汽車輕量化研究*

周偉 蘇世榮 儲(chǔ)勝林 梁媛媛 王浩

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

汽車輕量化設(shè)計(jì)是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱門課題，大量的研究手段和方法被應(yīng)用到汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。近些年隨著汽車保有量的增加，汽車產(chǎn)品產(chǎn)生的環(huán)保、安全和油耗等問(wèn)題日益突出，汽車排放的COx，NOx，HC是造成空氣污染的重要因素[1]。大量試驗(yàn)表明，汽車的質(zhì)量每減少100 kg，油耗將減少0.4～1 L/100 km，汽車質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%，同時(shí)車輛廢氣排放量也明顯降低[2]。因此世界各大主機(jī)廠和零部件制造廠投入大量資源進(jìn)行輕量化技術(shù)研究。

1 汽車輕量化的效果

1.1 降低油耗和減少排放

汽車質(zhì)量的降低使汽車滾動(dòng)阻力、加速阻力、爬坡阻力減小，從而降低了燃油消耗；如果動(dòng)力性能保持不變，通過(guò)恰當(dāng)?shù)凝X輪傳動(dòng)比還可以使燃油消耗進(jìn)一步降低。

1.2 改善性能

汽車輕量化可以有效改善汽車的性能，主要體現(xiàn)為：1）汽車質(zhì)量減輕后，車身質(zhì)心降低，汽車行駛更加穩(wěn)定、舒適，加速性能以及轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)部件的NVH性能都有明顯的改善；2）汽車質(zhì)量減輕使制動(dòng)距離縮短，碰撞慣性和碰撞時(shí)動(dòng)量也得以減小，降低了對(duì)汽車的損害，提高了汽車的主動(dòng)安全性；3）動(dòng)力總成質(zhì)量減輕可以改善前輪軸荷，進(jìn)而改善汽車操縱穩(wěn)定性；4）輪輞、制動(dòng)鉗等質(zhì)量減輕可以改善簧下質(zhì)量，從而提高汽車乘坐舒適性。

2 汽車輕量化實(shí)施途徑

1）采用體積質(zhì)量低、強(qiáng)度高的新型材料。高強(qiáng)度鋼：高強(qiáng)度鋼對(duì)汽車輕量化的發(fā)展起著重要作用，研究表明，當(dāng)鋼板厚度分別減小0.05，0.10，0.15 mm時(shí)，白車身的質(zhì)量將分別減輕6%，12%，18%[3]；鋁合金：鋁合金的體積質(zhì)量為鋼的1/3，與其他材料相比輕量化效果好、耐腐蝕性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、車身和底盤部件[4]；鎂合金：鎂合金的體積質(zhì)量為1.8 g/cm3，比鋁還輕1/3，鎂合金在座椅和儀表板骨架等部件上有廣泛應(yīng)用；工程塑料：塑料具有體積質(zhì)量小、耐腐蝕、防振、隔聲、隔熱等特性，工程塑料應(yīng)用在汽車內(nèi)外飾件、儀表、電子電氣和冷卻系統(tǒng)以及車身覆蓋件等[5]。

2）繼續(xù)采用鋼材，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)洹⑿蚊埠统叽鐑?yōu)化來(lái)減輕質(zhì)量。拓?fù)鋬?yōu)化也稱結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化，是在設(shè)計(jì)空間中尋找最佳的結(jié)構(gòu)形式或最優(yōu)的傳力路徑，提高材料的利用率，達(dá)到優(yōu)化性能和減輕質(zhì)量的效果；形貌優(yōu)化既可改變結(jié)構(gòu)的尺寸，也可改變結(jié)構(gòu)的形狀，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的邊界形狀，從而改善性能和減輕質(zhì)量；尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)是在給定結(jié)構(gòu)的類型、材料、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)截面尺寸，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕、體積最小[6]。

3）采用新型的輕量化制造工藝，如液壓成型技術(shù)、激光拼焊、熱成型沖壓、差厚板沖壓、半固態(tài)金屬鑄造等。液壓成型技術(shù)在車身、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如液壓成型副車架、扭轉(zhuǎn)梁等[7]。

