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        輕量化材料在底盤結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

        2022-09-06 08:04:42陳敬玉胡志剛辛慶鋒李航徐梅梅王歡歡
        時(shí)代汽車 2022年18期
        關(guān)鍵詞:工程塑料結(jié)構(gòu)件鈑金

        陳敬玉 胡志剛 辛慶鋒 李航 徐梅梅 王歡歡

        浙江吉利控股集團(tuán) 浙江吉智新能源汽車科技有限公司 浙江省杭州市 310014

        1 前言

        電動(dòng)真空泵是純電動(dòng)車的制動(dòng)系統(tǒng)必不可少的部件,其作用是抽取真空系統(tǒng)中的空氣,保持系統(tǒng)具有一定的真空壓差,達(dá)到助力的效果,一般真空泵的固定支架是由鈑金沖壓、焊接而成,重量較重。而且產(chǎn)品由鋼板經(jīng)落料、成型、沖孔和焊接,相應(yīng)的模具和焊接夾具都較多。如果該支架能鑄塑成型,可以節(jié)約非常多的模具成本,還可以將重量降低。在降低自身成本的同時(shí)還能為節(jié)能減排作出相應(yīng)貢獻(xiàn)。本文以電動(dòng)真空泵支架的以塑代鋼為背景,通過其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、空間布置、成本和重量對(duì)標(biāo)分析,確定了方案的可行性,為底盤結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。

        2 電動(dòng)真空泵支架以塑代鋼的可行性分析

        2.1 工程塑料材料市場(chǎng)應(yīng)用的可行性

        工程塑料的雛形是尼龍66 樹脂,在1939 年已研制成功并投入生產(chǎn),最初主要用來制造合成纖維。經(jīng)過十年的發(fā)展以及注塑機(jī)的普及,工程塑料突破了傳統(tǒng)用途。因其具有高耐熱、耐腐蝕能力,機(jī)械性能良好,逐步在汽車行業(yè)中應(yīng)用,比如汽車底盤部件中的加速踏板已經(jīng)全部采用了工程塑料,制動(dòng)踏板的底座采用工程塑料的占比在逐年加大。目前某高端車型的電動(dòng)真空泵固定支架采用了工程塑料替代鋼材已經(jīng)在批量配套,重量較原鈑金方案降低50%,而工程塑料的隔振能力強(qiáng),對(duì)乘客的主觀感受提升也有非常好的效果。電動(dòng)真空泵固定支架的原理和電動(dòng)真空泵固定支架類似,將工程塑料的應(yīng)用擴(kuò)展至某車型的電動(dòng)真空泵支架具備條件。

        圖1 鈑金電動(dòng)真空泵安裝支架結(jié)構(gòu)示意

        圖2 工程塑料電動(dòng)真空泵安裝支架結(jié)構(gòu)示意

        2.2 空間布置與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可行性

        鋼結(jié)構(gòu)材料因其固有的高強(qiáng)度和低變形,抗拉強(qiáng)度能達(dá)到410Mpa,產(chǎn)品強(qiáng)度只需通過增加加強(qiáng)筋和翻邊即可達(dá)到滿足模態(tài)和剛度的要求。以PA66 工程塑料為例,抗拉強(qiáng)度只有50-90Mpa,需要較大的空間滿足其設(shè)計(jì)要求。本文采用有限元分析的方式,以鋼質(zhì)支架的周邊空間為基礎(chǔ),以工程塑料的特性進(jìn)行了修改。并對(duì)模型進(jìn)行了強(qiáng)度和變形量的分析,對(duì)真空泵支架加載X、Y、Z 三個(gè)方向的振動(dòng)加速度,分析結(jié)果顯示,采用工程塑料的真空泵支架應(yīng)力11.171Mpa,變形量最大1.32mm,滿足材料的許用應(yīng)力和變形量要求。同時(shí)該結(jié)構(gòu)的空間與鋼質(zhì)支架相當(dāng),空間布置可行。同時(shí)原鋼質(zhì)材料的真空泵固定支架重量0.75kg, 以工程塑料為材料的真空泵固定支架重量則為0.45kg, 減重60% 減重效果明顯。

