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1、載貨汽車輕量化淺析
摘要:環(huán)境污染,交通事故,能源緊缺等問題的影響,我國在道路運輸發(fā)展新 理念下提出了自己的措施。載貨汽車輕量化已經(jīng)成為載貨汽車行業(yè)的重中之重, 而受到行業(yè)特點的影響,先進的工藝和材料還很難得到有效的利用。將精益設計 思想與結構優(yōu)化設計結合在一起,設計了更加適合載貨汽車行業(yè)發(fā)展的輕量化流 程,為載貨汽車的輕量化提供一個新的途徑。
關鍵詞:載貨汽車;輕量化;淺析
引言
汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,給國家的環(huán)境保護、節(jié)能減排和能源安全等方面帶來 了極大的挑戰(zhàn)。未來汽車技術發(fā)展的方向主要集中在輕量化、智能化、電動化等 方面,其中,汽車輕量化的節(jié)能減排效果最佳,因此,它成為各國政府大力
2、發(fā)展 汽車工業(yè)、提高全球競爭力的必然選擇,更是汽車企業(yè)和整個制造行業(yè)提高核心 競爭力的現(xiàn)實需求。輕量化技術不僅適用于傳統(tǒng)汽車,還可以應用在新能源汽車 上。
1載貨汽車輕量化設計流程
有3個方面需要注意:(1)輕量化不僅僅是CAE工程師的事情,流程中需 要結構工程師、總布置設計師的參與;(2)當判定需要輕量化的零件是否必要 時,要求CAE工程師具有足夠的結構判斷能力,否則將被結構工程師誤導;(3) 當判定是否滿足輕量化目標時,不僅要關注零件的重量和成本,還要關注零件的 強度、剛度、模態(tài)以及安全系數(shù)等相關參數(shù)。
2車身輕量化系數(shù)的優(yōu)化
汽車車架結構形式通常采用邊梁式、中梁式與綜合式3種,對
3、于載貨汽車, 考慮到其載重量、安全性能、零部件的安裝位置等,其車架多采用邊梁式結構。 梁式結構車架的主要承載構件為縱梁與橫梁,縱梁用于承受縱向載荷,橫梁則保 證車架的扭轉剛度,一般載貨汽車車架由2根縱梁和5?6根橫梁組成。
2.1優(yōu)化前車架
車架的縱橫梁連接方式采用螺栓連接,且加強盒采用老式結構,發(fā)動機前支 撐、駕駛室前后支撐、變速箱吊架橫梁結構均未優(yōu)化,導致車架重量大,材料成 本增加,且在縱橫梁連接的螺釘孔附近容易發(fā)生斷裂。通過優(yōu)化設計改進車架縱 橫梁的連接結構、發(fā)動機前支撐、駕駛室前后支撐、變速箱吊架橫梁等的優(yōu)化設 計,在保證汽車的載重和安全性不降低的情況下,使車架減重約15%,通過新
4、材 料、新結構的應用,使單臺車架成本大大降低,對節(jié)能環(huán)保有著重要的意義。
2.2部分必要零件
對于焊合零件,或者多個零件組合在一起實現(xiàn)某一功能,宏觀上是必要零件, 但微觀分析,其中的部分零件為非必要零件,可以取消。為了保證功能實現(xiàn),需 要對保留的零件進行重設計。(1)某載貨汽車的貨箱撐桿固定座。原設計中的 支座與固定架焊接后,共同固定貨箱撐桿。利用精益設計的思想對該結構進行分 析,則固定架為非必要件,支座為必要件,取消固定架,保留支座,并對支座進 行重新設計,新的設計借用了縱梁(必要零件),與縱梁新加的孔共同組成新式 的貨箱撐桿座,實現(xiàn)固定貨箱撐桿的功能。
2.3局部結構的優(yōu)化設計
整
5、體的車身框架結構形成后,還需要依據(jù)車身的剛度、模態(tài)、碰撞等性能, 對局部的細節(jié)結構進行優(yōu)化。在進行頂部強度試驗時,由于局部截面變小,且發(fā) 生明顯彎曲,很容易發(fā)生折斷,不能將頂壓的力很好地傳遞給頂蓋下部的車身骨 架,影響車身性能。針對原車型頂蓋梁的結構弱點,對折彎部位進行優(yōu)化,盡量 保持各個部位結構的均勻變化,提升零件的剛度,在碰撞過程中保證力能夠傳遞 順暢。
3減輕車身質量的方法
3.1高強鋼板的應用
