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汽车轻量化研究 周伟;苏世荣;储胜林;梁媛媛;王浩【摘 要】汽车轻量化是实现节能减排的重要措施之一,轻量化技术的应用对汽车工业可持续发展具有重要意义.分别运用拓扑优化技术和新型液压成型技术对客车车身和乘用车扭力梁进行轻量化设计,并应用虚拟仿真技术对优化前后的客车车身和扭力梁进行对比分析.仿真结果表明,经过轻量化设计的客车车身和扭力梁性能没有降低,部分性能还得到提升.由此得出,应用恰当的优化方法和制造工艺可以在保证性能不降低的前提下,实现汽车零部件轻量化.【期刊名称】汽车工程师【年(卷),期】2019(000)001【总页数】4 页(P21-24)【关键词】汽车车身;轻量化;扭力梁;拓扑优化;液压成型【作 者】周伟;苏世荣;储胜林;梁媛媛;王浩【作者单位】安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心;安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心;安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心;安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心;安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心【正文语种】中 文 汽车轻量化设计是目前国内外研究的热门课题，大量的研究手段和方法被应用到汽车的结构设计中。近些年随着汽车保有量的增加，汽车产品产生的环保、安全和油耗等问题日益突出，汽车排放的 COx，NOx，HC 是造成空气污染的重要因素1。大量试验表明，汽车的质量每减少100 kg，油耗将减少 0.41 L/100 km，汽车质量每减少 10%，燃油消耗可降低 6%8%，同时车辆废气排放量也明显降低2。因此世界各大主机厂和零部件制造厂投入大量资源进行轻量化技术研究。1 汽车轻量化的效果 1.1 降低油耗和减少排放 汽车质量的降低使汽车滚动阻力、加速阻力、爬坡阻力减小，从而降低了燃油消耗；如果动力性能保持不变，通过恰当的齿轮传动比还可以使燃油消耗进一步降低。1.2 改善性能 汽车轻量化可以有效改善汽车的性能，主要体现为：1）汽车质量减轻后，车身质心降低，汽车行驶更加稳定、舒适，加速性能以及转动和振动部件的 NVH 性能都有明显的改善；2）汽车质量减轻使制动距离缩短，碰撞惯性和碰撞时动量也得以减小，降低了对汽车的损害，提高了汽车的主动安全性；3）动力总成质量减轻可以改善前轮轴荷，进而改善汽车操纵稳定性；4）轮辋、制动钳等质量减轻可以改善簧下质量，从而提高汽车乘坐舒适性。2 汽车轻量化实施途径 1）采用体积质量低、强度高的新型材料。高强度钢：高强度钢对汽车轻量化的发展起着重要作用，研究表明，当钢板厚度分别减小0.05，0.10，0.15 mm 时，白车身的质量将分别减轻 6%，12%，18%3；铝合金：铝合金的体积质量为钢的1/3，与其他材料相比轻量化效果好、耐腐蚀性强，广泛应用于发动机、传动系统、车身和底盘部件4；镁合金：镁合金的体积质量为 1.8 g/cm3，比铝还轻 1/3，镁合金在座椅和仪表板骨架等部件上有广泛应用；工程塑料：塑料具有体积质量小、耐腐蚀、防振、隔声、隔热等特性，工程塑料应用在汽车内外饰件、仪表、电子电气和冷却系统以及车身覆盖件等5。2）继续采用钢材，通过对结构进行拓扑、形貌和尺寸优化来减轻质量。拓扑优化也称结构布局优化，是在设计空间中寻找最佳的结构形式或最优的传力路径，提高材料的利用率，达到优化性能和减轻质量的效果；形貌优化既可改变结构的尺寸，也可改变结构的形状，在满足设计要求的前提下优化结构的边界形状，从而改善性能和减轻质量；尺寸优化设计是在给定结构的类型、材料、拓扑结构的情况下，优化结构截面尺寸，使结构质量最轻、体积最小6。3）采用新型的轻量化制造工艺，如液压成型技术、激光拼焊、热成型冲压、差厚板冲压、半固态金属铸造等。液压成型技术在车身、底盘、发动机等领域有广泛的应用，如液压成型副车架、扭转梁等7。3 汽车轻量化案例 3.1 客车车身轻量化 客车车身是客车重要的承载体，其质量占客车总质量的 30%40%，车身的轻量化对减轻整车质量有着重要的意义。文章研究的车身由管梁焊接而成，车身与底架纵梁通过焊接连接在一起，构成了半承载式车身结构。