靳春寧，高 妍，高世哲，鄒天下，劉 洋，張智恒

（1.大連理工大學汽車工程學院，大連 116024；2.中國重汽集團汽車研究總院，濟南 250100；3.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200241）

前言

拖掛式房車由于自身的靈活性與價格優(yōu)勢吸引了大量用戶，在旅居車市場的占比持續(xù)增大［1］。隨著功能的日益多元化、集成化，拖掛房車底盤承載的設備越來越多，出現(xiàn)重載化傾向。因此，如何在輕量化的同時，顯著提升底盤承載能力成為業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的問題。底盤輕量化與底盤承載力的提升，經(jīng)常是矛盾的。同時，房車底盤作為典型的多品種、小批量產(chǎn)品，復雜、昂貴的沖壓成型工藝在成本上難以接受。而以輕量化為目標的最優(yōu)設計輸出，往往又呈現(xiàn)為不得不用沖壓工藝實現(xiàn)的復雜外形，對于變截面狹長縱梁，甚至超出了常規(guī)沖壓工藝的能力范疇。

在底盤設計中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是較為普遍的方式。廖鶯等［2］在概念設計階段引進ICM 混合建模方法，結(jié)合拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化等手段，對后副車架進行優(yōu)化輕量化設計。馬超等［3］針對骨架式車身提出一種以材料類型、梁的截面形狀和尺寸為離散設計變量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。王童等［4］通過強度、剛度、模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)輕量化和生命周期評價，分析車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化對整車節(jié)能減排效果的影響。陳世澤等［5］建立了以制造成本為目標的變剛度復合材料結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法，實現(xiàn)輕量化與成本的兼顧。李德明等［6］針對車架生產(chǎn)效率低、制造精度差等問題進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。另外，也有學者嘗試通過新材料實現(xiàn)汽車輕量化，顧新建等［7］指出先進高強度鋼以其優(yōu)良的力學性能和較低的生產(chǎn)成本，很好地滿足了汽車輕量化的需求。Duchet 等［8］認為開發(fā)目標是促進先進高強度鋼牌號的應用，以節(jié)省底盤部件的質(zhì)量。蔣榮超等［9］將某乘用車扭轉(zhuǎn)梁懸架原鋼質(zhì)橫梁用碳纖維復合材料替代，并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，取得顯著的輕量化效果。Li 等［10］指出高強度鋼（HSS）具有優(yōu)異的強度和出色的韌性，已被廣泛用于大型結(jié)構(gòu)中。

在材料加工工藝方面，國內(nèi)外相關(guān)學者也進行了研究。解東旋等［11］提出高強度鋼板熱沖壓工藝是實現(xiàn)汽車輕量化、提高汽車碰撞安全性的重要途徑之一。Mehari 等［12］提出冷軋成型工藝是生產(chǎn)高強度鋼型材的最主要方法之一。Kloska 等［13］開發(fā)并測試了適合混合成型的模具概念和工藝，通過混合成型工藝實現(xiàn)了與原始部件相比減輕近20%的質(zhì)量。André 等［14］提出一種用于制造多材料輕質(zhì)零件的計算方法，該方法為與工藝設置相關(guān)的結(jié)構(gòu)特性提供了一個快速準確的計算模型。

總而言之，就輕量化而言，最優(yōu)零件構(gòu)型必然是復雜的，作為拖掛式房車底盤的關(guān)鍵部件——縱梁，其最優(yōu)構(gòu)型必然呈現(xiàn)為一種超長、變截面梁。

目前拖掛式房車車架制造中，沖壓和折彎是主要工藝，無法實現(xiàn)超長變截面梁的加工。受制于工藝，實際的房車車架要么采用固定截面縱梁，要么采用多個不同截面的零件組合而成的組合梁，限制了房車車架性能的進一步提升。同時，小批量產(chǎn)品的特殊成本要求又限制了新工藝的運用，使輕量化問題變得更為棘手，經(jīng)優(yōu)化的復雜外形、高強度材料的運用、相對較低的生產(chǎn)成本，成為要同時解決的3 個問題。

