張德偉,徐鑫,孔雪，祝哮，楊路，韓立勝

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽(yáng) 111003)

0 引言

為促進(jìn)我國(guó)汽車電動(dòng)化、低碳化健康快速發(fā)展，同時(shí)為了企業(yè)更好地履行社會(huì)責(zé)任，緩解我國(guó)能源消耗壓力，促進(jìn)汽車工業(yè)節(jié)能減排，我國(guó)于2018年4月開(kāi)始實(shí)施《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，即雙積分政策。

各個(gè)汽車企業(yè)加大節(jié)能技術(shù)投入力度，積極調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，采取多種措施達(dá)到年度平均燃料消耗量和新能源汽車積分比例要求。純電動(dòng)乘用車積分公式為：0.012R+0.8，其中R為電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程(工況法)，單位為km。所以純電動(dòng)乘用車為了提高續(xù)航里程，積極采用各種輕量化措施，鋁合金車身應(yīng)運(yùn)而生并逐步應(yīng)用在汽車領(lǐng)域。

鋁合金車身實(shí)現(xiàn)輕量化指標(biāo)的同時(shí)，也應(yīng)滿足車身性能目標(biāo)。汽車的輕量化是指在保證汽車性能目標(biāo)的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性以及汽車?yán)m(xù)航里程。車身剛度是車身設(shè)計(jì)最重要的指標(biāo)之一，也是決定汽車品質(zhì)和性能的重要指標(biāo)，它主要分為扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度。本文作者通過(guò)CAE分析來(lái)評(píng)價(jià)輕量化系數(shù)和鋁合金車身剛度。

1 白車身剛度及輕量化系數(shù)

1.1 白車身剛度

車身剛度是整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，會(huì)直接影響到轎車的操縱性、安全性、可靠性、NVH等性能。彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度是車身設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，其中彎曲剛度是車身抵抗彎曲變形的能力；扭轉(zhuǎn)剛度是車身抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。

(1)彎曲剛度工況

約束：左、后減振器安裝點(diǎn)XYZ向平動(dòng)；右、后減振器安裝點(diǎn)XZ向平動(dòng)；左、前減振器安裝點(diǎn)YZ向平動(dòng)；右、前減振器安裝點(diǎn)Z向平動(dòng)。

載荷：在通過(guò)前、后減振器安裝點(diǎn)中間位置的YOZ平面與門(mén)檻相交的位置施加沿Z軸負(fù)向載荷F=1 500 N。彎曲工況如圖1所示。

(2)扭轉(zhuǎn)剛度工況

約束：左、后減振器安裝點(diǎn)XYZ向平動(dòng)；右、后減振器安裝點(diǎn)XZ向平動(dòng)；防撞梁中間位置Z向平動(dòng)。

載荷：在左、右前減振器兩個(gè)安裝點(diǎn)上施加一大小為2 000 N·m的力矩，轉(zhuǎn)換為力的方向(沿Z向)。扭轉(zhuǎn)工況如圖2所示。

圖1 彎曲工況示意圖

圖2 扭轉(zhuǎn)工況示意圖

1.2 白車身輕量化系數(shù)

輕量化系數(shù)是目前被汽車行業(yè)普遍接受的一個(gè)評(píng)價(jià)白車身輕量化水平的指標(biāo)，數(shù)值小，表示輕量化水平越高，它綜合考慮了白車身的質(zhì)量、扭轉(zhuǎn)剛度及車身大小，對(duì)車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析及輕量化水平有重要的指導(dǎo)意義。

輕量化系數(shù)計(jì)算公式：

式中：L為白車身輕量化系數(shù)(簡(jiǎn)稱輕量化系數(shù))，kg·(°)/[(N·m)·m2]；m為白車身骨架質(zhì)量，不含四門(mén)兩蓋，kg；Ct為白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，帶擋風(fēng)玻璃，N·m/(°)；A為白車身腳印面積(即軸距×輪距)，m2。

歐洲汽車車身會(huì)議(Euro Car Body，ECB)每年10月份在德國(guó)舉行。ECB是汽車行業(yè)的頂級(jí)水平會(huì)議，引領(lǐng)全球汽車車身的發(fā)展。ECB展示的2010年至2017年的車型輕量化系數(shù)平均為3.01。

2 白車身剛度分析

2.1 彎曲剛度分析

白車身彎曲剛度用車身上所受彎曲載荷之和與車身上最大彎曲位移值的比值來(lái)衡量，計(jì)算公式為

K彎曲=F/z

式中：F為所施加載荷的總和，N；z為門(mén)檻位置垂向彎曲位移最大值，mm。

白車身在彎曲載荷下Z方向位移云圖如圖3所示。

圖3 彎曲載荷位移云圖

白車身彎曲工況下的加載位置對(duì)應(yīng)門(mén)檻下的Z向最大位移為0.227 mm，施加載荷的總和為3 000 N，其彎曲剛度值為

K彎曲=F/z=3 000/0.227=13 215 N/mm

當(dāng)白車身在受到彎曲載荷作用時(shí)，車身的各個(gè)開(kāi)口會(huì)產(chǎn)生變形。開(kāi)口變形量的大小會(huì)直接影響到車身零部件之間干涉性和密封性。所以，車身主要開(kāi)口(左、右車門(mén))的變形量是極其重要的，同時(shí)也是作為車身彎曲剛度的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在每個(gè)主要開(kāi)口處選取兩條對(duì)角測(cè)量線，共選取4條測(cè)量線。開(kāi)口對(duì)角線的編號(hào)和位置分布如圖4所示。彎曲載荷下每條測(cè)量線變形前、后的長(zhǎng)度及其變形量如表1所示。