3.1.1 建立拓扑优化模型 对车身结构进行拓扑优化设计的第 1 步需要定义拓扑优化的设计区域。定义拓扑设计区域的基本原则是尽可能选大的区域作为设计空间，以充分挖掘拓扑优化的潜力。定义拓扑优化区域后进行网格划分，赋予单元格材料属性。车身拓扑优化空间，如图 1 所示。图 1 客车车身拓扑优化空间 3.1.2 拓扑优化设计 客车车身承受的载荷较复杂，主要有弯曲载荷、扭转载荷、纵向载荷和侧向载荷。弯曲载荷主要是车身、车载设备、乘客及行李等的质量；扭转载荷主要由行驶路面不平对车身非对称支承引起；纵向载荷主要由制动、加速时产生的惯性力引起；侧向载荷主要是客车转向时的离心力和侧向风的作用力。弯曲载荷在客车行驶中自始至终都存在，扭转载荷在客车行驶时也普遍存在，而纵向载荷和侧向载荷只在少数工况下才产生。因此弯曲载荷和扭转载荷是对大客车性能影响较大的载荷，以这 2种载荷工况对车身进行拓扑优化设计8。由于车身结构是对称的，因此对拓扑空间进行对称性约束，经过拓扑优化迭代得到车身拓扑优化云图，如图 2 所示。图 2 表示的是单元相对密度，其中深蓝色表示相对密度值小的单元，是要去除材料的部分；红色表示相对密度大的单元，是需要保留材料的部分。从优化结果可以看出：载荷传递路径明显，左右侧围都有明显的传力大梁，并且与裙部立柱相接，有利于力的传递，不易产生应力集中现象。比较2 种工况的拓扑优化结果，在左右侧围和行李架处有相同的传递路径，说明左右侧围和行李架传力特性与工况没有明显的联系。弯曲工况在车身顶棚位置处没有出现明显的保留材料部分，主要原因是弯曲工况的载荷是垂直方向的；而扭转工况有扭转载荷，车身顶棚出现了比较清晰的交叉的横梁。图 2 客车车身拓扑优化密度云图 3.1.3 优化前后性能对比 根据车身拓扑优化云图设计新车身结构，但车身骨架构件截面参数不进行优化，与原结构保持一致。由拓扑优化结果设计新车身结构时要遵循一定的原则：1）尽可能用直杆件代替拓扑优化中的弯曲部分；2）尽可能多地使车身构件相互连接，形成封闭环形，以提高力的传递效率；3）尽可能使车身构件形成三角形结构，因为三角形结构稳定性好，三角形多的车身结构刚度更高。车身局部由拓扑云图到 3D结构的拓扑优化设计结构，如图 3 所示。优化后的车身整体结构，如图4 所示。图 3 客车车身局部拓扑优化设计结构演变图 图 4 新客车车身结构 经拓扑优化设计的新车身质量为 2 231 kg，比原车身减轻了 244 kg，减重效果较明显。对新车身性能进行有限元分析，并与原车身进行对比，如表 1 所示。从表 1可以看出，车身弯曲刚度、扭转刚度以及各阶模态特性都有提升，说明经拓扑优化设计的轻量化车身性能优于原车身。表 1 拓扑优化前后客车车身性能对比项目质量/kg 弯曲刚度/（N/mm）扭转刚度/（Nm/（）第 1 阶模态/Hz 第 2 阶模态/Hz 第 3 阶模态/Hz 第 4 阶模态/Hz 第5 阶模态/Hz 第 6 阶模态/Hz 优化前 2 475 29 200 24 800 8.2 9.4 14.9 14.9 17.8 18.1 优化后 2 231 29 500 25 500 9.4 10.7 16.3 18.3 19.7 20.9 变化量-244 300 700 1.2 1.3 1.4 3.4 1.9 2.8 3.2 乘用车扭力梁轻量化 3.2.1 扭力梁结构对比分析 普通的扭力梁横梁常采用 V 形或 U 形冲压单层板，为了增加扭转刚度，在 V 形或U 形凹槽内嵌入一根稳定杆，如图 5 所示。这种结构不仅零部件数量多，而且焊接搭接多易产生焊接应力集中现象，导致疲劳损坏。随着液压成型技术的成熟及产业化推广应用，将空心管液压成型为双层 V 形截面作为扭力梁的横梁，只需对 V形截面特性进行适当设计就可以得到满意的扭转刚度，因此稳定杆及加强板就被取消了，如图 6 所示。液压成型横梁的扭力梁由于零部件数量以及搭接焊接的减少，其质量不仅大大降低（降低4.2 kg），而且可靠性有明显提升，表 2 示出改进前后的扭力梁零部件对比。图 5 普通乘用车扭力梁结构 图 6 液压成型的乘用车扭力梁结构 表 2 改进前后乘用车扭力梁零部件对比材料 料厚/mm 质量/kg 零部件横梁稳定杆加强板 I 纵臂弹簧托盘轮毂支架改进前 B510L 20CrMo Q345A Q235 Q345A Q345A 改进后 S550MC 改进后 2.6 改进后 5.9 Q235 Q345A Q345A 改进前 5.0 4.5 3.2 4.0 2.0 5.0 4.0 2.0 5.0 改进前 7.5 2.3 0.3 3.0 0.9 1.3 3.0 0.9 1.3 3.2.2 性能对比分析 建立扭力梁式半独立悬架刚柔耦合多体动力学模型，如图 7 所示。