié)構(gòu)的空間與鋼質(zhì)支架相當(dāng)，空間布置可行。同時(shí)原鋼質(zhì)材料的真空泵固定支架重量0.75kg, 以工程塑料為材料的真空泵固定支架重量則為0.45kg, 減重60% 減重效果明顯。

圖3 鋼板沖壓支架結(jié)構(gòu)示意

圖4 工程塑料支架結(jié)構(gòu)示意

圖5 鋼板沖壓支架空間布局示意

圖6 工程塑料支架空間布局果示意

圖7 工程塑料電動(dòng)真空泵支架整車裝配示意

圖8 工程塑料電動(dòng)真空泵支架網(wǎng)格加載示意

圖9 工程塑料電動(dòng)真空泵支架變形分析結(jié)果示意

2.3 經(jīng)濟(jì)效益可行性分析

主機(jī)廠應(yīng)用新技術(shù)的動(dòng)力來(lái)源主要有新技術(shù)預(yù)研、產(chǎn)品降本，提高性能等，電動(dòng)真空泵固定支架的以塑代鋼可以在滿足性能的前提下降低單體質(zhì)量。為研究其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，是否具有投資價(jià)值。本文對(duì)兩種材料設(shè)計(jì)成本進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比內(nèi)容包括原材料價(jià)格、模檢具成本，材料利用率、產(chǎn)線投入等。從對(duì)比結(jié)果可以看出，采用工程塑料的電動(dòng)真空泵固定支架，總體成本略低，材料有效利用率高于鈑金支架，同時(shí)無(wú)需表面處理，對(duì)環(huán)境的污染較低，投入的模具數(shù)量較少，如配套車輛銷量大，還會(huì)有較好的產(chǎn)能保證能力。

圖10 工程塑料電動(dòng)真空泵支架應(yīng)力分析結(jié)果示意

2.4 工程塑料在汽車行業(yè)結(jié)構(gòu)件應(yīng)用的未來(lái)趨勢(shì)

輕量化材料在汽車中的儀表和內(nèi)飾中應(yīng)用較多，整車底盤部件因需要有強(qiáng)度保證，輕量化材料主要是鋁合金。但隨著科技的發(fā)展，玻纖類工程塑料已開(kāi)始應(yīng)用與底盤結(jié)構(gòu)件，某企業(yè)在2019 年已向沃爾沃集團(tuán)交付了一百萬(wàn)件汽車懸架用玻纖板簧，該企業(yè)已經(jīng)達(dá)到了復(fù)合玻纖塑料的量產(chǎn)能力。使用該材料后，重量降低了65%。減重效果非常明顯。目前很多國(guó)際企業(yè)已在布局，并已成為未來(lái)的發(fā)展方向。

3 工程塑料材料應(yīng)用試驗(yàn)策劃

原鈑金的電動(dòng)真空泵固定支架進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，只需考慮表面處理、焊接強(qiáng)度以及材料的抗拉和延伸率的合格性，工程塑料的電動(dòng)真空泵固定支架因在高溫、耐酸/堿性液體以及耐老化方面具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以消除因材料本身特性帶來(lái)的影響。故在鈑金支架的基礎(chǔ)上增加吸水性、低溫沖擊強(qiáng)度、熱變形溫度、長(zhǎng)期老化性和燃燒性等材料試驗(yàn)，成品與泵本體進(jìn)行振動(dòng)耐久測(cè)試，驗(yàn)證固定螺栓在初始擰緊狀態(tài)下是否有松脫等問(wèn)題。通過(guò)材料、零件、總成以及整車的多輪測(cè)試，產(chǎn)品在市場(chǎng)再出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的概率將會(huì)極低。

4 結(jié)論

輕量化是汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，在保證汽車安全和強(qiáng)度要求的前提下，降低整車的整備質(zhì)量，可有效提高汽車的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性，從而降低污染物的排放。目前全球各國(guó)都在為環(huán)保出謀劃策，真空泵支架的“以塑代鋼”必然會(huì)成為一種趨勢(shì)，運(yùn)用在汽車或者其他領(lǐng)域。同時(shí)鋼材的冶煉、以及焊接都是高耗能領(lǐng)域，其表面處理又是高污染行業(yè)，國(guó)家有關(guān)部門正在對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行資源整合與產(chǎn)業(yè)提升，目前鐵礦石等原料的價(jià)格持續(xù)上漲，直接影響產(chǎn)品的成本。而工程塑料屬于新材料產(chǎn)業(yè)，國(guó)家有關(guān)部門已制定相應(yīng)政策支持其發(fā)展，同時(shí)也在加大國(guó)產(chǎn)化替代，降低進(jìn)口依存度，如技術(shù)獲得突破，產(chǎn)品成本將進(jìn)一步減低。在成本、重量和環(huán)保方面均有優(yōu)勢(shì)的工程塑料將進(jìn)一步在汽車底盤部件中滲透，得到更多的應(yīng)用。工程塑料在結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用較少，還需做進(jìn)一步搭載進(jìn)行測(cè)試，待測(cè)試完成尚可下結(jié)論是否完全可行。

表1 輕量化支架成本對(duì)比表