針對上述挑戰(zhàn)，本文將團隊提出的“輥沖工藝”方法首次應用于超長、輕量化沖孔和變截面房車車架縱梁的一次成型，與現(xiàn)有文獻的各種成型方法相比，從工藝和經(jīng)濟成本上能夠真正實現(xiàn)符合最優(yōu)化原則特殊產(chǎn)品加工制造；而作為本文的重點，通過數(shù)值仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化給出的高強度、高剛度、輕量化的特殊超長縱梁最優(yōu)方案，只有通過“輥沖工藝”方法才能真正實現(xiàn)。

本文中以某款廣泛使用的1.4 t 級拖掛式房車底盤為例，將輥沖成型工藝實際應用于拖掛式房車底盤設計中，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，通過高強度材料的一體化成型構(gòu)造底盤縱梁，較為均衡地解決了上述3個問題。

1 對標底盤的仿真與分析

1.1 對標底盤三維幾何模型的建立

選擇市場反映較好的某款額定載質(zhì)量為1.4 t、底盤質(zhì)量（不包括輪胎）為114.5 kg的拖掛房車底盤作為對標產(chǎn)品，如圖1 所示。通過三維測量，構(gòu)造對標底盤的三維CAD模型，如圖2所示。

圖1 對標底盤實物圖

圖2 對標底盤幾何模型

1.2 對標底盤材料參數(shù)的確定

為獲得對標底盤所用材料的實際性能，對底盤材料進行取樣，經(jīng)過線切割形成標準拉伸試件，通過拉伸試驗機獲得對標底盤關(guān)鍵材料的力學性能，如表1所示。

表1 對標拖掛房車底盤板材的力學性能

1.3 基于多工況有限元分析的性能評估

分析通過HyperMesh 完成。在拖掛房車使用過程中，滿載彎曲和滿載制動是最典型的工況，所以本研究選取這兩種工況下底盤的受力情況進行分析。

載荷通過全局加速度的形式施加，創(chuàng)建大小為9 810 mm/s2的加速度載荷，（N1，N2，N3）為全局加速度的方向向量。N1表示拖掛房車x方向加速度，大于0 時表示加速，小于0 時表示制動，等于0 時表示靜止或勻速行駛；N2表示拖掛房車y方向加速度，大于0 時表示左轉(zhuǎn)，小于0 時表示右轉(zhuǎn)，等于0 時表示直線行駛；N3的值設置為-1，表示豎直向下的重力加速度。邊界條件通過約束位移的方式施加，根據(jù)工況的不同進行邊界約束條件的施加。

彎曲工況為拖掛房車滿載且在水平良好路面上勻速直線行駛時車架的受力狀態(tài)，是最常見的工況之一。該工況下拖掛房車車架僅承受豎直向下的彎曲載荷，主要由車身、車廂內(nèi)部物品、水箱以及其他附屬部件產(chǎn)生。該工況下的全局加速度方向向量為（N1，N2，N3）=（0，0，-1），邊界約束條件為：前方拖鉤處限制x、y、z3 個方向的位移，左右兩側(cè)車輪限制y、z方向的位移。

制動工況模擬前車發(fā)生緊急制動時車架的整體受力狀態(tài)。該工況下車架不僅會承受垂直向下的載荷，還會承受因制動而產(chǎn)生的縱向慣性載荷，且縱向載荷的大小受到整車總質(zhì)量和地面制動力的影響。汽車的地面制動力可以通過制動力系數(shù)進行反映，制動力系數(shù)的最大值稱為峰值附著系數(shù)φp。前車在干燥的混凝土或瀝青路面制動時的峰值附著系數(shù)φp為0.8～0.9［15］，取峰值附著系數(shù)φp=0.9，根據(jù)式（1）進行計算，ax=-0.9g。該工況下的全局加速度方向向量為（N1，N2，N3）=（-0.9，0，-1）

式中：abmax表示最大制動減速度；φp為峰值附著系數(shù)；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

經(jīng)過計算得出在滿載彎曲工況下的最大位移為4.789 mm，位于后部橫梁，最大應力為167.4 MPa；滿載制動工況下的最大位移為5.347 mm，出現(xiàn)在前橫梁，最大應力為185.4 MPa。各工況的位移和應力云圖如圖3所示。

