卓長龍,孫一鵬,張書瑋

(泛亞汽車技術(shù)中心，上海 201201)

0 引言

近些年，隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車保有量飛速提升， 2018年全球汽車產(chǎn)量已達到9 600萬輛。而中國早在2009年就成為世界第一大汽車產(chǎn)銷國，2018年中國的汽車產(chǎn)量達到2 800萬輛。與此同時，中國的自主品牌汽車也得到了飛速的發(fā)展。隨著汽車市場的競爭越發(fā)激烈，汽車行業(yè)已經(jīng)由原先的粗放式發(fā)展變得越來越精細化。特別是對于低成本車型，為了在市場上獲取更大的市場競爭力，以及滿足更加苛刻的油耗法規(guī)，減重降本的任務越來越迫切。特別是針對暢銷車型，以一款生命周期一百萬輛銷量的車型來計算，單車成本如果降低10塊的話，意味著可以節(jié)省1 000萬的成本。在汽車行業(yè)愈發(fā)成熟、汽車產(chǎn)量已經(jīng)步入下行的趨勢下，各廠商之間的競爭越來越白熱化，成本的降低會極大提高廠商的競爭力，因此各大汽車廠商對于汽車的精益設(shè)計越來越重視，汽車設(shè)計也在朝著精益化的方向快速發(fā)展。

基于某平臺基礎(chǔ)四星車型新開發(fā)的另一款新車型只需滿足拉丁三星法規(guī)，經(jīng)安全分析可由原來的全副車架改為半副車架，改后的車型仍可滿足拉丁三星安全法規(guī)，在精益化設(shè)計的指導方向下，將高成本的全副車架方案設(shè)計(見圖1)改為低成本半副車架方案(見圖2)。由于在全副車架時CRFM下安裝點是裝在副車架上，CRFM安裝點有一定的動剛度要求，如果不滿足，在車輛行駛過程中，安裝點附近有開裂風險。為了滿足安裝要求，需重新設(shè)計水箱下橫梁，同時對水箱下橫梁進行精益結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖1 全副車架車型

圖2 半副車架車型

1 半副車架CRFM區(qū)域結(jié)構(gòu)劃分

圖3所示為一種典型半副車架的CRFM區(qū)域結(jié)構(gòu)劃分，主要分為水箱上橫梁(A)、水箱下橫梁(B)、CRFM(C)、CRFM和水箱橫梁的4個安裝點(D)。其中水箱上下橫梁的作用主要是為CRFM提供固定點，并保證安裝點的動剛度滿足一定的要求。本文作者主要論述水箱下橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

圖3 水箱橫梁和CRFM連接示意

2 DPDS對于下橫梁結(jié)構(gòu)的要求

按照目前CRFM的DPDS性能要求，分別考核在50～125 Hz之間5個頻率下的X、Y、Z向剛度均大于1.0 kN/mm。水箱上、下橫梁以及左、右縱梁組成的封閉式結(jié)構(gòu)能夠很好地支撐起CFRM，由于水箱上橫梁還要承擔起鎖扣安裝、bumper點的安裝等功能，因此上橫梁剛度一般相對下橫梁較強，因此DPDS的問題主要出現(xiàn)在下橫梁上。

針對DPDS起主要作用的是水箱下橫梁的斷面大小、水箱下橫梁和縱梁的搭接形式、零件的材料料厚以及水箱下橫梁和CRFM安裝位置[2]。其中，針對水箱下橫粱，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要同時考慮以下幾種設(shè)計需求：(1)確保下橫梁和發(fā)動機管路以及保險杠的安全間隙；(2)CRFM和上、下橫梁的封閉結(jié)構(gòu)在X向距離越小越好；(3)水箱下橫梁和縱梁象腿的搭接要做得盡可能強。文中后續(xù)的結(jié)構(gòu)方案評估中，主要基于以上3個因素進行水箱下橫梁設(shè)計來滿足DPDS的要求。

3 水箱下橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

3.1 水箱下橫梁連接形式

由于安全法規(guī)的正面碰撞要求，為了防止侵入量過大，需要在縱梁前端設(shè)置一個潰縮區(qū)，導致縱梁象腿的布置不能太過于靠前，否則潰縮區(qū)會大大縮小。水箱上、下橫梁結(jié)構(gòu)如圖4所示，下橫梁需要通過連接象腿和上橫梁形成封閉結(jié)構(gòu)起到對CRFM的支撐作用[3]。如果下橫梁X向位置距離CRFM過大，則對于CRFM的支撐作用變?nèi)酢Ｒ虼讼聶M梁的位置要選取得盡可能靠前。

