基于輕量化的汽車零部件設計研究

金琦珺

基于輕量化的汽車零部件設計研究

金琦珺

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

得益于中國經濟的高速發展，中國的汽車工業體系得到了長足進步。但隨著社會能源問題的日漸突出和人們生活水平的提高，人們對汽車整體水平的發展提出了更高的要求。所以為了實現可持續發展，就提出了汽車輕量化這一創新目標。旨在能夠得到與原材料性能一樣但是更輕便的新材料，進而提高汽車基礎性能以及燃油性能，在行駛時增強人對汽車的操縱感。

汽車零部件；輕量化設計；副車架；后縱臂

1 汽車輕量化技術

汽車輕量化是以保證汽車具有原本的強度與性能為基礎，再減輕汽車各零部件的質量，那么汽車的動力性將會有一定的提高。因此從以下方面提出改變方案：①從使用材料的質量入手，在保證汽車原有各種參數的基礎上，盡量地減輕質量；②使用新材料代替，比如鋁合金等密度盡量小的材料；③對各種零部件的構架進行一個整體的分析，尋找一種新的加強方法；④采用承載式車身可以取消車架的使用，從而大大減輕質量。

2 輕量化在底盤零件上的應用

底盤零件的構造組成主要是有四部分，分別是制動系、裝相系、行駛系統和制動系統。行駛系的功用是支持整車質量并且保證汽車平穩運行；為了保證汽車平穩轉向，設置了轉向系；傳動系是由離合器、變速器、萬向節等組成的，離合器可以保證汽車的換擋、起步等平穩實現，變速器可以用于汽車的變速；制動系的主要作用就是使運動中的汽車實現減速或是停車，使下坡的汽車保持穩速下行，保證已經停止的汽車不產生運動。

2.1 副車架的輕量化

副車架是車橋的組成部分，由于它將車橋、懸掛與正車架連起來，所以就被稱為副車架。副車架的成型方式是熱軋鋼板沖壓焊接成型，但這是傳統的加工方式。為了減輕副車架的質量，先是改變了成型技術。

采用了液壓成型方式，用低合金高強度鋼焊接鋼管，再利用液體介質進行傳力。通過這種方式生產出的副車架的減震效果與原先的沖壓成型并無太大差異，但實現了車架的輕量化，減少了零件數，也省去了一部分的焊接與裝配工序，降低了生產成本。

液壓成型的副車架如圖1所示。

圖1 液壓成型的副車架

成型方式改變之后，再在材料上尋求了改變，在輕量化中，鋁合金的使用是非常受歡迎的，因為它具有密度小、成型性好的特點。目前鋁合金副車架成型工藝基本都已能成熟地應用于汽車生產中，且輕量化效果能夠達到將近40%。不同車型應用的成型工藝和材料如表1所示。

表1 不同車型應用的成型工藝和材料

成型工藝應用車型使用材料 鑄造成型奧迪Q3、奔馳C級、大眾途觀、克萊斯勒200C、英菲尼迪Q50等鑄造：A356、AlSi11、AlSi9MgMn、AlMg5Si2Mn等；擠壓：6005A、6060、AlSi7Mg0.6等；鋁管：AlMg3.5Mn、6061等；鋁板：AlMg3.5Mn、6061等 鋁管液壓成型大眾輝騰等 擠壓+鋼板沖壓成型奔馳S級、阿爾羅密歐等 鑄造+擠壓成型雪鐵龍C5、凱迪拉克CTS、克萊斯勒Concorde等 鑄造+擠壓+鋁管液壓成型奧迪A4、A6、Q5，寶馬5系、7系等

2.2 后縱臂的輕量化

后縱臂在汽車底盤零件中經常被用到，作為底盤的重要零件，它在汽車行駛中起到非常重要的作用。在對車型進行開發時，車企往往會為了減輕底盤質量、節約成本而對后縱臂進行輕量化設計。

后縱臂尺寸優化模型如圖2所示。

圖2 后縱臂尺寸優化模型

由圖2得出，在后縱臂中間區域，它的厚度可以進行一定量的調整，適當減小。為了不改變后縱臂外部框架，可以選擇在中間位置進行開孔。去除了中間部分之后，外側邊緣需要有一定量的翻邊，這加強了結構的整體。后縱臂尺寸優化方案如圖3所示。

圖3 后縱臂尺寸優化方案

若是結構整體仍較厚，在優化方案一上仍可以適當地減薄。在對結構整體進行修改后，需要對后縱臂強度性能進行考核，如果強度不足，那么減輕質量也將失去了意義。在試驗中，優化方案一減輕了質量，強度性能與原結構并無太大差異。但進一步優化之后的方案二不僅更多減輕了質量，強度性能也有了明顯的提高。有了較大的安全裕度。后縱臂的優化性能如表2所示。

表2 后縱臂的優化性能表

后縱臂方案應力值/MPa質量/kg減重百分比/（%）材料（屈服強度/MPa） 原結構3081.5/B400/780DP（400） 方案一3071.46.7B400/780DP（400） 方案二3121.220.0B400/780DP（400）

3 車身結構的輕量化設計

車身整體的組成部件包括車殼、車門、車窗等。研究發現，汽車在空載條件下行駛，由車身質量引起的油耗占到了非常大的比例，所以對于車身的輕量化是非常有意義且有必要的。

3.1 對車身布局進行優化

布局優化就是根據實際使整體或者局部呈現最佳布局。例如采用后置后驅就可以多出一些傳動系統零件的布置，而采用前置前驅就可以達到減輕質量的目的。此外，為了明顯減輕車身質量，還可以采用承載式車身，這一方法可以將車架取消。

3.2 對尺寸進行優化

在尺寸優化中，作為變量的是汽車零件的形狀與尺寸，要滿足不同情況下的車身性能。同時在考慮今后的尺寸設計時，學會運用數值的優化方法來對線性靜力學和車體的整體振動進行模擬。為了優化汽車生產時所用的零部件以及減重，可以利用基于線彈性尺寸優化設計的方法。

3.3 對車身形狀進行優化

改變零部件的外形是優化車身形狀的目的，并使各部件的受力均勻。這里主要指的是對汽車整體結構或零部件局部形狀優化，使能夠最大化地發掘出材料各方面性能。在工程設計中，通過采用有限元的分析來設計降低應力集中的概率來實現受力的均勻分布。在現實制造工藝中就是在應力集中區加強材料，在低負荷區相應地減少使用材料。

3.4 對車身拓撲進行優化

優化車身拓撲，即具體剖析車身整體的材料運用和分布的各項指數。通過這種方法可以直接得出動力傳輸的最佳途徑，同時通過這種方法分析空間材料運用，可以最大程度地節省材料運用。

4 結束語

中國的汽車行業發展時間并不算長，汽車輕量化的發展的時間則更加短，相比于其他國家，中國汽車輕量化起步較晚。所以更應該在這一方面加大研究力度，使汽車發展能夠進一步實現現代化發展。

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［2］孫永飛，羅文靜，陳賀峰，等.探討汽車底盤懸架關鍵部件輕量化設計［J］.內燃機與配件，2020（4）：20-21.

［3］王帥.汽車輕量化現狀和發展趨勢分析［J］.汽車實用技術，2019（11）：242-245.

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.049

2095－6835（2020）13－0121－02

〔編輯：王霞〕