车辆底盘轻量化探究验证

摘要：我国的汽车工业在近些年得到了快速的发展，汽车底盘对于汽车组成具有重要的作用，其重量的大小很大程度上决定了汽车的油耗。因此，汽车底盘的轻量化是汽车工业的一个重要的发展方向。文章从近年来汽车底盘轻量化发展切入，从汽车的结构梁等结构设计方面进行轻量化的优化设计，并通过科学的试验对汽车底盘轻量化的实用效果进行了验证，希望为汽车工业的发展提供技术参考。

前言

在我国汽车工业快速发展的背景下，其对于环境的污染等问题受到了人民群众越来越多的关注。降低汽车油耗是各汽车企业目前科研工作的主要方向。汽车底盘的重量可以占到汽车总重的30%左右，经过权威机构研究，汽车自重降低10%，其油耗可以降低15%左右。汽车底盘轻量化对于节约汽车油耗，实现汽车安全运行具有十分重要的意义，因此，各国都在对汽车底盘轻量化问题进行研究探索。

1 汽车底盘轻量化国内外发展现状

随着国内外汽车保有量的不断增加，汽车已经走进了千家万户，在给人们带来舒适便利的同时，汽车尾气的排放成为了困扰各国政府的一个主要问题。我国汽车的保有量也从2005年的500万辆左右提高到了2016年2500万辆，短短十年间，汽车保有量提升了5 倍的数量，这对于环境的压力是不可估量的。因此，如何通过汽车底盘的轻量化改革来减少汽车尾气的排放，成为了各国汽车企业重点研究的目标，同时对于环境的发展具有十分重要的意义。

国外自上世纪90年代以来，开始进行汽车轻量化的设计改革，多种轻量的汽车型号投入到了生产当中。1998年，德国大众汽车首次实现了汽车总重900公斤-990公斤的目标，大众汽车因此在油耗方面取得了较大的竞争优势。美国在2009制定了有关措施与目标，计划在2018年实现国内汽车小型卡车及客车油耗小于每100公里6.6升。这就意味着美国将会在目标年限内降低接近18亿桶原油的消耗，这对于大气的改善作用十分巨大。铝合金材料具有易于成型，密度较小及较强的耐腐蚀性等性能，随着大量技术的日渐成熟，这些良好的铝合金产品越来越的得到汽车生产厂商的认可，并被大量的生产。多种铝合金底盘工艺被广泛的应用于各类大型品牌。奔驰、宝马、奥迪等众多大型国外品牌车型采用铝合金进行生产，铝合金车架实现了车辆的轻量化，其轻量化效果能达到40%。

图 1 2010-2017年中国汽车销量及增速

图 2 2010-2017年中国汽车产量及增速

我国近些年紧跟国际的步伐，开始在汽车轻量化的改革中进行不断尝试，我国对镁合金等轻质材料进行了专业的实验研究，在条件已经成熟的情况下，开始将轻质材料用于汽车底盘的加工生产之中。各大高校和科研单位也不断的加入到了轻质材料的研究工作当中，进行了汽车底盘轻质材料应用的研究，最新的科研成果不断涌现，在轻质材料的强度、刚度的提升等方面处于国际领先的位置。镁合金材料已经通过了实验室的研究，开始进展到了量化生产的阶段，镁合金也得到了越来越多汽车企业的应用，其适用范围也是比较广泛的，不光可以应用到汽车底盘当中，也可以使用在座椅等位置。

我国另一个轻量化材料研发的重点是热成型高强度钢材，主要运用在汽车的防撞配件上，我国某一品牌的车辆热成型高强度钢材的使用率已经超过了10%，经过汽车运行的分析，发现该材料不仅可以起到很好的轻量化的效果，同时在提高汽车的强度和刚度等方面也具备一定的优势。另一方面，我们也要正视差距，与欧美先进的汽车生产国相比，该项技术还具有很大的差距，这就要求我们的汽车研发人员要多借鉴先进经验，不断进行交流合作，提升我国汽车轻量化生产的质量。

通过以上的论述，我们可以看出我国在汽车底盘轻量化改革上做了大量的工作，在汽车底盘材料轻量化方面取得了一定的成果。除了汽车生产企业外，各相关高校和科研单位也应加强汽车底盘轻量化方面的研究力度，使得我国汽车产业能够跟上国际的步伐，在汽车轻量化生产，特别是构件生产工艺优化中做出自己的贡献。