圖3 兩種工況的位移和應力云圖

分析表明，底盤在上述工況下的最大應力值接近、甚至超過材料的許用應力，表明對標底盤既有結(jié)構(gòu)已充分發(fā)揮了材料性能，在不對工藝做重大改變的情況下，通過改變材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升性能的空間非常有限。

2 拖掛房車底盤改進方案

2.1 工藝改進

本文中采用輥沖工藝解決上述問題，引入更高強度材料，構(gòu)建大尺寸、變截面橫梁實現(xiàn)性能增強，并通過減少主要構(gòu)件數(shù)量提升生產(chǎn)效率和裝配效率。

輥沖工藝集輥壓成型和沖壓成型兩者為一體的輥沖成型工藝，該工藝可以使金屬依次通過放卷機、輥沖成型機和沖剪機從薄板、帶料到卷料，具體過程如圖4 所示。輥沖成型工藝的主要特征是將傳統(tǒng)的沖壓整體模具離散化處理，形成多對模具塊。通過驅(qū)動齒輪和鏈節(jié)帶動模具塊繞具有巨大虛擬半徑的圓弧旋轉(zhuǎn)并逐步嚙合，進而成型板料。輥沖成型機上的模具塊具有較強的靈活性，可以根據(jù)目標零件的形狀進行設計，具有制造變截面零件的能力。此外，由于模具被單元化處理，模具的維修成本降低，僅須維護已磨損部分的模具塊即可。該工藝繼承了沖壓模具的靈活性和輥彎成型的運動連續(xù)性，某種程度上算是一種輥壓與沖壓的復合工藝。

圖4 輥沖成型示意圖

一個結(jié)構(gòu)和功能上最優(yōu)的車架，必然具有復雜的外形。其中的關(guān)鍵構(gòu)件——縱梁，將兼具超長、變截面、高強度和小批量生產(chǎn)的特性，采用既有的工藝方法是難以實現(xiàn)的。而輥沖成型工藝則利用可以處理高強度板材、低成本和構(gòu)造大長度的變截面縱梁等優(yōu)勢較好地解決了上述問題。

利用輥沖成型工藝可以連續(xù)進行材料的成型加工，也能使旅居掛車底盤的縱梁一體成型，且具備流水線批量生產(chǎn)的能力，與此同時也可以獲得更好的力學性能，但由于輥沖成型工藝在模具的生產(chǎn)加工中有很多限制和要求，因此須根據(jù)具體加工工藝過程對其材料和結(jié)構(gòu)進行相應的改進。

2.2 材料改進

受制于小批量生產(chǎn)的壓力，對標拖掛式房車底盤縱梁由多個結(jié)構(gòu)相對簡單的金屬鈑金件通過焊接和螺栓連接組成。對于拖掛式房車底盤，受到工藝制約，高強度板材的使用并不普遍。且針對對標底盤的分析也表明，盡管所用板材的指標相對較好，但板材性能也已被充分發(fā)揮，為進一步提升性能，引入更高性能材料是必要的。

對標材料是從成型后加工硬化程度較小的縱梁邊角部切割下一小片支撐拉伸試件，進行拉伸實驗。新材料采用的是原始坯料，在相同的實驗條件下完成拉伸實驗和對比?？v梁成型后，相比原始坯料會有一些加工硬化，在彎角、折彎和翻邊部位變化較大，但邊部因變形很小，加工硬化可忽略不計。兩種底盤縱梁材料實測的應力-應變曲線對比如圖5 所示。其中圖5（a）為單向拉伸實驗試樣產(chǎn)生縮頸前的工程應力-應變曲線，圖5（b）為真實應力-應變曲線。

圖5 材料應力-應變曲線對比

由圖可以看出，相對于原始材料，F(xiàn)B780 鋼的性能有明顯提升，結(jié)合以此為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)改進，進一步擴大了底盤性能的提升空間。

