田歡樂(lè) 胡洪 陳海 陳志洋 葉家富

摘 要：在汽車底盤零部件輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)輕量化解決方案中的新材料應(yīng)用和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)主要途徑進(jìn)行研究，以汽車底盤前懸擺臂輕量化設(shè)計(jì)為例，在同等工況條件下，一方面提出了采用高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的材料應(yīng)用方案;另一方面提出以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的雙片扣合式和單片式的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立高強(qiáng)度鋼與雙片扣合式、超高強(qiáng)度鋼與單片式數(shù)學(xué)仿真模型。然后采用CAE方法對(duì)前懸擺臂L1、L2級(jí)工況進(jìn)行分析對(duì)比。仿真結(jié)果表明：采用超高強(qiáng)度鋼與單片式方案比高強(qiáng)度鋼與雙片扣合式方案具有更好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間，更好體現(xiàn)出零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化。采用超高強(qiáng)度鋼方案輕量化方案較高強(qiáng)度鋼減輕21%，輕量化解決方案效果明顯。

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)度鋼;輕量化;底盤;前懸擺臂;雙片式;單片式

Abstract： In the process of lightweight design of automotive chassis components， the application of new materials in lightweight solutions and structural optimization design are studied. Taking the lightweight design of front cantilever of automotive chassis as an example， under the same working conditions， on the one hand， the material of using high strength steel and ultra-high strength steel is proposed. On the other hand， it is proposed that the structural design should be carried out in the way of double-slice fastening and single-slice fastening， and the mathematical simulation models of high strength steel and double-slice fastening， ultra-high strength steel and single-slice are established. Then the CAE method is used to analyze and compare the L1 and L2 working conditions of the front cantilever. The simulation results show that the ultra-high strength steel and monolithic scheme have better structure optimization space than the high strength steel and double-piece buckle scheme， and better reflect the thin-walled， hollow， miniaturized and composite parts. The lightweight scheme of ultra-high strength steel is 21% less than that of high strength steel， and the lightweight solution has obvious effect.

1 引言

在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性能，減少燃料消耗，降低排氣污染。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整車重量減少100Kg相應(yīng)油耗降低0.4L/100Km，CO2排量降低-10g/100km，因此輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流和趨勢(shì)[1]。

汽車輕量化技術(shù)是設(shè)計(jì)、材料與制造技術(shù)的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要途徑主要有兩個(gè)途徑：（1）新材料應(yīng)用：主要采用輕量化材料和輕量化材料成型技術(shù)，以達(dá)到減輕零部件重量的目的。（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)等。其中材料輕量化包括高強(qiáng)鋼、鎂合金、鋁合金、工程塑料及其復(fù)合材料和陶瓷材料等應(yīng)用[2]。

本文主要從材料輕量化（高強(qiáng)度鋼）和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)方面探討高強(qiáng)鋼在汽車底盤零部件方面的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)整車的輕量化。

2 超高強(qiáng)度在汽車零部件應(yīng)用概述

隨著汽車材料技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代汽車制造材料的構(gòu)成也在不斷發(fā)生變化。以現(xiàn)代轎車用材為例，按照重量換算，鋼材占汽車自重的55%～60% ，鑄鐵占5%～12%，有色金屬占6%～10%，塑料占8%～12%，橡膠占4%，玻璃占3%，其他材料（油漆、各種液體等）占6%～12%。汽車應(yīng)用材料比例如圖1所示。

由于鋼鐵材料在強(qiáng)度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優(yōu)越，其在汽車材料中的主導(dǎo)地位仍是不可動(dòng)搖的。但高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，如汽車車身、底盤、懸架、轉(zhuǎn)向等零部件上，將繼續(xù)有較大增長(zhǎng)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，高強(qiáng)度鋼在汽車底盤件上應(yīng)用相對(duì)于普通鋼材減重約30%，相對(duì)鋁合金成本約低于30%。

高強(qiáng)度鋼在汽車零部件應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）采用高強(qiáng)度鋼板可以達(dá)到減薄車身用板的厚度和重量的目的， 在輕量化的同時(shí)，增加了安全性能。據(jù)相關(guān)資料數(shù)據(jù)表明，當(dāng)鋼板厚度分別減小0.05mm、0.01mm和0.15mm時(shí)，車身減重分別為6%、12%和18%。（2）高強(qiáng)度鋼一般是指冷軋340MPa、熱軋490MPa以上的鋼，這些新型高強(qiáng)度鋼板具有較低的屈強(qiáng)比、較好的應(yīng)變分布能力和較高的應(yīng)變硬化特性，同時(shí)高強(qiáng)度鋼板的力學(xué)性能更加均勻，從而具有更好的碰撞特性和更高的疲勞壽命。

高強(qiáng)鋼可分為傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼（CHSS）和先進(jìn)高強(qiáng)（AHSS。常用的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼主要有復(fù)相（CP）鋼、雙相（DP）鋼、相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼和孿生誘發(fā)塑性（TWIP）鋼等幾種。傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋼多是通過(guò)固溶處理和晶粒細(xì)化達(dá)到強(qiáng)化效果的。目前常用的傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼為：高強(qiáng)度 IF 鋼（HSIF）、烘烤硬化（BH）鋼、冷軋各向同性（IS）鋼、冷軋高強(qiáng)度含 P 鋼和高強(qiáng)度低合金（HSLA）鋼。

