乘用車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)影響因素研究

劉芳

(1.安徽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥,230601;2.安徽汽車工業(yè)技師學(xué)院,安徽 合肥,230601)

隨著溫室效應(yīng)導(dǎo)致的氣候變暖趨勢加劇,全球主要地區(qū)紛紛提出碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo),我國也明確2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和。輕量化作為汽車節(jié)能減碳的重要措施,2020年被列入《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》的九大技術(shù)發(fā)展方向之一。汽車輕量化要從輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料和輕量化工藝三方面系統(tǒng)考慮。輕量化設(shè)計(jì)方面,鑒于輕量化技術(shù)基礎(chǔ)研究能力不足的現(xiàn)狀,加大基于“結(jié)構(gòu)環(huán)”理論的輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究、正逐漸被行業(yè)重視,核心是建立輕量化設(shè)計(jì)體系,重點(diǎn)在流程規(guī)范和關(guān)鍵技術(shù)。輕量化材料方面,主流趨勢是加大“以塑代鋼”部件的應(yīng)用范圍、提升以第三代高強(qiáng)鋼為代表的先進(jìn)高強(qiáng)鋼和鋁合金材料的應(yīng)用比例。輕量化工藝方面,主要研究方向是加大熱成型、激光拼焊板的應(yīng)用比例,開啟差厚板、內(nèi)高壓成型技術(shù)的應(yīng)用等[1]。汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)關(guān)乎整車性能、產(chǎn)品特性與其他輕量化領(lǐng)域協(xié)調(diào)匹配,是整車輕量化的框架基礎(chǔ)。汽車設(shè)計(jì)是系統(tǒng)工程,其輕量化設(shè)計(jì)也需遵循相應(yīng)的設(shè)計(jì)流程,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與零部件的輕量化設(shè)計(jì)是整車輕量化的基礎(chǔ),因而汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)必須得到足夠的重視。汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)是汽車輕量化研究的熱點(diǎn)。汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)利用新工藝、新材料以及先進(jìn)技術(shù)取得了許多突破性研究成果,如馬自達(dá)“創(chuàng)馳藍(lán)天”技術(shù)方案中,就對其底盤結(jié)構(gòu)系統(tǒng)重新進(jìn)行了優(yōu)化,Uni-Chassis底盤設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)角度出發(fā),實(shí)現(xiàn)了明顯的輕量化效果,又保障了原有的運(yùn)動(dòng)與操控性;而科邁羅的汽缸蓋及尾氣歧管一體化鑄鋁設(shè)計(jì)也使其發(fā)動(dòng)機(jī)成功減重6 kg,有效實(shí)現(xiàn)了CO2減排,等等。

車身輕量化是汽車輕量化的重要手段,已有的車身輕量化研究主要集中于車身材料的輕量化,對于從車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度的輕量化設(shè)計(jì)體系研究較少。并且,在設(shè)計(jì)初期如何檢驗(yàn)輕量化設(shè)計(jì)效果和碰撞安全性,一直是行業(yè)難題。本文從車身、框架和連接件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)出發(fā),建立了車身輕量化設(shè)計(jì)體系流程,并開發(fā)了CAE仿真和試驗(yàn)測試相結(jié)合的輕量化節(jié)油效果和碰撞安全性驗(yàn)證方法。

1 車身輕量化設(shè)計(jì)體系

當(dāng)前的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化,可分為三大主要部分:一是車身結(jié)構(gòu)的持續(xù)優(yōu)化調(diào)整,具體包括承載式車身設(shè)計(jì)、車身尺寸小型化設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)方式FF化設(shè)計(jì);二是車身部件的改良,側(cè)重降低零部件質(zhì)量,優(yōu)化零部件集成結(jié)構(gòu),具體以去除部件冗余質(zhì)量、部件集成化與大型化、部件尺寸緊湊化、減薄部件板厚等;三是車體結(jié)構(gòu)技術(shù)。

