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        輕量化前下防護(hù)的設(shè)計研究

        2020-12-28 09:28:16梅相全宋小寧董野峰
        汽車零部件 2020年12期
        關(guān)鍵詞:鈑金件鈑金商用車

        梅相全,宋小寧,董野峰

        (安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司,安徽合肥 230601)

        0 引言

        隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,能源短缺、環(huán)境污染等問題日益明顯,而汽車數(shù)量猛增使得問題日益嚴(yán)重,節(jié)能減排成為各主機(jī)廠努力的目標(biāo)。據(jù)調(diào)查顯示:目前我國商用車保有量約占全部汽車保有量的23%,油耗卻占到整個汽車用油量的70%[1],因此汽車降能耗聚焦商用車的節(jié)能降耗。據(jù)國外數(shù)據(jù)顯示,汽車整車質(zhì)量每降低100 kg,油耗可降低0.3~0.6 L/hkm,汽車整備質(zhì)量每減少10%,油耗可降低5%~8%[2]。據(jù)國內(nèi)某車型實(shí)驗(yàn)分析,某商用車減輕10%,油耗降低4.75%[3]。因此輕量化對于消費(fèi)者、企業(yè)、社會、環(huán)境都有重要意義。

        1 商用車前下防護(hù)現(xiàn)狀

        商用車前下防護(hù)裝置是指專門的前下部防護(hù)裝置或者依靠自身的外形和特性能夠具有前下部防護(hù)功能的車輛的車體、車架部件或其他部件。前下防護(hù)通常由橫向構(gòu)件組成,安裝在車架或者其他結(jié)構(gòu)件上。現(xiàn)有市場上的N2/N3類商用車前下部防護(hù)多采用鈑金(常用材料B510L,料厚5 mm)沖壓、焊接而成,存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易開裂、較重、裝配困難的缺陷。其常見結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 商用車前下部防護(hù)結(jié)構(gòu)

        2 前下防護(hù)輕量化思路

        文中主要從材料、工藝、結(jié)構(gòu)方面入手,提出“以塑代鋼”的方案,對前下防護(hù)進(jìn)行輕量化設(shè)計,并從性能、質(zhì)量兩方面加以分析驗(yàn)證。

        基于某項(xiàng)目前下防護(hù)降重30%的目標(biāo),采取方案為:(1)材料上:防撞梁橫梁材料由鈑金改為PP-GF50,增加1個T型鈑金件,T型鈑金件材料為強(qiáng)度510 MPa的B510L,安裝支座改為注塑,材料為PP-GF50;(2)結(jié)構(gòu)上對橫梁、T型鈑金件、支座重新設(shè)計;(3)工藝上:將T型鈑金件與塑料橫梁通過注塑成形連接,保證兩者的連接強(qiáng)度。

        之所以選用加玻璃纖維50%聚丙烯(PP-GF50)是因?yàn)椋?1)密度在1.33~1.34 g/cm3之間,是很輕的塑料;(2)具有耐低溫沖擊、高剛度、高強(qiáng)度,良好的抗蠕變性能,優(yōu)異的耐磨和耐疲勞性;(3)優(yōu)異注塑成型性能。其與鈑金材料B50L物理屬性對比見表1。

        表1 鈑金B(yǎng)50L與PP-GF物理屬性對比表

        3 輕量化前下防護(hù)設(shè)計

        3.1 材料選擇

        材料選用較為明確:低密度,高流動性、高韌性、高強(qiáng)度和高剛性。文中前下防護(hù)橫梁和安裝支座材料選PP-GF50,T型鈑金件選B510L。

        3.2 前下防護(hù)性能要求

        按照商用車前下部防護(hù)法規(guī)GB26511—2011要求,必須要有足夠的阻擋力以抵抗車輛碰撞,同時要滿足環(huán)境(如高溫、高寒、振動、鹽霧腐蝕等)特殊要求,其位置和尺寸如圖2所示。

        圖2 前下防護(hù)位置和尺寸示意

        3.3 輕量化前下防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        嘗試新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,爆炸圖如圖4所示。

        圖3 輕量化前下部防護(hù)結(jié)構(gòu)示意

        圖4 新型前下部防護(hù)裝置爆炸結(jié)構(gòu)示意

        輕量化前下防護(hù)結(jié)構(gòu)包括:T型鈑金件、塑料橫梁和內(nèi)嵌螺栓、支座。此結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)明顯:(1)T型鈑金件與塑料橫梁一體注塑成形(圖5),結(jié)構(gòu)簡單、連接可靠;(2)T型鈑金件設(shè)置在塑料橫梁一側(cè),碰撞時T型鈑金件可以提供有效的碰撞接觸點(diǎn),保護(hù)塑料橫梁,避免塑料橫梁碰撞損壞;(3)內(nèi)嵌螺栓直接注塑在塑料橫梁內(nèi),簡化了安裝結(jié)構(gòu),方便安裝。

        圖5 T型鈑金件與塑料橫梁的裝配結(jié)構(gòu)示意

        4 前下防護(hù)橫梁模流分析

        為滿足生產(chǎn)需要及產(chǎn)品品質(zhì)要求,對產(chǎn)品進(jìn)行模流分析。此設(shè)計中重點(diǎn)分析橫梁的成型性,其澆注系統(tǒng)設(shè)置如圖6所示,注塑成型變形分析如圖7所示,鎖模力分析如圖8所示。

