某车型扭转梁安装支架轻量化方案对比分析_符琳.pdf

2 0 2 3年第8期产品分析某车型扭转梁安装支架轻量化方案对比分析符 琳,张泽强,伍马志(上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西 柳州 5 4 5 0 0 0)摘 要:汽车轻量化设计是降低能耗、减少排放的最有效措施之一。对于汽车结构件在设计时需满足空间布置、强度刚度、疲劳寿命等要求外,重量越轻越好。扭转梁半独立悬架是汽车常用的悬架系统,其安装方式影响到整车结构布置和轻量化设计。本文通过对铸铁件、冲压钣金拼焊件、铸铝件3类扭转梁安装支架的轻量化方案分析研究,从性能、结构、材料、工艺和成本进行了对比分析,给出了对底盘悬架结构件轻量化和降本的方法和方向,以及对结构件轻量化的研究趋势进行了总结,为轻量化降本设计提供参考。关键词:扭转梁安装支架;轻量化结构;轻量化材料;轻量化工艺 中图分类号:U 4 6 2.2+4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 1 0-0 3L i g h t w e i g h tD e s i g no fT o r s i o nB e a m M o u n t i n gB r a c k e tF uL i n,Z h a n gZ e-q i a n g,WuM a-z h i(S A I CGM Wu l i n gA u t o m o b i l eC o.L t d,G u a n g x iL i u Z h o u5 4 5 0 0 0)A b s t r a c t:L i g h t w e i g h td e s i g n i so n eo f t h em o s te f f e c t i v em e a s u r e st or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n de m i s-s i o n s f o ra u t o m o b i l e.I na d d i t i o nt om e e t i n gt h e r e q u i r e m e n t so f s p a c e l a y o u t,s t r e n g t hs t i f f n e s sa n df a t i g u e l i f e,t h e l i g h t e r t h ew e i g h t,t h eb e t t e r.T o r s i o n a l b e a ms e m i-i n d e p e n d e n t s u s p e n s i o n i s a c o mm o ns u s p e n s i o ns y s t e mi na u t o m o b i l e,a n d i t s i n s t a l l a t i o nm o d ea f f e c t s t h es t r u c t u r e l a y o u t a n d l i g h t w e i g h td e s i g no f t h ev e h i c l e.T h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h el i g h t w e i g h ts c h e m eo ft o r s i o n a lb e a m m o u n t i n gb r a c k e t s,r e f e rt oc a s ti r o n,p r e s s e ds h e e tm e t a l a n dc a s t a l u m i n u m,t h em e t h o da n dd i r e c t i o no f t h e l i g h t w e i g h t a n dc o s t r e d u c t i o no f c h a s s i ss u s p e n s i o ns t r u c t u r a l p a r t sa r eg i v e n f r o mt h ep e r f o r m a n c e,s t r u c t u r e,m a t e r i a l,p r o c e s s a n dc o s t c o m p a r a t i v e a-n a l y s i s,a n dt h er e s e a r c ht r e n do f t h e l i g h t w e i g h to f s t r u c t u r a lp a r t s i ss u mm a r i z e d,w h i c hp r o v i d e sar e f e r e n c ef o r t h e l i g h t w e i g h t c o s t r e d u c t i o nd e s i g n.K e yw o r d s:T o r s i o nb e a mm o u n t i n gb r a c k e t;L i g h t w e i g h t s t r u c t u r e;L i g h t w e i g h tm a t e r i a l s;L i g h t w e i g h t t e c h n i q u e作者简介:符琳(1 9 9 0),女,籍贯广西,汉族,中级工程师,本科学历,主要从事汽车底盘悬架系统开发工作。0 引言扭转梁半独立悬架是汽车常用的悬架系统,其一般通过左右两个衬套关节与车架连接一起。常见结构有两种,第一种是扭转梁安装支架焊接固定在车架大梁(通过焊接或者冲压一体成型),扭转梁衬套通过螺栓装配至安装支架从而与车架连接在一起;第二种是安装支架作为独立支架,扭转梁衬套通过螺栓与安装支架固定为一体,然后再通过螺栓将安装支架装配至车架,从而与车架连接在一起。