3 汽車輕量化案例

3.1 客車車身輕量化

客車車身是客車重要的承載體，其質(zhì)量占客車總質(zhì)量的30%～40%，車身的輕量化對(duì)減輕整車質(zhì)量有著重要的意義。文章研究的車身由管梁焊接而成，車身與底架縱梁通過(guò)焊接連接在一起，構(gòu)成了半承載式車身結(jié)構(gòu)。

3.1.1 建立拓?fù)鋬?yōu)化模型

對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的第1步需要定義拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)區(qū)域。定義拓?fù)湓O(shè)計(jì)區(qū)域的基本原則是盡可能選大的區(qū)域作為設(shè)計(jì)空間，以充分挖掘拓?fù)鋬?yōu)化的潛力。定義拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，賦予單元格材料屬性。車身拓?fù)鋬?yōu)化空間，如圖1所示。

圖1 客車車身拓?fù)鋬?yōu)化空間

3.1.2 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

客車車身承受的載荷較復(fù)雜，主要有彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、縱向載荷和側(cè)向載荷。彎曲載荷主要是車身、車載設(shè)備、乘客及行李等的質(zhì)量；扭轉(zhuǎn)載荷主要由行駛路面不平對(duì)車身非對(duì)稱支承引起；縱向載荷主要由制動(dòng)、加速時(shí)產(chǎn)生的慣性力引起；側(cè)向載荷主要是客車轉(zhuǎn)向時(shí)的離心力和側(cè)向風(fēng)的作用力。彎曲載荷在客車行駛中自始至終都存在，扭轉(zhuǎn)載荷在客車行駛時(shí)也普遍存在，而縱向載荷和側(cè)向載荷只在少數(shù)工況下才產(chǎn)生。因此彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷是對(duì)大客車性能影響較大的載荷，以這2種載荷工況對(duì)車身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[8]。

由于車身結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，因此對(duì)拓?fù)淇臻g進(jìn)行對(duì)稱性約束，經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化迭代得到車身拓?fù)鋬?yōu)化云圖，如圖2所示。圖2表示的是單元相對(duì)密度，其中深藍(lán)色表示相對(duì)密度值小的單元，是要去除材料的部分；紅色表示相對(duì)密度大的單元，是需要保留材料的部分。從優(yōu)化結(jié)果可以看出：載荷傳遞路徑明顯，左右側(cè)圍都有明顯的傳力大梁，并且與裙部立柱相接，有利于力的傳遞，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。比較2種工況的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，在左右側(cè)圍和行李架處有相同的傳遞路徑，說(shuō)明左右側(cè)圍和行李架傳力特性與工況沒(méi)有明顯的聯(lián)系。彎曲工況在車身頂棚位置處沒(méi)有出現(xiàn)明顯的保留材料部分，主要原因是彎曲工況的載荷是垂直方向的；而扭轉(zhuǎn)工況有扭轉(zhuǎn)載荷，車身頂棚出現(xiàn)了比較清晰的交叉的橫梁。

圖2 客車車身拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖

3.1.3 優(yōu)化前后性能對(duì)比

根據(jù)車身拓?fù)鋬?yōu)化云圖設(shè)計(jì)新車身結(jié)構(gòu)，但車身骨架構(gòu)件截面參數(shù)不進(jìn)行優(yōu)化，與原結(jié)構(gòu)保持一致。由拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)新車身結(jié)構(gòu)時(shí)要遵循一定的原則：1）盡可能用直桿件代替拓?fù)鋬?yōu)化中的彎曲部分；2）盡可能多地使車身構(gòu)件相互連接，形成封閉環(huán)形，以提高力的傳遞效率；3）盡可能使車身構(gòu)件形成三角形結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿切谓Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，三角形多的車身結(jié)構(gòu)剛度更高。車身局部由拓?fù)湓茍D到3D結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。優(yōu)化后的車身整體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖3 客車車身局部拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)演變圖

圖4 新客車車身結(jié)構(gòu)