        圖3 鋼板沖壓支架結(jié)構(gòu)示意

        圖4 工程塑料支架結(jié)構(gòu)示意

        圖5 鋼板沖壓支架空間布局示意

        圖6 工程塑料支架空間布局果示意

        圖7 工程塑料電動(dòng)真空泵支架整車裝配示意

        圖8 工程塑料電動(dòng)真空泵支架網(wǎng)格加載示意

        圖9 工程塑料電動(dòng)真空泵支架變形分析結(jié)果示意

        2.3 經(jīng)濟(jì)效益可行性分析

        主機(jī)廠應(yīng)用新技術(shù)的動(dòng)力來源主要有新技術(shù)預(yù)研、產(chǎn)品降本,提高性能等,電動(dòng)真空泵固定支架的以塑代鋼可以在滿足性能的前提下降低單體質(zhì)量。為研究其帶來的經(jīng)濟(jì)效益,是否具有投資價(jià)值。本文對(duì)兩種材料設(shè)計(jì)成本進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)比內(nèi)容包括原材料價(jià)格、模檢具成本,材料利用率、產(chǎn)線投入等。從對(duì)比結(jié)果可以看出,采用工程塑料的電動(dòng)真空泵固定支架,總體成本略低,材料有效利用率高于鈑金支架,同時(shí)無需表面處理,對(duì)環(huán)境的污染較低,投入的模具數(shù)量較少,如配套車輛銷量大,還會(huì)有較好的產(chǎn)能保證能力。

        圖10 工程塑料電動(dòng)真空泵支架應(yīng)力分析結(jié)果示意

        2.4 工程塑料在汽車行業(yè)結(jié)構(gòu)件應(yīng)用的未來趨勢(shì)

        輕量化材料在汽車中的儀表和內(nèi)飾中應(yīng)用較多,整車底盤部件因需要有強(qiáng)度保證,輕量化材料主要是鋁合金。但隨著科技的發(fā)展,玻纖類工程塑料已開始應(yīng)用與底盤結(jié)構(gòu)件,某企業(yè)在2019 年已向沃爾沃集團(tuán)交付了一百萬件汽車懸架用玻纖板簧,該企業(yè)已經(jīng)達(dá)到了復(fù)合玻纖塑料的量產(chǎn)能力。使用該材料后,重量降低了65%。減重效果非常明顯。目前很多國(guó)際企業(yè)已在布局,并已成為未來的發(fā)展方向。

        3 工程塑料材料應(yīng)用試驗(yàn)策劃

        原鈑金的電動(dòng)真空泵固定支架進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),只需考慮表面處理、焊接強(qiáng)度以及材料的抗拉和延伸率的合格性,工程塑料的電動(dòng)真空泵固定支架因在高溫、耐酸/堿性液體以及耐老化方面具有一定的風(fēng)險(xiǎn),需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,以消除因材料本身特性帶來的影響。故在鈑金支架的基礎(chǔ)上增加吸水性、低溫沖擊強(qiáng)度、熱變形溫度、長(zhǎng)期老化性和燃燒性等材料試驗(yàn),成品與泵本體進(jìn)行振動(dòng)耐久測(cè)試,驗(yàn)證固定螺栓在初始擰緊狀態(tài)下是否有松脫等問題。通過材料、零件、總成以及整車的多輪測(cè)試,產(chǎn)品在市場(chǎng)再出現(xiàn)質(zhì)量問題的概率將會(huì)極低。

        4 結(jié)論

        輕量化是汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),在保證汽車安全和強(qiáng)度要求的前提下,降低整車的整備質(zhì)量,可有效提高汽車的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性,從而降低污染物的排放。目前全球各國(guó)都在為環(huán)保出謀劃策,真空泵支架的“以塑代鋼”必然會(huì)成為一種趨勢(shì),運(yùn)用在汽車或者其他領(lǐng)域。同時(shí)鋼材的冶煉、以及焊接都是高耗能領(lǐng)域,其表面處理又是高污染行業(yè),國(guó)家有關(guān)部門正在對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行資源整合與產(chǎn)業(yè)提升,目前鐵礦石等原料的價(jià)格持續(xù)上漲,直接影響產(chǎn)品的成本。而工程塑料屬于新材料產(chǎn)業(yè),國(guó)家有關(guān)部門已制定相應(yīng)政策支持其發(fā)展,同時(shí)也在加大國(guó)產(chǎn)化替代,降低進(jìn)口依存度,如技術(shù)獲得突破,產(chǎn)品成本將進(jìn)一步減低。在成本、重量和環(huán)保方面均有優(yōu)勢(shì)的工程塑料將進(jìn)一步在汽車底盤部件中滲透,得到更多的應(yīng)用。工程塑料在結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用較少,還需做進(jìn)一步搭載進(jìn)行測(cè)試,待測(cè)試完成尚可下結(jié)論是否完全可行。

        表1 輕量化支架成本對(duì)比表

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