1.1 車身結(jié)構(gòu)的持續(xù)優(yōu)化調(diào)整

(1)承載式車身。用承載式車身代替非承載式車架,是乘用車車身輕量化設(shè)計(jì)的重要方案。高剛性的承載殼體用沖壓成形的薄鋼板構(gòu)件,采用點(diǎn)焊,組合成合理的結(jié)構(gòu)型式,點(diǎn)焊連接有利于車身輕量化。在車身構(gòu)件工藝方面,采用焊接和粘接并用的方式減薄構(gòu)件板厚,提高車體的剛性,使車身更加輕量化。

(2)車身尺寸小型化。減小車身尺寸是輕量化的重要手段。利用人機(jī)工程學(xué)原理,詳細(xì)檢驗(yàn)乘員與周圍車身結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、座椅、前擋風(fēng)玻璃等相互位置關(guān)系。在不影響車內(nèi)乘員活動(dòng)空間、并滿足法規(guī)要求的情況下,盡量縮小整車的外形尺寸,從而降低材料用量,有效達(dá)到車身輕量化目標(biāo)。小型化是日系品牌實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要手段,隨著能耗和排放法規(guī)的不斷加嚴(yán),小型化將成為車身輕量化設(shè)計(jì)的重要方向。

(3)驅(qū)動(dòng)方式FF化。用前置前驅(qū)代替前置后驅(qū),是乘用車車身結(jié)構(gòu)輕量化的主流趨勢。采用發(fā)動(dòng)機(jī)前置,前輪驅(qū)動(dòng)的布置方式,傳統(tǒng)長傳動(dòng)軸和車身地板的中間凸起可以取消,這時(shí)地板通道減小,室內(nèi)空間增大,后地板下降,后座空間增大,實(shí)現(xiàn)車身輕量化。同時(shí),這種驅(qū)動(dòng)方式會使車身室內(nèi)空間變得更大,在確保乘員空間的前提下,可以讓車身外形的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)一步小型化,從而提高設(shè)計(jì)的輕量化水平。

1.2 車身部件的改良

(1)去除部件質(zhì)量。應(yīng)用有限元解析法分析計(jì)算各部件的結(jié)構(gòu)特性,對車身的內(nèi)板、加強(qiáng)板等,在滿足剛度和強(qiáng)度要求的前提下,采用尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化等優(yōu)化類型,減去多余的質(zhì)量,具體包括采用減輕質(zhì)量的空穴,切去托架類構(gòu)件的端角,梁構(gòu)件形狀最佳化設(shè)計(jì)等方法,實(shí)現(xiàn)部分部件的輕量化[3]。

(2)部件集成化與大型化。通過車身部件集成化、大型化來減少部件的數(shù)量,省去不需要的構(gòu)件,還可以避免由于焊接給部件的剛度和強(qiáng)度帶來的下降,實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)要求。多個(gè)零件采用易成形和易加工的塑料或鑄件材料集成在一起,可以減少汽車零件的加工制造程序,降低成本,還可以顯著減少汽車的質(zhì)量。

(3)部件尺寸緊湊化。利用高強(qiáng)度鋼板和表面處理鋼板等,在滿足剛度、強(qiáng)度、防腐、結(jié)構(gòu)裝配等條件下,使部件尺寸減小,緊湊化部件構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)降重和節(jié)省空間。通過減少零件數(shù)量、減小零件重量以及改進(jìn)零件間的連接方式,實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)。改進(jìn)連接方式需要從連接材料、連接方式、連接結(jié)構(gòu)及連接工藝等各方面進(jìn)行考慮,達(dá)到輕量化目標(biāo)。

(4)減薄部件板厚。在保證板材強(qiáng)度、剛度和NVH性能的前提下,通過采用新型板材,實(shí)現(xiàn)減薄板厚,從而達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。

1.3 車體結(jié)構(gòu)技術(shù)