高強度鋼板的應用是車身輕量化的一個重要手段,在載貨汽車新車型的開發(fā) 中,對車身骨架的主要受力部位采用高強度鋼板取代普通鋼板,以達到車身輕量 化的目的。由于地板、前圍、后圍總成基本沿用原車型
6、,因此鈑金材料未發(fā)生改 變,與原車型相同。針對新開發(fā)零件,主要受力部位采用高強度鋼板。
3.2鋁合金
與鋼鐵相比,鋁合金具有質量輕(其密度為鋼的1/3)、耐腐蝕性好、易于加工 等特點,但成本較高,是近20年來在國內外載貨汽車上使用最多的輕量化材料。 常用的包括:鑄造鋁合金一一活塞、氣缸蓋、車輪、離合器蓋、曲軸箱、進氣歧 管等;型變鋁合金一一發(fā)動機罩、貨箱地板、保險杠、車輪、熱交換器(散熱器與 加熱器)、溫度調節(jié)器(冷凝器與蒸發(fā)器)、油冷卻器以及冷藏車廂、保溫車廂、半 掛車的車廂與車架等。歐、美、日等國多年來鋁合金在汽車上的用量平均年增幅 為10%。據(jù)統(tǒng)計,2003年全球每輛汽車用鋁已從19
7、78年的50kg上升為140kg, 增長1.8倍。
3.3降低頂蓋外板材料的厚度
通過拓撲優(yōu)化出合理的車身框架結構,局部結構和接頭剛度的優(yōu)化設計以及 高強度鋼板的應用,在保證車身性能的基礎上,可以降低部分零件的材料厚度, 比如頂蓋外板。原車型頂蓋外板選用的材料是DC04,料厚1.0mm。新開發(fā)車型 采用了加磷高強度鋼板B170P1,其屈服強度為170?240MPa,料厚降低到 0.9mm,減重7.6kg。同時,通過外板與頂蓋骨架梁的連接(焊接或膠接),保證 了頂蓋外板的抗凹性和局部剛度。
3.4米用先進的制造工藝
通過對由不同制造工藝制造的構件進行優(yōu)化分析發(fā)現(xiàn),在各構件性能指標相同 的
8、情況下,先進工藝生產(chǎn)的構件要比傳統(tǒng)工藝的輕很多。目前,輕量化制造工藝技 術主要包括輕量化成型工藝、結構件優(yōu)化連接工藝兩大類。輕量化成型工藝技術 是在保證構件的性能的前提下,通過各種先進的成型方法達到減重的目標。液壓成 型技術、發(fā)泡鋁成型技術、鎂型材的液壓熱擠出工藝和電磁成型技術等新的成型 工藝都是汽車輕量化可借鑒的主要技術方法。而結構件優(yōu)化連接工藝主要是通過 實現(xiàn)部件間的可靠連接實現(xiàn)底盤部件減重。目前,復合連接、超聲點焊、激光焊接 等都具有很成熟的技術,可以考慮應用到底盤結構輕量化設計中。
4國產(chǎn)載貨汽車輕量化材料應用展望
4.1競爭機制的形成
載貨汽車的不少構件用材可多種選擇,這就形成
9、了一種競爭的格局。當前國 內外高強度鋼、鋁合金和塑料在載貨汽車車身外板、車架及車廂部分零部件等方 面的競爭尤為突出。此種競爭必然推動各材料生產(chǎn)廠家提高工藝水平、降低成本, 并推動汽車設計和制造工藝的進步。只要把握好時機,一旦某種材料在技術、經(jīng) 濟及資源上取得了優(yōu)勢,就可使此類部件自身的份額獲得突破性的上升。競爭機 制的形成是推進載貨汽車加速實現(xiàn)輕量化的動力。
4.2性能成本的評價
減輕自質量應滿足3個基本條件:一是不能影響構件的強度和剛度;二是不 能使成本負擔過重;三是修復成本不能太高。設計人員在應用輕量化材料時除進 行強度和剛度等的技術計算外,應進行價值分析(即:價值=功能/價格)。例如
10、, 一種載貨汽車需應用鋁合金來取代鋼制車廂,需獲得多種資料(有關鋼材與鋁合金 型材的售價、兩者造價、燃油費、運價、預期運程、預期空載與滿載比、預期使 用壽命等)作為價值分析的基礎,以此作性能成本的綜合評價。
結束語
實現(xiàn)輕量化是衡量汽車工業(yè)技術成就的重要標志之一,也是業(yè)內人士長期追 尋的技術課題。雖然目前我國輕量化材料的應用與國際先進水平尚有差距,但我 們相信只要制定政策、明確目標、措施得力,國產(chǎn)載貨汽車輕量化的進展速度將 很快,其新產(chǎn)品也將會以嶄新的面貌出現(xiàn)在人們面前。
參考文獻
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