專用汽車底盤零件輕量化設計與優(yōu)化的現(xiàn)狀與趨勢

 摘要

本文對專用車輕量化設計的重要作用進行了分析，主要介紹了當前汽車輕量化的主要發(fā)展過程，針對專用汽車底盤橫梁零件開展了包括材料和結構之內(nèi)的輕量化設計，繼而提升零件性能。

一、汽車輕量化技術途徑以及發(fā)展現(xiàn)狀

1.汽車輕量化技術途徑

一般底盤零件都是安保件，它對零件各方面的要求都是比較嚴格的。底盤零件是顯現(xiàn)輕量化的主要方法之一，主要應用于結構優(yōu)化設計、先進材料以及新型制造工藝。在機構上，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型，一是利用合金類輕質(zhì)合金材料來替換掉鋼質(zhì)材料。二是使用高強度鋼板，通過材料強度減薄厚度來實現(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.汽車輕量化技術發(fā)展現(xiàn)狀 

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

二、底盤零件輕量化

本文主要舉例了一些案例，對其展開分析，具體如下： 

1.副車架

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

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

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

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，常用材料是高強鋼，厚度一般在3mm以上，材料強度300MPA。輕量化前下擺臂如下： 

在之前使用高強鋼基礎上選擇更高強度的材料，材料屈服強度達到600MPA以上。對于零件結構優(yōu)化設計而言，把雙片鋼板沖焊成形，轉換為單片沖壓成形，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、輕量化技術和應用

輕量化不僅是指減少汽車重量，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綜合性能指標良好的基礎之上，采用現(xiàn)代化設計方法和手段對汽車結構進行優(yōu)化設計，或是使用新型材料、工藝，盡量減少汽車產(chǎn)品自重，進而實現(xiàn)節(jié)能減排，保證安全性能的綜合性指標。所以，輕量化應是新結構、新材料以及新工藝相結合的。 

1.新結構

隨著計算機技術的應用，結構分析不僅僅是局限簡單的計算核對，它為我們的結構開發(fā)提供了有利的數(shù)據(jù)支撐，在設計中，通過分析高強鋼在汽車上的應用，來發(fā)現(xiàn)強度不足之處，進而改進。 

2.新材料

現(xiàn)階段，使用輕質(zhì)材料是實現(xiàn)輕量化目標的主要途徑之一，主要劃分為兩種情況，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合材料；另外一種規(guī)則是高強度額材料，從中可以減少材料用量，降低重量，比如高強度鋼材等。 

3.新型工藝

在產(chǎn)品設計和開發(fā)的時候，要保證產(chǎn)品的結構性能和要求相符合，盡量使用新型技術和結構，以降低產(chǎn)品重量，實現(xiàn)輕量化。目前最為廣泛的技術主要有內(nèi)高壓成形技術和熱壓成形。對于某種特定的車型而言，在性能相同的情況下，對這兩種方式分別生產(chǎn)的副手架的零件成本、模具費用以及零件重量進行了對比，發(fā)現(xiàn)采用管材液壓成形方式的副手架為2個，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，新型工藝的應用可以保證產(chǎn)品性能，進而實現(xiàn)輕量化管理。 

四、研究方法和材料

1.底盤橫梁實體模型和有限元仿真

通過CAE仿真技術對專用汽車底盤橫梁結構進行改進優(yōu)化，采用部件減薄，空心化。尺寸減小以及合理結構等方式來實現(xiàn)整體輕量化的效果。最終達到將結構設計輕量化、材料輕量化相結合的專用汽車整體輕量化效果。為了體現(xiàn)出底盤橫梁的實際特征，保證后續(xù)模擬分析的準確性，采用了三維軟件CATLA建立底盤橫梁的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)的設定；
二，對于橫梁圖紙的繪制；
三，橫梁處理工作；
四，文件保存。

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

2.材料性能測試

在對零件開展結構輕量化設計仿真計算前，要對底盤零件的材料力學性能進行測試，為后續(xù)有限元件分析提供材料力學性能參數(shù)。 

（1）測試22MNB5板材熱沖壓成形的力學性能。 

在拉伸之前保證試樣的平行度和測試的準確性，需要用磨床進行打磨處理，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、結束語

采用有限元仿真技術對零件進行分析，對零部件的結構進行優(yōu)化，提高零部件的性能，實現(xiàn)結構的輕量化，同時與材料的輕量化相結合，實現(xiàn)底盤零部件的輕量化，同時提高承載能力。所以必須使用高強鋼作為原料，將材料輕量化和結構輕量化相互結合到一起，最終提升零件性能，使得輕量化效果更加明顯。