鞏 梅

?

車輛底盤輕量化探究驗(yàn)證

鞏 梅

（鄭州交通技師學(xué)院，河南 鄭州 450016）

我國(guó)的汽車工業(yè)在近些年得到了快速的發(fā)展，汽車底盤對(duì)于汽車組成具有重要的作用，其重量的大小很大程度上決定了汽車的油耗。因此，汽車底盤的輕量化是汽車工業(yè)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。文章從近年來汽車底盤輕量化發(fā)展切入，從汽車的結(jié)構(gòu)梁等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過科學(xué)的試驗(yàn)對(duì)汽車底盤輕量化的實(shí)用效果進(jìn)行了驗(yàn)證，希望為汽車工業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)參考。

汽車底盤；輕量化；探究驗(yàn)證

前言

在我國(guó)汽車工業(yè)快速發(fā)展的背景下，其對(duì)于環(huán)境的污染等問題受到了人民群眾越來越多的關(guān)注。降低汽車油耗是各汽車企業(yè)目前科研工作的主要方向。汽車底盤的重量可以占到汽車總重的30%左右，經(jīng)過權(quán)威機(jī)構(gòu)研究，汽車自重降低10%，其油耗可以降低15%左右。汽車底盤輕量化對(duì)于節(jié)約汽車油耗，實(shí)現(xiàn)汽車安全運(yùn)行具有十分重要的意義，因此，各國(guó)都在對(duì)汽車底盤輕量化問題進(jìn)行研究探索。

1 汽車底盤輕量化國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著國(guó)內(nèi)外汽車保有量的不斷增加，汽車已經(jīng)走進(jìn)了千家萬(wàn)戶，在給人們帶來舒適便利的同時(shí)，汽車尾氣的排放成為了困擾各國(guó)政府的一個(gè)主要問題。我國(guó)汽車的保有量也從2005年的500萬(wàn)輛左右提高到了2016年2500萬(wàn)輛，短短十年間，汽車保有量提升了5倍的數(shù)量，這對(duì)于環(huán)境的壓力是不可估量的。因此，如何通過汽車底盤的輕量化改革來減少汽車尾氣的排放，成為了各國(guó)汽車企業(yè)重點(diǎn)研究的目標(biāo)，同時(shí)對(duì)于環(huán)境的發(fā)展具有十分重要的意義。

國(guó)外自上世紀(jì)90年代以來，開始進(jìn)行汽車輕量化的設(shè)計(jì)改革，多種輕量的汽車型號(hào)投入到了生產(chǎn)當(dāng)中。1998年，德國(guó)大眾汽車首次實(shí)現(xiàn)了汽車總重900公斤-990公斤的目標(biāo)，大眾汽車因此在油耗方面取得了較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。美國(guó)在2009 制定了有關(guān)措施與目標(biāo)，計(jì)劃在2018年實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)汽車小型卡車及客車油耗小于每100公里6.6升。這就意味著美國(guó)將會(huì)在目標(biāo)年限內(nèi)降低接近18 億桶原油的消耗，這對(duì)于大氣的改善作用十分巨大。鋁合金材料具有易于成型，密度較小及較強(qiáng)的耐腐蝕性等性能，隨著大量技術(shù)的日漸成熟，這些良好的鋁合金產(chǎn)品越來越的得到汽車生產(chǎn)廠商的認(rèn)可，并被大量的生產(chǎn)。多種鋁合金底盤工藝被廣泛的應(yīng)用于各類大型品牌。奔馳、寶馬、奧迪等眾多大型國(guó)外品牌車型采用鋁合金進(jìn)行生產(chǎn)，鋁合金車架實(shí)現(xiàn)了車輛的輕量化，其輕量化效果能達(dá)到40%。

圖1 2010-2017年中國(guó)汽車銷量及增速

圖2 2010-2017年中國(guó)汽車產(chǎn)量及增速

我國(guó)近些年緊跟國(guó)際的步伐，開始在汽車輕量化的改革中進(jìn)行不斷嘗試，我國(guó)對(duì)鎂合金等輕質(zhì)材料進(jìn)行了專業(yè)的實(shí)驗(yàn)研究，在條件已經(jīng)成熟的情況下，開始將輕質(zhì)材料用于汽車底盤的加工生產(chǎn)之中。各大高校和科研單位也不斷的加入到了輕質(zhì)材料的研究工作當(dāng)中，進(jìn)行了汽車底盤輕質(zhì)材料應(yīng)用的研究，最新的科研成果不斷涌現(xiàn)，在輕質(zhì)材料的強(qiáng)度、剛度的提升等方面處于國(guó)際領(lǐng)先的位置。鎂合金材料已經(jīng)通過了實(shí)驗(yàn)室的研究，開始進(jìn)展到了量化生產(chǎn)的階段，鎂合金也得到了越來越多汽車企業(yè)的應(yīng)用，其適用范圍也是比較廣泛的，不光可以應(yīng)用到汽車底盤當(dāng)中，也可以使用在座椅等位置。