2.3 基于輥沖工藝的結(jié)構(gòu)改進

對標底盤總長度為6 000 mm。其中，縱梁長度為4 500 mm，由兩個簡單截面的構(gòu)件焊接而成。底盤各主要構(gòu)件的板材厚度見表2。

表2 對標底盤主要構(gòu)件板材厚度 mm

改進1：由于利用輥沖成型工藝能夠?qū)崿F(xiàn)變截面復雜零件的成型加工，所以將對標拖掛房車底盤的A字梁與縱梁（由兩段等長度的焊接件構(gòu)成）改為一體成型的結(jié)構(gòu)，其長度與對標底盤一致，寬度經(jīng)過有限元分析不斷優(yōu)化。在完成整體結(jié)構(gòu)的初步改進后，需要對底盤各部件的連接方式和輕量化孔進行設計。通過有限元分析與對標底盤的強度和剛度進行對比，優(yōu)化新底盤的設計方案，在對標底盤的基礎(chǔ)上增加縱梁側(cè)面的輕量化孔數(shù)量，以此達到減輕質(zhì)量的目的。最終結(jié)果如圖6所示。

圖6 縱梁改進方案

改進2：當將A 字梁與縱梁做成一體成型結(jié)構(gòu)時，原有的縱梁與前橫梁連接處會缺失一部分長度，從而造成前橫梁應力集中，所以在前橫梁和縱梁之間的位置增加一塊厚度為1.5 mm 的斜支撐鋼管，分別在兩端進行螺栓連接，形成獨立的三角形框架，以此來加強前橫梁與縱梁之間的連接與支撐，具體改進方案如圖7所示。

圖7 三角形結(jié)構(gòu)改進方案

改進3：由于對標拖掛房車底盤前橫梁一方面是通過從內(nèi)部鈑金翻邊與縱梁相互連接，另一方面因為前橫梁與縱梁的上表面位于同一平面，所以下方可以通過墊片與A字梁進行螺栓連接。但是新結(jié)構(gòu)中采用一體成型的工藝導致前橫梁安裝后會高于縱梁，無法使用墊片與A字梁相互連接，因此在設計上使A 字梁與前橫梁接觸的上表面前端向下傾斜，且將兩者連接處的部分稍作加寬，使用襯板將前橫梁搭建在A 字梁的上方，在前橫梁與襯板接觸的左右兩側(cè)分別使用墊片與之進行螺栓連接，且使用鈑金翻邊用作定位，最終結(jié)果如圖8所示。

圖8 前橫梁連接結(jié)構(gòu)改進方案

改進4：改進后的底盤在長度方面仍保持與原有底盤相同的數(shù)值，但在前橫梁、縱梁和某些主要部件的厚度上有所改進，各部件鋼板厚度見表3。

表3 改進后底盤主要構(gòu)件板材厚度 mm

3 改進后底盤的仿真與分析

3.1 幾何模型的建立

結(jié)合輥沖成型工藝和FB780 擴孔鋼材料，根據(jù)上述對各部件結(jié)構(gòu)和厚度的改進結(jié)果，重新構(gòu)造底盤的三維CAD 模型，改進后的拖掛式房車底盤幾何模型如圖9所示。

圖9 改進后底盤的幾何模型

3.2 多工況有限元分析

對于改進后的拖掛式房車底盤，采用與對標底盤模型同樣的分析方法。當施加與對標底盤相同的1.4 t 載荷時，該拖掛房車底盤在滿載彎曲工況下的最大位移為2.872 mm，位于后橫梁，最大應力為120.3 MPa；滿載制動工況下的最大位移為3.865 mm，出現(xiàn)在前橫梁與縱梁連接處，最大應力為201.3 MPa。由此可以得出當對新底盤施加相同大小的載荷時，兩種工況下的最大應力值遠遠小于材料的屈服強度700 MPa和許用應力。

為達到與對標底盤相似的變形量繼續(xù)施加載荷，當額定載質(zhì)量達到2.4 t 時，該拖掛房車底盤在滿載彎曲工況下的最大位移為4.56 mm，位于后橫梁，最大應力為203.9 MPa；滿載制動工況下的最大位移為6.4 mm，出現(xiàn)在前橫梁與縱梁連接處，最大應力為337.3 MPa。而兩種工況下的最大應力值仍小于材料的屈服強度700 MPa。