(1)車體主要結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)。在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初,需要同標(biāo)桿車及斷面數(shù)據(jù)庫相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行對比,對車體框架主要斷面進(jìn)行尺寸大小、截面慣性矩等參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)地對比分析,同時(shí)將其控制在80%～120%范圍內(nèi),確保在滿足車體性能的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件尺寸的輕量化控制。

(2)車體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。現(xiàn)代乘用車大部分采用全承載、半承載式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),車體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響車體性能的好壞。因此車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期,需對下車體、整車框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸、大特征面過渡、搭接配合等進(jìn)行分析對比,并對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE性能(碰撞、剛度等)分析對比,確保在滿足基本性能基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過下車體骨架拓?fù)鋬?yōu)化、以及結(jié)構(gòu)環(huán)和下車體多縱梁式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,在最少部件的情況下達(dá)到了最好的性能。

(3)車體鉸接點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。作為車體框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位,鉸接點(diǎn)對車體結(jié)構(gòu)性能影響很大。在設(shè)計(jì)初期,需對車體主要的鉸接點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度的分析對比。

(4)車體結(jié)構(gòu)特征減重設(shè)計(jì)。通過車體零件結(jié)構(gòu)型面尺寸控制,減重孔特征設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)需求,如在非密封件上在滿足性能基礎(chǔ)上,盡可能設(shè)計(jì)減重孔;在滿足焊接條件下,控制零件搭接邊尺寸;減少零件數(shù)量,以減少搭接邊;通過對部分梁類部件(如地板下縱梁等)應(yīng)用法蘭焊接邊設(shè)計(jì)。

(5)車體外覆蓋件地板等大件的薄壁化設(shè)計(jì)。通過對四門兩蓋外板、側(cè)圍外板、翼子板、頂蓋外板、地板的面剛度及屈曲抗凹分析,在滿足剛度的基礎(chǔ)上,應(yīng)用0.7 mm、甚至0.65 mm厚度的板材,使外覆蓋件重量盡可能降低,由于外板件及地板尺寸較大,強(qiáng)度要求較小,在滿足剛度條件下即可應(yīng)用較薄材料,同時(shí)獲得較大的減重效果。

(6)車體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。在初版結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)制作完成后,通過車體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析,來實(shí)現(xiàn)在滿足車體基本性能前提下,識別對剛度、模態(tài)等性能敏感度較低的部件進(jìn)行進(jìn)一步減重。

以白車身質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù),彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、模態(tài)頻率、白車身強(qiáng)度、安全性等為約束條件,結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料厚度參數(shù)為設(shè)計(jì)變量[4],通過參數(shù)化建模、靈敏度分析來優(yōu)化車身結(jié)構(gòu),使白車身在滿足剛度、模態(tài)、強(qiáng)度、安全等性能要求的基礎(chǔ)上達(dá)到最優(yōu)化。

(7)應(yīng)用結(jié)構(gòu)膠提升車體剛度設(shè)計(jì)。在車體減重優(yōu)化過程中,尤其是零件減薄方案,往往會導(dǎo)致車體剛度、強(qiáng)度的下降,通過零件搭接部位結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用,可顯著提升車體結(jié)構(gòu)剛度及連接強(qiáng)度,對車體結(jié)構(gòu)在滿足性能基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輕量化具有較大的作用。

2 CAE仿真和試驗(yàn)測試相結(jié)合的輕量化節(jié)油效果和碰撞安全性驗(yàn)證方法

2.1 節(jié)油效果分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

本文采用整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真軟件AVL CRUISE,研究輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù),對油耗的改善效果。以整備質(zhì)量1.9 t,搭載2.0 L自然吸氣汽油機(jī)的某車型為基礎(chǔ),搭建圖1所示的仿真模型。在模型中輸入整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器和傳動(dòng)系參數(shù),其中整車模塊包含整車重量、整車阻力、軸距及前后軸荷分配等,發(fā)動(dòng)機(jī)模塊包含外特性、萬有特性及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等,離合器模塊包含最大傳遞扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等,傳動(dòng)系模塊包含如變速器和主減速器的速比、效率、輪胎滾動(dòng)半徑和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等,從而實(shí)現(xiàn)整車油耗的仿真分析。