第二种结构可以将车架设计较为规整,只需要在平整规则的大梁面提供焊接螺母点即可,实现车架轻量化和降本设计。有了独立安装支架后,悬架硬点设计自由度更高,装配精度更高,安装刚度高等优点。而扭转梁是关键结构件和性能件,对于安装刚度、强度有着较高要求,因此扭转梁安装支架在设计之初选用的铸铁方案。汽车轻量化是降低能耗、减少排放的最有效措施之一。如汽车每减少1 0 0 k g,可节省燃油0.30.5 L/(1 0 0 k m),可减少C O2排放81 1 g/(1 0 0 k m),因此汽车轻量化日益重要。因此在设计时需满足空间布置、强度、刚度、疲劳寿命等要求,且重量越轻越好。对于新能源汽车中的电动汽车,轻量化需求更急迫,为了增加汽车行驶里程及性能,需要增加电池数量或质量,这样在保持相同性能的同时,就需要汽车的轻量化。在市场需求的推动下,高强度钢材、铝合金-镁合金以及作为高分子材料的碳纤维增强塑料C F P R等多种轻型材料在汽车上使用的频率越来越高。1 汽车零部件轻量化方法简介汽车零部件轻量化方法主要有三类,即结构设计轻量化、工艺设计轻量化和材料轻量化。结构设计轻量化是指符合要求性能(含强度、刚度等)条件下的最优结构以及材料使用的最小化。尺寸形状优化是常用手段,在保证结构件的整体性能的同时,对结构件的截面面积和厚度等进行优化。另外拓扑优化在结构设计轻量化具有很大潜力,是近年来研究进展较大、使用较广的结构优化方法,在产品的结构概念设计中应用居多。拓扑优化结构分为为连续型结构和离散型结构,根据待优化结构件与其旁边构件的方位关系来划分设计区域,再在划分好的设计区域中根据材料的力学性能参数建立符合约束条件的目标函数;最后求得材料的最优分布状况和传力最佳途径使得结构的某些性能指标达到最佳1。工艺设计轻量化比现有材料更精细的加工来减少材料的使用量,常见的工艺有液压成型,激光焊接和热冲压成型1。01DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.035内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n材料轻量化是用轻量材质(密度小)来代替现有钢材或部分结合。纵观汽车零部件材料使用,考虑量 产型及价格 竞 争 力,铸 铁、一 般 强 度 钢 材、高 强 度 钢 材、铝、碳纤维复合材料是目前各个汽车企业广泛使用的,且材料技术还在继续开发研究中。钢铁材料是占据汽车大部分质量的经典金属材料,比一般钢材抗拉强度要好的高强度钢材的使用也在各汽车企业中扩大,而且以钢材为中 心 的 技 术 是 汽 车 企 业 的 主 要 研 究 方 向。铝的密度大约是钢材密度的3 4%,轻量性很突出,耐腐蚀性以及热传导性能也很优异,是可以替代钢铁材料的轻量化材料2。碳纤维复合材料是在高分子树脂中以碳纤维来加强成型的材料,作为对轻量化有贡献的新型材料而受到热切关注,它的使用也渐渐有增加的趋势。以一 般 强 度 钢 材 为 基 准,对 比 各 材 料 相 对 重量及成本,高强度钢轻2 0%,铝轻4 0%,碳纤维复合材料轻5 0%。材料费用从低到高的顺序为一般强度钢板、高强度钢 板、铝、碳 纤 维 复 合 材 料。轻 量 化 材 料 相对重量及成本如图1所示2。图1 轻量化材料相对质量及相对费用(资料来源:G r a n dV i e wR e s e a r c h,2 0 1 9)汽车零部件轻量化的方法各有优缺点,其中轻量化效率最高的是材料轻量化,三种方法可以互相结合起来,同步实施,以便达到轻量化设计目标。本文将结合实例分析如何从结构设计轻量化、工艺设计轻量化和材料轻量化等方法开展性能分析,进行轻量化降本设计工作。2 扭转梁安装支架轻量化方案分析某车型为满足整车性能需求,扭转梁衬套硬点布置于大梁外侧,且扭转梁是关键结构件和性能件,对于安装点刚度和强度均有着较高要求,导致车架大梁为扭转梁提供稳固可靠的安装支架难度和成本均大大增加,需设计独立扭转梁安装支架。因受布置、空间和性能需求限制,扭转梁安装支架结构较为异型(图2),在设计时选用铸铁方案,以便提供更可靠的保障(表1),但导致扭转梁安装支架重量大和成本高,重量为Xk g,成本为Y元。该支架原使用至燃油车尚勉强接受,但使用至新能源车型,根据新能源汽车整车性能和轻量化需求,必须进行轻量化设计。但同时保证扭转梁衬套硬点和关键性能需满足设计需求(表1),且不能影响车架大梁大范围更改或成本增加。本文列举三种方案设计和分析,通过方案对比,寻找更优方案。图2 现车型铸铁件表1 现车型铸铁件性能分析设计分析工况1工况2工况3优秀设计需求强度(MP a)应力M a x7 05 01 3 12 0 0整车坐标刚度(k N/mm)X=1.5 A;Y=1.4 B;Z=1.3 CXA;YB;ZC2.1 扭转梁安装支架铸铁件方案分析因铸铁(7.1 t/m3)密度微小于钢件(7.8 5 t/m3),且其材料成本低,铸造生产效率高,轻量化方案仍沿用铸铁工艺,主要采用结构优化设计进行轻量化设计,通过调整内部安装点位置和安装点数量(图3),起到约2 7%轻量化作用。在此基础上进一步进行C A E拓扑优化,在满足性能的要求下,以及结合铸造工艺需求,最终优化结果如图4,性能见表2,拓扑优化起到约2 5%轻量化作用,总轻量化达到0.5 Xk g,成本为0.5 7Y元。未能达到等比例成本下降,原因在于铸铁材料成本虽低,但铸铁件需要进行表面防锈处理,成本约占5%。且铸铁件表面较为粗糙,需要对安装面进行机加工,该产品因安装面较多,机加工费用较高,约占成本的4 05 0%。图3 铸铁件优化方案 图4 铸铁件拓扑方案112 0 2 3年第8期表2 铸铁件拓扑方案性能分析设计分析工况1工况2工况3优秀设计需求强度(MP a)应力M a x7 35 91 5 62 0 0整车坐标刚度(k N/mm)X=1.3 A;Y=1.2 B;Z=1.1 CXA;YB;ZC2.2 扭转梁安装支架钣金拼焊件方案分析