為驗證額定載質(zhì)量為2.4 t 時的車架變形是否會對車廂底板造成影響，分別測量不同工況下圖10中1、2、3、4、5、6 共6 個點的絕對變形量。因為底盤結(jié)構(gòu)左右對稱，因此以1、3、5 3 個點為例，具體數(shù)值如表4 所示。根據(jù)3 個點在自由狀態(tài)和加載狀態(tài)的變形情況，計算3 點變形為3′之后到1 點和5 點變形為1′和5′所構(gòu)成平面的距離，得出兩種工況下平面翹曲度h≤4 mm，證明車架在兩種工況下的變形量均不會對車廂底板造成損壞。以彎曲工況為例，距離h如圖11所示。

表4 點1、3、5絕對變形量 mm

圖10 絕對變形量測量點

圖11 彎曲工況下h的變化量

3.3 生產(chǎn)試制過程

對于采用新工藝和新結(jié)構(gòu)的拖掛房車底盤，其中工藝與模具設計部分已初步完成，輥沖成型試制正在逐步開展，在針對模具的加工方面，須安裝調(diào)試后對相應的板料進行校平切邊切孔，在輥沖試制后對其進行成型尺寸的測量。具體輥沖模具加工和輥沖機安裝調(diào)試過程如圖12 所示。當測量結(jié)果滿足要求時，平直大梁樣件，如果測量結(jié)果不滿足要求，則須進一步進行模具補償加工，重復輥沖試制工作，直至生產(chǎn)出符合要求的樣件。其中縱梁第一次試制結(jié)果如圖13所示。

圖12 模具加工和安裝調(diào)試

圖13 第一次樣件試制

圖14 為產(chǎn)品設計過程中進行的翻邊成型仿真，顯示成型效果良好，無裂開風險，其成型質(zhì)量也在實際制品中得到驗證。

圖14 翻邊成型仿真結(jié)果

4 結(jié)論

將輥沖工藝引入拖掛式房車的底盤設計和制造。通過高性能材料以縱梁為主、附件為輔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在實現(xiàn)底盤輕量化的同時，令底盤的承載能力顯著提升。同時，零部件數(shù)量的簡化帶來的收益和相對低廉的輥沖成型工藝也較好地保證了底盤的經(jīng)濟性。

通過分析和確定對標底盤的基礎(chǔ)性能，以及后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能分析和制件生產(chǎn)驗證，可以得到如下結(jié)論。

（1）在強度方面，由于輥沖成型工藝可以處理更高強度板材，并塑造大尺度復雜外形，所以改進后的拖掛房車底盤施加載荷為2.4 t 時的變形量與對標底盤施加額定載荷1.4 t時的變形量相似，最大應力出現(xiàn)在滿載制動工況下為337.3 MPa，小于材料的屈服強度700 MPa 和許用應力，實現(xiàn)了承載能力的顯著提升。

（2）在結(jié)構(gòu)方面，基于輥沖成型工藝的大尺度、變截面縱梁，顯著減少了主要零部件的數(shù)量，減少人工裝配、焊接和其他輔助工裝的人力和物力支出。

（3）輕量化方面，綜合材料和結(jié)構(gòu)的改進，最終拖掛式房車底盤質(zhì)量為105.2 kg，與對標底盤質(zhì)量相比，輕量8%，這種輕量化的效果是與性能提升同時達成的。

高強度的材料和經(jīng)過優(yōu)化的復雜外形，是最常見的輕量化手段，也是最常見的性能提升手段，但對于房車這種小批量多品種的產(chǎn)品，成本壓力限制了上述兩種手段的運用，而將輥沖成型工藝引入拖掛式房車的底盤設計和制造，則顯著擴大了上述兩種手段的使用空間。

致謝

本文全部工作都是在大連理工大學胡平教授、李寶軍副教授和上海交通大學李大永教授的直接而具體的指導下完成的。在此向3 位專家表示誠摯謝意。