輕量化對整車油耗的影響直接體現(xiàn)在整車重量上,即車輛在加速和減速過程消耗的能量會減少,間接體現(xiàn)在整車阻力上,即整車阻力隨重量的降低有一定程度的降低,車輛在加速、減速和等速過程消耗的能量會進(jìn)一步減少。輸入減重前后的整車重量和整車阻力,就可以分析得出輕量化的節(jié)油效果。表1是整車減重前后質(zhì)量及油耗差異,整車減重前的質(zhì)量1 890.94 kg、減重后的質(zhì)量1 837.5 kg,結(jié)果表明減重53.44 kg,NEDC熱機(jī)油耗有1.2%的改善。

表1 節(jié)油效果模擬結(jié)果

仿真結(jié)果為節(jié)油效果提供了理論依據(jù),最終需要在實(shí)車上進(jìn)行測試。本車型屬于M1類乘用車,測試工況為NEDC。NEDC分為1部和2部,其中1部包含4個(gè)市區(qū)循環(huán)工況,2部為1個(gè)市郊循環(huán)工況,整個(gè)工況總計(jì)時(shí)長為1 180 s,累計(jì)行駛里程約11.08 km。

減重前的整車阻力可拆解成滾動(dòng)阻力空氣阻力和內(nèi)摩擦阻力,其中滾動(dòng)阻力和內(nèi)摩擦阻力與整備質(zhì)量相關(guān)聯(lián)。將減輕的重量計(jì)入滾動(dòng)阻力和內(nèi)摩擦阻力中,即可求得減重后的整車阻力。在整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺上,通過電機(jī)補(bǔ)償?shù)姆绞絹砟M整車阻力,從而實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)車的測試。測試結(jié)果見表2,NEDC工況下冷機(jī)節(jié)油1%,熱機(jī)節(jié)油1.22%,這與分析結(jié)果也是吻合的。

表2 節(jié)油效果測試結(jié)果

2.2 安全性分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 正面碰撞性能

通過輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等技術(shù),可改善輕量化后的正面碰撞性能。圖3是正面碰撞監(jiān)控點(diǎn),正面碰撞性能如表3和表4所示。其中目標(biāo)值為基于C-NCAP五星碰撞目標(biāo)分解得出的CAE分析目標(biāo)數(shù)值。

表3 正面碰撞性能

表4 實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用,輕量化后實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果基本達(dá)到目標(biāo)。

2.2.2 偏置碰撞性能

通過輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等技術(shù),也能改善輕量化后偏置碰撞性能。圖4是偏置碰撞監(jiān)控點(diǎn),偏置碰撞性能如表5和表6所示。其中目標(biāo)值為基于C-NCAP五星碰撞目標(biāo)分解得出的CAE分析目標(biāo)數(shù)值。由表6可知,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用,輕量化后實(shí)車偏置碰撞試驗(yàn)結(jié)果基本達(dá)到目標(biāo)。

表5 偏置碰撞性能

表6 實(shí)車偏置碰撞試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

針對乘用車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)影響因素進(jìn)行了分析,采用合適的輕量化技術(shù)應(yīng)用矩陣對汽車輕量化的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行梳理,從車身、框架和連接件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)出發(fā),建立了車身輕量化設(shè)計(jì)體系流程、在某乘用車實(shí)現(xiàn)了減重53.44 kg的輕量化效果,經(jīng)CAE仿真和實(shí)車測試、NEDC工況冷機(jī)節(jié)油1%、熱機(jī)節(jié)油1.22%;同時(shí)實(shí)現(xiàn)C-NCAP正面碰撞15.6分、偏置碰撞16.74分,滿足五星安全標(biāo)準(zhǔn)。