輕量化前下防護的設計研究

梅相全,宋小寧,董野峰

(安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽合肥 230601)

0 引言

隨著經濟快速發展，能源短缺、環境污染等問題日益明顯，而汽車數量猛增使得問題日益嚴重，節能減排成為各主機廠努力的目標。據調查顯示：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能降耗。據國外數據顯示，汽車整車質量每降低100 kg，油耗可降低0.3～0.6 L/hkm,汽車整備質量每減少10%，油耗可降低5%～8%[2]。據國內某車型實驗分析，某商用車減輕10%,油耗降低4.75%[3]。因此輕量化對于消費者、企業、社會、環境都有重要意義。

1 商用車前下防護現狀

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

圖1 商用車前下部防護結構

2 前下防護輕量化思路

文中主要從材料、工藝、結構方面入手，提出“以塑代鋼”的方案，對前下防護進行輕量化設計，并從性能、質量兩方面加以分析驗證。

基于某項目前下防護降重30%的目標，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型鈑金件材料為強度510 MPa的B510L，安裝支座改為注塑，材料為PP-GF50；(2)結構上對橫梁、T型鈑金件、支座重新設計；(3)工藝上：將T型鈑金件與塑料橫梁通過注塑成形連接，保證兩者的連接強度。

之所以選用加玻璃纖維50%聚丙烯(PP-GF50)是因為：(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、高強度，良好的抗蠕變性能，優異的耐磨和耐疲勞性；(3)優異注塑成型性能。其與鈑金材料B50L物理屬性對比見表1。

表1 鈑金B50L與PP-GF物理屬性對比表

3 輕量化前下防護設計

3.1 材料選擇

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

3.2 前下防護性能要求

按照商用車前下部防護法規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 前下防護位置和尺寸示意

3.3 輕量化前下防護結構設計

嘗試新材料、新工藝、新結構輕量化設計，其結構如圖3所示，爆炸圖如圖4所示。

圖3 輕量化前下部防護結構示意

圖4 新型前下部防護裝置爆炸結構示意

輕量化前下防護結構包括：T型鈑金件、塑料橫梁和內嵌螺栓、支座。此結構優點明顯：(1)T型鈑金件與塑料橫梁一體注塑成形(圖5)，結構簡單、連接可靠；(2)T型鈑金件設置在塑料橫梁一側，碰撞時T型鈑金件可以提供有效的碰撞接觸點，保護塑料橫梁，避免塑料橫梁碰撞損壞；(3)內嵌螺栓直接注塑在塑料橫梁內，簡化了安裝結構，方便安裝。

圖5 T型鈑金件與塑料橫梁的裝配結構示意

4 前下防護橫梁模流分析

為滿足生產需要及產品品質要求，對產品進行模流分析。此設計中重點分析橫梁的成型性，其澆注系統設置如圖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，變形較小；橫梁鎖模力為17 804 kN，相對適中。產品整體充填平衡，無遲滯和短射現象；結合線結合溫度較高，痕跡不明顯，結合質量好，產品整體收縮均勻，產品可以滿足生產制造要求。

5 前下防護載荷及位移分析

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

5.1 傳統前下防護性能分析

基于此項目，車型最大總質量12 t，在P1、P2、P3，施加58.8 kN、117.6 kN、58.8 kN載荷,且持續0.02 s以上，其結構如圖9所示，結構屬性見表2，材料屬性見表3。傳統前下防護載荷和位移分析結果如圖10和圖11所示。

圖9 傳統前下防護結構

表2 前下防護結構屬性

表3 B510L材料屬性

由圖可知，P1點加載過程中，傳統前下防護塑性變形未超出延伸率，最大支撐力達到60 kN且加載器位移為24 mm小于400 mm；P2點塑性變形較小，未超出延伸率，最大支撐力達到120 kN且加載器位移18 mm小于法規要求的400 mm；P3點變形較好，塑性變形很小，支撐力達到59 kN時位移為3.9 mm，均滿足法規要求。

圖10 傳統前下防護P1、P2、P3點加載過程塑變云圖

圖11 傳統前下防護P1、P2、P3點加載位移曲線

5.2 輕量化前下防護性能分析

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

圖12 輕量化前下防護P1、P2、P3點過程塑變云圖

圖13 輕量化前下防護P1、P2、P3點加載位移云圖

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

5.3 傳統前下防護和輕量化前下防護性能對比

傳統鈑金前下防護和輕量化前下防護載荷和位移分析對比見表4。

表4 傳統鈑金前下防護和輕量化前下防護載荷和位移分析對比表

由表4可以得出：

(1)傳統前下防護和輕量化前下防護都存在局部應力較大區域，主要在安裝點處，可通過優化結構弱化；

(2)傳統前下防護和輕量化前下防護P1、P2、P3點加載位移都小于400，滿足法規要求，且輕量化前下防護變形更小，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,可行性較高。

5.4 傳統前下防護和輕量化前下防護質量對比

對比傳統前下防護和新型前下防護兩種方案，結果見表5。由表可知，輕量化前下防護降重35.9%，超出預期目標。

表5 傳統前下防護和新型前下防護的對比

6 結束語

文中主要闡述了“以塑代鋼”的前下防護輕量化設計方案，考察了其性能和生產制造可行性，得出其在滿足性能前提下，質量下降35.9%，產品滿足生產制造要求，體現了優勢。同時，前下防護輕量化設計，離不開理論，更離不開實際驗證，理論和實際相結合是后續工作的一個重要方向。