3 超高強(qiáng)度鋼底盤零部件輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)用

超高強(qiáng)度鋼在汽車底盤零部件中的應(yīng)用是比較廣泛的，以汽車前懸架中工況較復(fù)雜的前懸架擺臂設(shè)計(jì)為例。某車型前擺臂方案設(shè)計(jì)CAE性能分別以L1和L2級(jí)工況為輸入條件，L1和L2級(jí)工況分別見(jiàn)表1、表2。

前懸架擺臂設(shè)計(jì)過(guò)程中擺臂本體可以通過(guò)選擇不同的材料進(jìn)而采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，滿足L1和L2級(jí)工況要求[3]。以下對(duì)前懸架擺臂本體分別采用高強(qiáng)度鋼、超綱強(qiáng)度鋼進(jìn)行不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)思路見(jiàn)表3：

以下針對(duì)兩種思路分別進(jìn)行設(shè)計(jì)分析研究：

（1）思路一：前懸架擺臂本體材料常用的高強(qiáng)度剛SAPH370、SAPH400、SAPH440、QStE360、QStE380、QStE420、QStE460，經(jīng)過(guò)性能、成本、工藝等因素綜合要求[5][6]，選取材料QStE460及雙片扣合結(jié)構(gòu)形式經(jīng)CAE分析滿足要求[7]，CAE仿真分析如下。

L1級(jí)工況分析如下：

根據(jù)CAE仿真選取前懸架擺臂在L1級(jí)工況下，選取Fx、Fy、Fz、MZ_LE、MZ_TE、nFZ各個(gè)方向塑性變形最大值與L1級(jí)工況塑性應(yīng)變應(yīng)要求對(duì)比分析結(jié)果如表4所示。

根據(jù)CAE仿真選取前懸架擺臂在L2級(jí)工況下，選取Fx、Fy、Fz、nFZ各個(gè)方向應(yīng)力最大值與應(yīng)力要求對(duì)比分析結(jié)果如表5所示。

前懸架擺臂本體采用材料QStE460及雙片扣合結(jié)構(gòu)形式在滿足L1、L2級(jí)工況下，結(jié)構(gòu)圖示及設(shè)計(jì)重量見(jiàn)表6：

（2）思路二：前懸架擺臂本體材料常用的超高強(qiáng)度剛SAPH590、SAPH780、SAPH440、QStE550、QStE600、780HB，經(jīng)過(guò)性能、成本、工藝等因素綜合要求，選取材料780HB及單片式的結(jié)構(gòu)形式經(jīng)CAE分析滿足要求，經(jīng)雙片式結(jié)構(gòu)分析可以看出風(fēng)險(xiǎn)工況為L(zhǎng)1、L2級(jí)工況Fx、Fy向，現(xiàn)將風(fēng)險(xiǎn)工況仿真分析結(jié)果例舉如下。

L1級(jí)工況分析如下：

根據(jù)CAE仿真選取前懸架擺臂在L1級(jí)工況下，風(fēng)險(xiǎn)工況方向Fx、Fy各個(gè)方向塑性變形最大值與L1級(jí)工況塑性應(yīng)變應(yīng)要求對(duì)比分析結(jié)果如表7所示。

L2級(jí)工況分析如下：

根據(jù)CAE仿真選取前懸架擺臂在L2級(jí)工況下，選取風(fēng)險(xiǎn)工況方向Fx、Fy各個(gè)方向最大應(yīng)力與要求值對(duì)比分析結(jié)果如表8所示。

前懸架擺臂本體采用材料780HB及單片式的結(jié)構(gòu)形式在滿足L1、L2級(jí)工況下，結(jié)構(gòu)圖示及設(shè)計(jì)重量見(jiàn)表9：

4 CAE仿真結(jié)果分析

在同等工況及重量要求下，分別采用高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼對(duì)某車型前擺臂進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析得出以下結(jié)果：

（1）采用高強(qiáng)度鋼QStE460和超高強(qiáng)度鋼780HB進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析均可以滿足L1、L2級(jí)工況要求;

（2）采用高強(qiáng)度鋼時(shí)需要采用上、下兩個(gè)片體進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)力集中及塑性變形強(qiáng)的區(qū)域還需要局部增加加強(qiáng)件等措施，而采用超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)則直接采用單片式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在應(yīng)力集中及塑性變形強(qiáng)的區(qū)域只需要修改該區(qū)域曲面造型增強(qiáng)強(qiáng)度即可。

（3）采用超高強(qiáng)度鋼設(shè)計(jì)前懸架擺臂重量比采用高強(qiáng)度鋼設(shè)計(jì)后的重量要減輕約21.2%，提升了底盤件在輕量化設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

5 結(jié)論

（1）同等工況下，超高強(qiáng)度鋼與高強(qiáng)度鋼在前懸架擺臂設(shè)計(jì)上更好體現(xiàn)出零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)更能實(shí)現(xiàn)。

（2）同等條件下，超高強(qiáng)度鋼與高強(qiáng)度鋼在不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化之下，前者設(shè)計(jì)重量能夠比后者減輕21.2%，提供了高強(qiáng)度鋼在底盤件上的輕量化解決方案。

（3）根據(jù)材料本身性能相比而言，超高強(qiáng)度鋼延伸率不及高強(qiáng)度鋼。因此在沖壓成型時(shí)拉延深度比較大的零部件容易出現(xiàn)開(kāi)裂等缺陷，因此采用超高強(qiáng)度鋼在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就需要更加關(guān)注沖壓CAE成形分析。

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