圖4 洞口測(cè)量位置示意圖

表1 彎曲載荷下開(kāi)口變形mm

根據(jù)表1對(duì)開(kāi)口變形量的統(tǒng)計(jì)可知，最大開(kāi)口變形量為右車門(mén)的R1。變形量為0.029 mm，車身結(jié)構(gòu)的開(kāi)口變形量滿足設(shè)計(jì)要求。

車身縱梁、門(mén)檻在彎曲下的變形曲線如圖5所示，縱梁及門(mén)檻變形曲線左右對(duì)稱且無(wú)突變情況，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 彎曲變形曲線圖

2.2 扭轉(zhuǎn)剛度分析

車身扭轉(zhuǎn)剛度用車身上所受扭矩與車身上左、右加載點(diǎn)的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的比值來(lái)衡量，計(jì)算公式為

K扭轉(zhuǎn)=M/φ

式中：M為所施加扭矩，N·m；φ為左、右加載點(diǎn)的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，(°)。

白車身在扭轉(zhuǎn)載荷下Z方向位移云圖如圖6所示。

圖6 扭轉(zhuǎn)載荷位移云圖

此白車身扭轉(zhuǎn)工況下的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角為0.128°，施加扭矩為2 000 N·m，其扭轉(zhuǎn)剛度值為

K扭轉(zhuǎn)=M/φ=2 000/0.128=15 625 N·m/(°)

當(dāng)白車身受到扭轉(zhuǎn)載荷作用時(shí)，車身的各個(gè)開(kāi)口也會(huì)產(chǎn)生變形,開(kāi)口對(duì)角線的編號(hào)和位置分布如圖4所示。每條測(cè)量線變形前、后的長(zhǎng)度及變形量如表2所示。

表2 扭轉(zhuǎn)載荷下開(kāi)口變形 mm

根據(jù)表2對(duì)開(kāi)口變形量的統(tǒng)計(jì)可知，最大開(kāi)口變形量為右車門(mén)的R2。其變形量為0.495 mm，車身結(jié)構(gòu)的開(kāi)口變形量滿足設(shè)計(jì)要求。

車身縱梁、門(mén)檻在扭轉(zhuǎn)下的變形曲線如圖7所示，縱梁及門(mén)檻變形曲線左、右對(duì)稱且無(wú)突變情況，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 扭轉(zhuǎn)變形曲線圖

3 白車身輕量化評(píng)價(jià)

隨著雙積分政策的實(shí)施以及新能源汽車補(bǔ)貼的逐步退坡，汽車企業(yè)不斷加大技術(shù)投入，逐步提高輕量化水平，提高材料利用率。選取某車型為小型純電動(dòng)車，采用鋁合金車身，整備質(zhì)量低，續(xù)航里程高達(dá)300 km，而且100 km內(nèi)耗電量低，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。根據(jù)純電動(dòng)乘用車積分公式可知：

0.012×R+0.8=0.012×300+0.8=4.4

該車型單車積分高，有利于企業(yè)積累新能源汽車正積分。在保證剛度性能基礎(chǔ)上，運(yùn)用輕量化系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)此鋁合金車身的輕量化指標(biāo)。

根據(jù)輕量化系數(shù)計(jì)算公式：

kg·(°)/[(N·m)·m2]

式中：白車身骨架質(zhì)量m為136.8 kg；白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度Ct為15 625 N·m/(°)；白車身腳印面積A如圖8所示(即軸距×輪距)，為2.155×1.440=3.103 2 m2。

圖8 白車身腳印面積示意圖

該車型的輕量化系數(shù)為2.82，低于ECB展示的2010年至2017年的車型輕量化系數(shù)平均值3.01，輕量化水平較高。通過(guò)合理的截面設(shè)計(jì)，可靠的接頭連接，車身框架的合理布局，鋁合金白車身既可以實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，也可以保證車身的使用可靠性能。隨著鋁合金車身技術(shù)的不斷成熟，它將逐步廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)中。

4 結(jié)論

文中通過(guò)對(duì)鋁合金白車身剛度及輕量化系數(shù)綜合分析，結(jié)論如下：

(1)鋁合金白車身的扭轉(zhuǎn)剛度、開(kāi)口變形及變形曲線滿足目標(biāo)要求。

(2)鋁合金白車身的彎曲剛度、開(kāi)口變形及變形曲線滿足目標(biāo)要求。

(3)鋁合金白車身輕量化系數(shù)較低，輕量化水平較高，達(dá)到白車身輕量化指標(biāo)。

(4)鋁合金白車身既可以實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，同時(shí)也能滿足車身剛度指標(biāo)。