專(zhuān)用汽車(chē)底盤(pán)零件輕量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化的現(xiàn)狀與趨勢(shì)

 摘要

本文對(duì)專(zhuān)用車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的重要作用進(jìn)行了分析，主要介紹了當(dāng)前汽車(chē)輕量化的主要發(fā)展過(guò)程，針對(duì)專(zhuān)用汽車(chē)底盤(pán)橫梁零件開(kāi)展了包括材料和結(jié)構(gòu)之內(nèi)的輕量化設(shè)計(jì)，繼而提升零件性能。

一、汽車(chē)輕量化技術(shù)途徑以及發(fā)展現(xiàn)狀

1.汽車(chē)輕量化技術(shù)途徑

一般底盤(pán)零件都是安保件，它對(duì)零件各方面的要求都是比較嚴(yán)格的。底盤(pán)零件是顯現(xiàn)輕量化的主要方法之一，主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)材料以及新型制造工藝。在機(jī)構(gòu)上，主要包含零件形狀、尺寸優(yōu)化等，用于減重。材料方面分為兩種類(lèi)型，一是利用合金類(lèi)輕質(zhì)合金材料來(lái)替換掉鋼質(zhì)材料。二是使用高強(qiáng)度鋼板，通過(guò)材料強(qiáng)度減薄厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)減重。工藝上則包含液壓成形、熱成形等工藝，降低零件重量。 

2.汽車(chē)輕量化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 

現(xiàn)階段，受到輕量化需求的影響，輕量化材料在國(guó)內(nèi)發(fā)生了很大變化，車(chē)用高性能鋼板、鋁合金在汽車(chē)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。比如現(xiàn)在汽車(chē)變速器殼體一般是鍛造鋁合金。 

二、底盤(pán)零件輕量化

本文主要舉例了一些案例，對(duì)其展開(kāi)分析，具體如下： 

1.副車(chē)架

副車(chē)架主要是和固定懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)等組合到一起的零件，它對(duì)強(qiáng)度剛度等有很高的要求。副車(chē)架的成形方式是熱軋鋼板沖壓焊接而成的，為了符合強(qiáng)度、剛度等性能要求，要加大鋼板厚度。為減少副車(chē)架重量，主機(jī)廠主要使用液壓成行和鋁合金材料來(lái)降低副車(chē)架重量。 

液壓成形使用低碳鋼焊接成鋼管，通過(guò)模具使工件成形的一種塑性加工技術(shù)。在實(shí)現(xiàn)輕量化的基礎(chǔ)上減少了零件使用數(shù)量，降低了成本費(fèi)用，這一方法在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。 

鋁合金材料自身占有很大優(yōu)勢(shì)，密性度高，成形性能好及耐腐蝕性能高，鋁合金副車(chē)架的成形工藝較多，鑄造鋁合金和變形鋁合金都有應(yīng)用。 

2.前下擺臂

前下擺臂傳統(tǒng)成形工藝是鋼板沖壓焊接成形的，常用材料是高強(qiáng)鋼，厚度一般在3mm以上，材料強(qiáng)度300MPA。輕量化前下擺臂如下： 

在之前使用高強(qiáng)鋼基礎(chǔ)上選擇更高強(qiáng)度的材料，材料屈服強(qiáng)度達(dá)到600MPA以上。對(duì)于零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)而言，把雙片鋼板沖焊成形，轉(zhuǎn)換為單片沖壓成形，材料厚度不改變，可以減少零件生產(chǎn)工序，降低零件成本。 

三、輕量化技術(shù)和應(yīng)用

輕量化不僅是指減少汽車(chē)重量，更不是為了所謂的輕量化而忽視安全性。輕量化要在保證汽車(chē)綜合性能指標(biāo)良好的基礎(chǔ)之上，采用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法和手段對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或是使用新型材料、工藝，盡量減少汽車(chē)產(chǎn)品自重，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，保證安全性能的綜合性指標(biāo)。所以，輕量化應(yīng)是新結(jié)構(gòu)、新材料以及新工藝相結(jié)合的。 