2 汽车底盘轻量化技术优化分析

一辆标准的汽车由动力系统、电气系统、底盘系统等多种设备体系构成，汽车底盘的重量大约可以占到汽车重量的30%，通过对汽车底盘轻量化的优化设计对于汽车节油具有十分重要的意义。汽车底盘因为必须具有很强的支撑能力，所以用于装配汽车底盘的配件需要具备较高的要求。对于汽车底盘轻量化的优化途径首先选择的是材料的轻量化设计，如使用轻质的镁铝合金材料代替钢材料。从汽车底盘加工的成型技术入手进行改革，采用高强冲压，将配件放入热加工炉中加热4分钟。使配件均匀奥氏体化，用机械手臂将其取出，然后迅速转移到热冲压模具上快速冲压成形，汽车底盘配件的强度可以达到1200兆帕。在汽车底盘的构造中，主要有U形、W形和V形三种形式的冲压梁。三种形式的汽车底盘冲压梁在汽车构造中起到了不同的作用，U形梁是最常见的一种汽车底盘纵梁的结构形式，V形梁是汽车底盘防撞结构的主要形式，V形梁对于提高汽车整体性具有十分重要的作用，其作为中间结构对于汽车的刚度和强度的提升都有十分积极的作用。V形梁在提升汽车整体强度的前提下，其材料的重量也具有很大的优势，是汽车底盘进行轻量化设计的一个很好的选择。W梁是为了减少横截面跨度大、应力集中的问题产生的，这样不仅使得结构的刚度有了很大的提升，在安全性方面也超过了V形梁的作用，因此W形梁的结构越来越多的用于汽车底盘的设计与制造当中。U形、W形和V形冲压梁的力学性能如表1所示。

表 1 U形、W形和V形冲压梁的力学性能对比表

汽车底盘的结构在加工成型后，还可以继续进行结构的优化，来提升汽车底盘的轻量化，优化的方式主要是在构件的外形方面进行加工和改变，比如通过构件空心化加工，减小构件的尺寸等方法。在汽车底盘的设计中，使用圆形孔的方式是比较常用的一种手段，圆形可以使得构件所受应力能够均匀的分布，同时还可以减少材料的使用，最大限度的进行汽车底盘轻量化的革新。圆形构件形式如图3所示。

图 3 汽车底盘圆形构件形式图

3 汽车底盘轻量化结构模型分析

首先使用HYPERMESH软件进行前处理建模，然后用NASTRAN软件进行计算，最后用HYPERMVIEW进行后处理。通过模型的优化，对比汽车底盘U形梁在不同的结构设计条件下应力的大小情况。试验建模使用的U 形梁的形式如图4所示，对于该构件的受力、材料性能等情况进行赋值。然后通过U形梁形状的改变进行前后的对比，将其中使用的方形孔改进成圆形孔，通过计算对改进前后的力学性能进行对比。通过结果的分析，我们可以看出，U形梁结构改进前，其所受的最大应力达到了149兆帕，而对其进行了一个圆形孔的改造后，其最大的应力减小到了67兆帕。对汽车底盘进行轻量化改造，其前提就是提升汽车运行的安全性，通过汽车底盘结构的模型实验分析，可以看出，方形孔比较容易聚集应力，可以采用圆形孔的改造改变构件的应力集中问题，这对于U形梁的强度提升具有十分重要的意义。

图 4 U形梁改造前后示意图

4 结束语

汽车底盘轻量化对于节约汽车油耗，实现汽车安全运行具有十分重要的意义，因此，各国都在对汽车底盘轻量化问题进行研究探索，本位介绍了U形梁、V形梁及W形梁等三种结构梁的主要受力特征，同时证明了构件上的圆形孔改造非常有利于解决汽车构件应力集中的问题。因此，在汽车底盘轻量化改革的过程中，首先应使用更加轻质的材料进行汽车底盘的生产，同时应不断通过实验调整汽车底盘结构配件的形状，解决其应力集中的问题，这样才能在安全运行的情况下，提升汽车底盘的轻量化特征。

本文来自：《汽车实用技术》

作者：巩梅