对改进前后扭力梁式悬架进行动力学仿真对比分析，具体仿真结果，如表 3 所示。从表 3 可以看出，4 种工况的外倾角变化率、前束变化率、轮距变化率等都有微小的改善趋势，因此液压成型扭力梁在动力学性能不降低的情况下降低了质量。图 7 乘用车扭力梁式悬架刚柔耦合动力学模型 表 3 乘用车扭力梁式悬架改进前后动力学性能对比工况 项目同向轮跳反向轮跳侧向力纵向力外倾角变化率/（）/m）前束角变化率/（）/m）垂直刚度/（N/mm）轮距变化率/（mm/m）侧倾中心高度/（mm）外倾角变化率/（）/m）前束角变化率/（）/m）侧倾刚度/（N/mm）侧倾转向/（）/（）外倾角变化率/（）/kN）前束角变化率/（）/kN）轮距变化率/（mm/kN）外倾角变化率/（）/kN）前束角变化率/（）/kN）轮距变化率/（mm/kN）轴距变化率/（mm/kN）改进前-2.8 2.1 23.9 2.560 171-42.600 2.900 38.600 0.470 0.128-0.034-0.686 0.092-0.088 0.180 0.970 改进后-2.500 2.000 23.900 2.340 169-40.300 2.800 41.200 0.460 0.127-0.032-0.680 0.090-0.086 0.180 0.960 3.2.3 强度对比分析 对改进前后的扭力梁进行强度仿真对比分析，如图 8 和表 4 所示。图 8 扭力梁转弯工况应力云图截图 表 4 改进前后乘用车扭力梁强度对比 MPa 零部件 制动工况 启动工况横梁纵臂弹簧托盘减振器支架轮毂支架改进前改进后改进前改进后改进前改进后改进前改进后改进前改进后垂直工况 295.3 293.4 264.2 211.1 287.3 230.7 102.8 110.0 391.1 293.6 转弯工况 340.59 359.90 362.60 366.20 437.20 424.70 292.10 263.20 215.20 230.60 105.1 66.2 67.2 77.3 165.9 111.6 65.8 59.9 36.8 65.0 179.2 132.5 133.2 150.1 245.5 229.8 94.5 116.6 71.4 131.0 从图 8 和表 4 可以看出，改进后扭力梁最大应力小于原结构，改进后扭力梁强度得到明显的改善。4 结论 面对汽车工业的快速发展，节能、环保等现实形势日益严峻，减轻汽车质量与节能减排已成为汽车技术进步的重要课题。而汽车轻量化的内涵应是在保证汽车质量和功能不受影响的前提下，最大限度地减轻部件的质量、降低燃耗、减少排放。同时汽车的价格应当下降或保持在合理水平，即汽车轻量化技术应当是兼顾质量、性能、价格的技术。拓扑优化技术越来越多地应用于车辆概念设计阶段，通过拓扑优化使材料布局达到最优，提高了材料的利用率。文章对客车车身进行拓扑优化设计后，车身质量降低了 244 kg。有限元分析表明，优化后刚度、强度和模态等性能都有不同程度的提升。通过对普通扭力梁应用液压成型新技术，新扭力梁在整车动力学性能、扭力梁强度和刚度等性能不降低的前提下，实现质量减轻 4.2 kg，取得了较好的减重效果，为其他车型产品轻量化设计提供了一定的借鉴和帮助。参考文献 【相关文献】1耿培林，白俊，杨保华.汽车轻量化的发展及前景探究J.科协论坛（下半月），2012（3）：64-65.2马鸣图，易红亮，路洪洲，等.论汽车轻量化J.中国工程科学，2009，11（9）：20-27.3王广勇，王刚.高强度钢在汽车轻量化中的应用J.汽车工艺与材料，2011（1）：1-4.4马鸣图，游江海，路洪洲.汽车轻量化以及铝合金汽车板的应用J.新材料产业，2009（9）：34-37.5王利，陆匠心.汽车轻量化及其材料的经济选用J.汽车工艺与材料，2013（1）：1-6.6BOTKIN M E.Structural Optimization of Automotive Body Components Based on Parametric Solid ModelingJ.Engineeringwith Computer,2012,18(2):109-115.7 康万平，王宇，康蕾.管件液压成型技术简述J.焊管，2010（1）：53-55.8王思祖，黄鼎友，曹佳，等.全承载式客车车身结构轻量化设计J.机械设计与制造，2014（10）：73-75.
