汽車后縱梁輕量化設計方法研究

楊志強，麻桂艷

（華晨汽車工程研究院白車身工程室，遼寧 沈陽 110141）

前言

目前，汽車工業的可持續發展面臨著油耗、環保和安全三個問題，因此采用汽車輕量化技術，節約資源，保護環境，是未來汽車的發展方向[1]。輕量化的設計方法不僅可以滿足汽車結構的剛度和強度，而且可以降低零部件的自身重量，達到節能減排，滿足日益嚴苛的法規要求[2]。后縱梁作為車身結構的重要零部件，研究一種輕量化的后縱梁設計方法，以滿足車身結構的強度和剛度需求，同時降低車身重量。

后地板骨架結構示意圖如圖1所示，將針對后縱梁闡述輕量化的設計方法。

圖1 后地板骨架結構示意圖

1 熱成型技術的應用

1.1 熱成型技術介紹

熱成形技術是將熱沖壓鋼板在加熱爐中加熱到奧氏體在結晶溫度以上，保溫一段時間，使其轉變為均勻的奧氏體組織，在通過機械手等設備將高溫板料轉移到具有冷卻水道的熱沖壓模具中，最終完成板料的沖壓成型和保壓淬火的過程。熱成形技術實現了組織轉變與零件成型同步，解決了超高強鋼的成型問題，熱成形和保壓淬火完成后組織轉變為板條狀馬氏體，抗拉強度達到1500MPa。如圖2所示，同時，熱成型零件具有優良可靠的安全性能、塑形好、回彈小等特點。由于熱成型后的零件具有超高強度，故后縱梁采用B1500HS的熱成型材料，從而可以通過降低零件料厚來達到輕量化的目的。

圖2 熱成型零件抗拉強度示意圖

1.2 熱成型發展趨勢

目前普遍應用的是等厚、等強度板熱成型技術。隨著輕量化需求的日益強烈，目前又出現不等厚度及不等強度熱沖壓成型技術。不等厚度的熱成型技術分別為軋制差厚板、激光拼焊板、補丁板熱沖壓成型技術。通過不同厚度的設計，獲得不同的零件強度從而獲得良好的碰撞吸能效果。不等強度的熱沖壓成型是在現有熱成型技術的基礎上，在成型前在板料的低強度區域粉刷一種混合液后再進行成型，從而獲得不等強度的熱成型零件。

圖3為一款合資品牌的后縱梁示意圖，后縱梁為熱成型零件，在左右側分別設計三處紅色區域的低強度區，從而在整車的后碰過程中獲得良好的后縱梁吸能效果。

圖3 某車型后縱梁示意圖

2 差厚板技術的應用

激光拼焊板（簡稱TWB）的出現，把不同厚度、不同性能的板材焊接在一起，用于車身沖壓板材的減重，并取得了很好的效果，但TWB需要增加剪裁、焊接等一系列工序，增加了生產成本，同時多了一條或幾條焊縫，影響沖壓件的表面質量和性能均勻性，而且TWB只能在焊縫處實現厚度的突變，不能做到厚板與薄板的過渡連接，如圖4所示。

為了解決TWB帶來的這些缺點，出現了一種利用軋制方法生產的變厚度板材，稱為差厚板（簡稱TRB），如圖5所示，TRB相對 TWB，具有沒有焊縫，表面質量好、組織性能均勻性好、生產效率高、降低焊接帶來的成本高、可方便地獲得兩種以上厚度組合的板材等優點。故后縱梁應用差厚板，用來降低后縱梁局部區域的重量。TRB的缺點是只能獲得同種材料不同厚度的零件，不能獲得不同材料不同厚度的零件。由于TWB的成本是按照焊縫的長度進行計算的，當激光拼焊的數量比較多時，使用TRB會獲得較小的零件成本。

圖4 TWB斷面示意圖

圖5 TRB斷面示意圖

3 后縱梁熱成型差厚板設計

后縱梁在設計初時，在滿足布置空間時，通過應用熱成型差厚板進行減重，厚區用來保證后橋的安裝強度，薄區進行適當減重，同時在過渡區域減少搭接，厚區及薄區的分配一定要結合CAE進行不斷分析，以達到性能的最優化及減重的最大化，從而使后縱梁達到輕量化的目的。后縱梁差厚板厚區及薄區示意圖見圖6。

圖6 后縱梁差厚板薄厚分區示意圖

通過熱成型差厚板技術的應用，可以使后縱梁的料厚進行變化，在滿足各個安裝點所需的強度情況下，減少加強件的使用，同時在不需要高強度的區域進行減薄，以達到輕量化的目的。后縱梁設計為差厚板可以實現減重10%。

4 結論

通過熱成型技術、激光拼焊技術及差厚板技術均可達到輕量化的目的，車身設計時需根據零件的功能，并結合CAE分析及成本分析，最終確認合適的輕量化方法。“合適的材料用在合適的部位”多材料輕量化汽車是綜合考慮成本和輕量化效果等因素的較好的設計選材方案，將是未來汽車輕量化材料應用的發展方向，也是未來汽車的發展趨勢[3]。

參考文獻

[1] 韓維建.汽車材料及輕量化趨勢.北京:機械工業出版社,2017.

[2] 張軍.汽車節能技術.北京:機械工業出版社.2014.

[3] 中國汽車工程學會.中國汽車輕量化發展.北京:北京理工大學出版社2015.