我國(guó)另一個(gè)輕量化材料研發(fā)的重點(diǎn)是熱成型高強(qiáng)度鋼材，主要運(yùn)用在汽車的防撞配件上，我國(guó)某一品牌的車輛熱成型高強(qiáng)度鋼材的使用率已經(jīng)超過了10%，經(jīng)過汽車運(yùn)行的分析，發(fā)現(xiàn)該材料不僅可以起到很好的輕量化的效果，同時(shí)在提高汽車的強(qiáng)度和剛度等方面也具備一定的優(yōu)勢(shì)。另一方面，我們也要正視差距，與歐美先進(jìn)的汽車生產(chǎn)國(guó)相比，該項(xiàng)技術(shù)還具有很大的差距，這就要求我們的汽車研發(fā)人員要多借鑒先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，不斷進(jìn)行交流合作，提升我國(guó)汽車輕量化生產(chǎn)的質(zhì)量。

通過以上的論述，我們可以看出我國(guó)在汽車底盤輕量化改革上做了大量的工作，在汽車底盤材料輕量化方面取得了一定的成果。除了汽車生產(chǎn)企業(yè)外，各相關(guān)高校和科研單位也應(yīng)加強(qiáng)汽車底盤輕量化方面的研究力度，使得我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)能夠跟上國(guó)際的步伐，在汽車輕量化生產(chǎn)，特別是構(gòu)件生產(chǎn)工藝優(yōu)化中做出自己的貢獻(xiàn)。

2 汽車底盤輕量化技術(shù)優(yōu)化分析

一輛標(biāo)準(zhǔn)的汽車由動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)等多種設(shè)備體系構(gòu)成，汽車底盤的重量大約可以占到汽車重量的30%，通過對(duì)汽車底盤輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于汽車節(jié)油具有十分重要的意義。汽車底盤因?yàn)楸仨毦哂泻軓?qiáng)的支撐能力，所以用于裝配汽車底盤的配件需要具備較高的要求。對(duì)于汽車底盤輕量化的優(yōu)化途徑首先選擇的是材料的輕量化設(shè)計(jì)，如使用輕質(zhì)的鎂鋁合金材料代替鋼材料。從汽車底盤加工的成型技術(shù)入手進(jìn)行改革，采用高強(qiáng)沖壓，將配件放入熱加工爐中加熱4分鐘。使配件均勻奧氏體化，用機(jī)械手臂將其取出，然后迅速轉(zhuǎn)移到熱沖壓模具上快速?zèng)_壓成形，汽車底盤配件的強(qiáng)度可以達(dá)到1200兆帕。在汽車底盤的構(gòu)造中，主要有U形、W形和V形三種形式的沖壓梁。三種形式的汽車底盤沖壓梁在汽車構(gòu)造中起到了不同的作用，U形梁是最常見的一種汽車底盤縱梁的結(jié)構(gòu)形式，V形梁是汽車底盤防撞結(jié)構(gòu)的主要形式，V形梁對(duì)于提高汽車整體性具有十分重要的作用，其作為中間結(jié)構(gòu)對(duì)于汽車的剛度和強(qiáng)度的提升都有十分積極的作用。V形梁在提升汽車整體強(qiáng)度的前提下，其材料的重量也具有很大的優(yōu)勢(shì)，是汽車底盤進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的選擇。W梁是為了減少橫截面跨度大、應(yīng)力集中的問題產(chǎn)生的，這樣不僅使得結(jié)構(gòu)的剛度有了很大的提升，在安全性方面也超過了V形梁的作用，因此W形梁的結(jié)構(gòu)越來越多的用于汽車底盤的設(shè)計(jì)與制造當(dāng)中。U形、W形和V形沖壓梁的力學(xué)性能如表1所示。