經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的新車身質(zhì)量為2 231 kg，比原車身減輕了244 kg，減重效果較明顯。對(duì)新車身性能進(jìn)行有限元分析，并與原車身進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。從表1可以看出，車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及各階模態(tài)特性都有提升，說(shuō)明經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的輕量化車身性能優(yōu)于原車身。

表1 拓?fù)鋬?yōu)化前后客車車身性能對(duì)比

3.2 乘用車扭力梁輕量化

3.2.1 扭力梁結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

普通的扭力梁橫梁常采用V形或U形沖壓?jiǎn)螌影澹瑸榱嗽黾优まD(zhuǎn)剛度，在V形或U形凹槽內(nèi)嵌入一根穩(wěn)定桿，如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)不僅零部件數(shù)量多，而且焊接搭接多易產(chǎn)生焊接應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致疲勞損壞。隨著液壓成型技術(shù)的成熟及產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，將空心管液壓成型為雙層V形截面作為扭力梁的橫梁，只需對(duì)V形截面特性進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計(jì)就可以得到滿意的扭轉(zhuǎn)剛度，因此穩(wěn)定桿及加強(qiáng)板就被取消了，如圖6所示。液壓成型橫梁的扭力梁由于零部件數(shù)量以及搭接焊接的減少，其質(zhì)量不僅大大降低（降低4.2 kg），而且可靠性有明顯提升，表2示出改進(jìn)前后的扭力梁零部件對(duì)比。

圖5 普通乘用車扭力梁結(jié)構(gòu)

圖6 液壓成型的乘用車扭力梁結(jié)構(gòu)

表2 改進(jìn)前后乘用車扭力梁零部件對(duì)比

3.2.2 性能對(duì)比分析

建立扭力梁式半獨(dú)立懸架剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，如圖7所示。對(duì)改進(jìn)前后扭力梁式懸架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)比分析，具體仿真結(jié)果，如表3所示。從表3可以看出，4種工況的外傾角變化率、前束變化率、輪距變化率等都有微小的改善趨勢(shì)，因此液壓成型扭力梁在動(dòng)力學(xué)性能不降低的情況下降低了質(zhì)量。

圖7 乘用車扭力梁式懸架剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

表3 乘用車扭力梁式懸架改進(jìn)前后動(dòng)力學(xué)性能對(duì)比

3.2.3 強(qiáng)度對(duì)比分析

對(duì)改進(jìn)前后的扭力梁進(jìn)行強(qiáng)度仿真對(duì)比分析，如圖8和表4所示。

圖8扭力梁轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖截圖

表4 改進(jìn)前后乘用車扭力梁強(qiáng)度對(duì)比 MPa

從圖8和表4可以看出，改進(jìn)后扭力梁最大應(yīng)力小于原結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后扭力梁強(qiáng)度得到明顯的改善。

4 結(jié)論

面對(duì)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，節(jié)能、環(huán)保等現(xiàn)實(shí)形勢(shì)日益嚴(yán)峻，減輕汽車質(zhì)量與節(jié)能減排已成為汽車技術(shù)進(jìn)步的重要課題。而汽車輕量化的內(nèi)涵應(yīng)是在保證汽車質(zhì)量和功能不受影響的前提下，最大限度地減輕部件的質(zhì)量、降低燃耗、減少排放。同時(shí)汽車的價(jià)格應(yīng)當(dāng)下降或保持在合理水平，即汽車輕量化技術(shù)應(yīng)當(dāng)是兼顧質(zhì)量、性能、價(jià)格的技術(shù)。

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于車輛概念設(shè)計(jì)階段，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化使材料布局達(dá)到最優(yōu)，提高了材料的利用率。文章對(duì)客車車身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后，車身質(zhì)量降低了244 kg。有限元分析表明，優(yōu)化后剛度、強(qiáng)度和模態(tài)等性能都有不同程度的提升。通過(guò)對(duì)普通扭力梁應(yīng)用液壓成型新技術(shù)，新扭力梁在整車動(dòng)力學(xué)性能、扭力梁強(qiáng)度和剛度等性能不降低的前提下，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量減輕4.2 kg，取得了較好的減重效果，為其他車型產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒和幫助。