圖4 水箱上、下橫梁結(jié)構(gòu)

下橫梁周邊零件較多，對下橫梁的設(shè)計是一種考驗，需要在有限的空間內(nèi)進行精益設(shè)計以滿足DPDS的要求。下橫梁前端是保險杠的限制面，后端是發(fā)動機管路的限制包絡(luò)，上端是CRFM，見圖5，因此設(shè)計空間十分有限。

圖5 CRFM和上、下橫梁布置

如前所述，一系列的限制條件造成了設(shè)計的困難。為了解決性能和布置空間的矛盾，作者通過DFSS的質(zhì)量工具進行結(jié)構(gòu)設(shè)計概念選擇，甄選出最優(yōu)的設(shè)計方案。

3.2 下橫梁結(jié)構(gòu)概念選擇

如上所述，為了彌補全副車架變?yōu)榘敫避嚰茉斐傻腄PDS性能損失，開發(fā)出以下4種下橫梁設(shè)計方案,見圖6。

圖6 下橫梁設(shè)計概念

方案a為在全副車架取消后，在中間加一個橫梁為CRFM提供兩個安裝點；方案b為將下橫梁的斷面擴大，同時通過增加三角支架增強下橫梁和象腿的連接強度；方案c為通過連桿增強下橫梁和縱梁的連接強度以提高整體剛度；方案d為將象腿整體前移，減小CRFM安裝點到象腿的X向距離懸臂長度以提高剛度。

4個設(shè)計方案中，方案a由于只是在兩個象腿中間加了一根橫梁，CRFM安裝點距離象腿安裝點Z向距離為80 mm，懸臂較長，導致Z向剛度嚴重不足，懸臂越短其Z向剛度越高[1]。在計算時把下橫梁材料料厚提高到3 mm仍然滿足不了DPDS的要求。

而方案b是在CRFM安裝點和象腿安裝點之間加了一個三角支架來提高Z向的高度，同時對正碰的壓潰空間也幾乎沒有影響，因此DPDS的剛度有明顯提高。

方案c在下橫梁前端增加一個連桿機構(gòu)，使DPDS性能有明顯的提升，由于該連桿機構(gòu)是液壓成型的管件，成本相較鈑金件較高，4個安裝點提高了對平面度的要求，增加了總裝車間裝配的難度。且連桿布置在正碰壓潰空間的區(qū)域內(nèi)，影響潰縮空間。

方案d直接將象腿前移，大大縮短了懸臂長度，在不增加質(zhì)量的基礎(chǔ)上DPDS性能得到最大程度的提升，但是這個方案同時也是處在正碰工況的壓潰吸能區(qū)域內(nèi)，會導致正碰工況吸能效果的惡化。

綜合以上分析，根據(jù)成本、質(zhì)量、布置空間、開發(fā)周期、相關(guān)性能等維度，利用DFSS工具進行普氏分析，見圖7，得到最優(yōu)的設(shè)計方案為方案b。

圖7 普氏分析

得到水箱下橫梁的布置概念如圖8所示。

該設(shè)計是在充分考慮了制造工藝可行性、布置可行性以及總裝工藝可行性得出的優(yōu)化設(shè)計方案。

圖8 水箱下橫梁布置

4 方案驗證

對方案b進行驗證，在布置可行的前提下，由于斷面對成本質(zhì)量的影響較小，同時對剛度的提升較為明顯[4]，在空間允許范圍內(nèi)擴大斷面，方案b計算結(jié)果如表1所示，滿足目標值要求。

表1 方案b計算結(jié)果

4 結(jié)論

介紹針對拉丁三星車型的半副車架設(shè)計對CRFM的保護原理，討論了水箱下橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過分析水箱下橫梁周邊結(jié)構(gòu)以及影響DPDS性能的因素，運用DFSS工具中的普氏分析方法，對4種設(shè)計方案進行對比分析，綜合考慮安全、質(zhì)量、成本、制造及總裝工藝可行性等因素，得到最優(yōu)的設(shè)計方案，滿足了DPDS的要求，為以后水箱下橫梁的設(shè)計提供有效的工程解決方案。