表1 U形、W形和V形沖壓梁的力學(xué)性能對(duì)比表

汽車底盤的結(jié)構(gòu)在加工成型后，還可以繼續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，來提升汽車底盤的輕量化，優(yōu)化的方式主要是在構(gòu)件的外形方面進(jìn)行加工和改變，比如通過構(gòu)件空心化加工，減小構(gòu)件的尺寸等方法。在汽車底盤的設(shè)計(jì)中，使用圓形孔的方式是比較常用的一種手段，圓形可以使得構(gòu)件所受應(yīng)力能夠均勻的分布，同時(shí)還可以減少材料的使用，最大限度的進(jìn)行汽車底盤輕量化的革新。圓形構(gòu)件形式如圖3所示。

3 汽車底盤輕量化結(jié)構(gòu)模型分析

圖4 U形梁改造前后示意圖

首先使用HYPERMESH 軟件進(jìn)行前處理建模，然后用NASTRAN 軟件進(jìn)行計(jì)算，最后用HYPERMVIEW 進(jìn)行后處理。通過模型的優(yōu)化，對(duì)比汽車底盤U形梁在不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件下應(yīng)力的大小情況。試驗(yàn)建模使用的U形梁的形式如圖4所示，對(duì)于該構(gòu)件的受力、材料性能等情況進(jìn)行賦值。然后通過U形梁形狀的改變進(jìn)行前后的對(duì)比，將其中使用的方形孔改進(jìn)成圓形孔，通過計(jì)算對(duì)改進(jìn)前后的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。通過結(jié)果的分析，我們可以看出，U形梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)前，其所受的最大應(yīng)力達(dá)到了149兆帕，而對(duì)其進(jìn)行了一個(gè)圓形孔的改造后，其最大的應(yīng)力減小到了67兆帕。對(duì)汽車底盤進(jìn)行輕量化改造，其前提就是提升汽車運(yùn)行的安全性，通過汽車底盤結(jié)構(gòu)的模型實(shí)驗(yàn)分析，可以看出，方形孔比較容易聚集應(yīng)力，可以采用圓形孔的改造改變構(gòu)件的應(yīng)力集中問題，這對(duì)于U形梁的強(qiáng)度提升具有十分重要的意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車底盤輕量化對(duì)于節(jié)約汽車油耗，實(shí)現(xiàn)汽車安全運(yùn)行具有十分重要的意義，因此，各國(guó)都在對(duì)汽車底盤輕量化問題進(jìn)行研究探索，本位介紹了U 形梁、V 形梁及W形梁等三種結(jié)構(gòu)梁的主要受力特征，同時(shí)證明了構(gòu)件上的圓形孔改造非常有利于解決汽車構(gòu)件應(yīng)力集中的問題。因此，在汽車底盤輕量化改革的過程中，首先應(yīng)使用更加輕質(zhì)的材料進(jìn)行汽車底盤的生產(chǎn)，同時(shí)應(yīng)不斷通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整汽車底盤結(jié)構(gòu)配件的形狀，解決其應(yīng)力集中的問題，這樣才能在安全運(yùn)行的情況下，提升汽車底盤的輕量化特征。

[1] 邢忠文,方華松,徐偉.汽車B 柱成形仿真與分析[J].鍛壓技術(shù),2008, 33(7):29-30.

[2] Body ULSA.ULSAB-AVC Overview Report[R].Washington DC: American Iron and Steel Institute,2002:5-6.

[3] 全銓.基于模糊多屬性決策和遞階質(zhì)量屋的汽車輕量化材料選擇方法[D].重慶:重慶大學(xué),2015.

[4] 楊艷.輕量化引領(lǐng)未來汽車技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)[J].材料,2014(5):54- 57.

[5] 王野.專用汽車底盤零件輕量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù),2015(12): 150-154.

Vehicle chassis lightweight verification

Gong Mei

( Zhengzhou Institute of Traffic Technicians, Henan Zhengzhou 450016 )

China's automobile industry has developed rapidly in recent years. The car chassis plays an important role in the composition of the car. The weight of the car determines the fuel consumption of the car. Therefore, the lightweight of the car chassis is an important development direction of the automotive industry. In this paper, from the light weight development of automobile chassis in recent years, the lightweight design is optimized from the structural design of the structural beam of the automobile, and the practical effect of the lightweight weight of the automobile chassis is verified through scientific experiments, hoping for the development of the automobile industry. Provide technical reference.

car chassis; lightweight; inquiry verification

U463.1

B

1671-7988(2018)21-139-03

U463.1

B

1671-7988(2018)21-139-03

鞏梅，南陽(yáng)，1980年，女，鄭州交通技師學(xué)院，學(xué)士學(xué)位，講師，研究方向：汽車底盤

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.048