1.新結(jié)構(gòu)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)分析不僅僅是局限簡(jiǎn)單的計(jì)算核對(duì)，它為我們的結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)提供了有利的數(shù)據(jù)支撐，在設(shè)計(jì)中，通過(guò)分析高強(qiáng)鋼在汽車(chē)上的應(yīng)用，來(lái)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度不足之處，進(jìn)而改進(jìn)。 

2.新材料

現(xiàn)階段，使用輕質(zhì)材料是實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)的主要途徑之一，主要?jiǎng)澐譃閮煞N情況，第一種是使用密度比較低的材料，比如鋁合金、鎂合金以及塑料或者多種復(fù)合材料；另外一種規(guī)則是高強(qiáng)度額材料，從中可以減少材料用量，降低重量，比如高強(qiáng)度鋼材等。 

3.新型工藝

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的時(shí)候，要保證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能和要求相符合，盡量使用新型技術(shù)和結(jié)構(gòu)，以降低產(chǎn)品重量，實(shí)現(xiàn)輕量化。目前最為廣泛的技術(shù)主要有內(nèi)高壓成形技術(shù)和熱壓成形。對(duì)于某種特定的車(chē)型而言，在性能相同的情況下，對(duì)這兩種方式分別生產(chǎn)的副手架的零件成本、模具費(fèi)用以及零件重量進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用管材液壓成形方式的副手架為2個(gè)，小于沖壓件總成的零件。采用管材液壓成形方式生產(chǎn)的副手架要比沖壓家減少60%，零件成本減少20%，零件重量減少30%，從中可以看出，新型工藝的應(yīng)用可以保證產(chǎn)品性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輕量化管理。 

四、研究方法和材料

1.底盤(pán)橫梁實(shí)體模型和有限元仿真

通過(guò)CAE仿真技術(shù)對(duì)專(zhuān)用汽車(chē)底盤(pán)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，采用部件減薄，空心化。尺寸減小以及合理結(jié)構(gòu)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)整體輕量化的效果。最終達(dá)到將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化、材料輕量化相結(jié)合的專(zhuān)用汽車(chē)整體輕量化效果。為了體現(xiàn)出底盤(pán)橫梁的實(shí)際特征，保證后續(xù)模擬分析的準(zhǔn)確性，采用了三維軟件CATLA建立底盤(pán)橫梁的1：1模型。本文主要利用系統(tǒng)參數(shù)建立模型。步驟如下：
一，橫梁尺寸參數(shù)的設(shè)定；
二，對(duì)于橫梁圖紙的繪制；
三，橫梁處理工作；
四，文件保存。

在軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取六面體單元網(wǎng)絡(luò)，有利于提升分析準(zhǔn)確性，控制質(zhì)量，在軟件中讀取數(shù)據(jù)文件進(jìn)行有限元真分析，根據(jù)橫梁實(shí)際情況設(shè)立正確的邊界條件、材料類(lèi)別，得出數(shù)據(jù)。 

2.材料性能測(cè)試

在對(duì)零件開(kāi)展結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)仿真計(jì)算前，要對(duì)底盤(pán)零件的材料力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，為后續(xù)有限元件分析提供材料力學(xué)性能參數(shù)。 

（1）測(cè)試22MNB5板材熱沖壓成形的力學(xué)性能。 

在拉伸之前保證試樣的平行度和測(cè)試的準(zhǔn)確性，需要用磨床進(jìn)行打磨處理，處理之后的試樣厚度為2mm，使用非比例試樣，拉伸試樣。22MNB5的拉伸。 

（2）底盤(pán)橫梁使用Q345材料，處理試樣方法和22MNB5相同，試樣厚度為2mm。Q345的拉伸。 

五、結(jié)束語(yǔ)

采用有限元仿真技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行分析，對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高零部件的性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化，同時(shí)與材料的輕量化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)底盤(pán)零部件的輕量化，同時(shí)提高承載能力。所以必須使用高強(qiáng)鋼作為原料，將材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化相互結(jié)合到一起，最終提升零件性能，使得輕量化效果更加明顯。