        圖6 澆注設(shè)置

        圖7 塑料橫梁注塑成型變形分析

        圖8 橫梁鎖模力分析

        塑料橫梁采用1個澆口進(jìn)膠,T型梁放在公模處方便成型,分析顯示:橫梁成型最大變形為4.4 mm,變形較??;橫梁鎖模力為17 804 kN,相對適中。產(chǎn)品整體充填平衡,無遲滯和短射現(xiàn)象;結(jié)合線結(jié)合溫度較高,痕跡不明顯,結(jié)合質(zhì)量好,產(chǎn)品整體收縮均勻,產(chǎn)品可以滿足生產(chǎn)制造要求。

        5 前下防護(hù)載荷及位移分析

        為了對比傳統(tǒng)前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)性能,根據(jù)GB 26511—2011的要求,基于CAE在P1、P2、P3點(diǎn)分別做載荷和位移模擬分析,加載位置如圖2所示。

        5.1 傳統(tǒng)前下防護(hù)性能分析

        基于此項(xiàng)目,車型最大總質(zhì)量12 t,在P1、P2、P3,施加58.8 kN、117.6 kN、58.8 kN載荷,且持續(xù)0.02 s以上,其結(jié)構(gòu)如圖9所示,結(jié)構(gòu)屬性見表2,材料屬性見表3。傳統(tǒng)前下防護(hù)載荷和位移分析結(jié)果如圖10和圖11所示。

        圖9 傳統(tǒng)前下防護(hù)結(jié)構(gòu)

        表2 前下防護(hù)結(jié)構(gòu)屬性

        表3 B510L材料屬性

        由圖可知,P1點(diǎn)加載過程中,傳統(tǒng)前下防護(hù)塑性變形未超出延伸率,最大支撐力達(dá)到60 kN且加載器位移為24 mm小于400 mm;P2點(diǎn)塑性變形較小,未超出延伸率,最大支撐力達(dá)到120 kN且加載器位移18 mm小于法規(guī)要求的400 mm;P3點(diǎn)變形較好,塑性變形很小,支撐力達(dá)到59 kN時位移為3.9 mm,均滿足法規(guī)要求。

        圖10 傳統(tǒng)前下防護(hù)P1、P2、P3點(diǎn)加載過程塑變云圖

        圖11 傳統(tǒng)前下防護(hù)P1、P2、P3點(diǎn)加載位移曲線

        5.2 輕量化前下防護(hù)性能分析

        同樣的工況下,對輕量化前下防護(hù)加載,其載荷和位移分析結(jié)果如圖12和圖13所示。

        圖12 輕量化前下防護(hù)P1、P2、P3點(diǎn)過程塑變云圖

        圖13 輕量化前下防護(hù)P1、P2、P3點(diǎn)加載位移云圖

        由圖可知,P1點(diǎn)加載過程中,輕量化前下防護(hù)橫梁塑性變形未超出延伸率,最大支撐力達(dá)到60 kN且加載器位移為12.66 mm小于400 mm;P2點(diǎn)塑性變形較小,未超出延伸率,最大支撐力達(dá)到120 kN且加載器位移7.99 mm小于法規(guī)要求的400 mm;P3點(diǎn)變形較好,塑性變形很小,支撐力達(dá)到59 kN時位移為4.92 mm,均滿足法規(guī)要求。

        5.3 傳統(tǒng)前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)性能對比

        傳統(tǒng)鈑金前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)載荷和位移分析對比見表4。

        表4 傳統(tǒng)鈑金前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)載荷和位移分析對比表

        由表4可以得出:

        (1)傳統(tǒng)前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)都存在局部應(yīng)力較大區(qū)域,主要在安裝點(diǎn)處,可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)弱化;

        (2)傳統(tǒng)前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)P1、P2、P3點(diǎn)加載位移都小于400,滿足法規(guī)要求,且輕量化前下防護(hù)變形更小,比原鈑金方案略好。

        綜上可知,注塑+T型鋼方案性能與原鈑金方案相當(dāng),可行性較高。

        5.4 傳統(tǒng)前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)質(zhì)量對比

        對比傳統(tǒng)前下防護(hù)和新型前下防護(hù)兩種方案,結(jié)果見表5。由表可知,輕量化前下防護(hù)降重35.9%,超出預(yù)期目標(biāo)。

        表5 傳統(tǒng)前下防護(hù)和新型前下防護(hù)的對比

        6 結(jié)束語

        文中主要闡述了“以塑代鋼”的前下防護(hù)輕量化設(shè)計方案,考察了其性能和生產(chǎn)制造可行性,得出其在滿足性能前提下,質(zhì)量下降35.9%,產(chǎn)品滿足生產(chǎn)制造要求,體現(xiàn)了優(yōu)勢。同時,前下防護(hù)輕量化設(shè)計,離不開理論,更離不開實(shí)際驗(yàn)證,理論和實(shí)際相結(jié)合是后續(xù)工作的一個重要方向。

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