肖榮光

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003）

0 引言

汽車(chē)平臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展成熟，近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)技術(shù)進(jìn)步及零部件供應(yīng)鏈逐步健全，自主品牌相繼建立了自有的開(kāi)發(fā)平臺(tái)[1]。鋁合金車(chē)身技術(shù)是車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)的重要途徑，隨著新能源汽車(chē)的市場(chǎng)份額逐年擴(kuò)大，鋁合金材料將更多地應(yīng)用到車(chē)身設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。未來(lái)的車(chē)身材料應(yīng)用不僅僅局限于普通鋼、高強(qiáng)鋼，將更多地加入鋁合金、碳纖維。新材料的應(yīng)用給原有車(chē)身設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)規(guī)程帶來(lái)新的變化，包含材料類(lèi)型、連接技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多方面的新技術(shù)新工藝。無(wú)論何種材料的應(yīng)用，車(chē)身平臺(tái)開(kāi)發(fā)的大趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)，因此以鋁合金材料為主的車(chē)身平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)順應(yīng)時(shí)代潮流。本文依托公司近年來(lái)承接的鋁合金車(chē)身開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的開(kāi)發(fā)案例，論述了鋁合金車(chē)身平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，以及設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)。

1 鋁合金車(chē)身平臺(tái)概述

鋁合金車(chē)身平臺(tái)是以平臺(tái)技術(shù)為大背景的車(chē)身設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)策略，全部或部分關(guān)重零部件使用鋁合金材料，具備平臺(tái)可延展屬性。目前，鋁合金材料在全新平臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用非常豐富，結(jié)構(gòu)形式存在三大主要類(lèi)型：1）鋁合金鑄件。代表零部件有減震器塔座、各類(lèi)連接件、副車(chē)架等。2）鋁合金型材。代表零部件有前后防撞梁、機(jī)艙縱梁、門(mén)檻梁、座椅橫梁、電池包框架等。3）鋁合金板材。代表零部件有前壁板、地板、裙板、各類(lèi)封板、電池包蓋板等。

鋁合金車(chē)身平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)涵蓋兩大方面的內(nèi)容：一方面是平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)容，概述為運(yùn)用合適的平臺(tái)策略通過(guò)合理的布置設(shè)計(jì)達(dá)成模塊化、通用化設(shè)計(jì)的目的；另一方面是鋁合金車(chē)身制造技術(shù)內(nèi)容（如圖1），概述為運(yùn)用合適的鋁合金材料并通過(guò)合理的工藝手段達(dá)成鋁合金車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。鋁合金乘用車(chē)車(chē)身平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)是龐大的系統(tǒng)工程，限于篇幅，本文僅從三方面內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)要點(diǎn)論述,分別是平臺(tái)技術(shù)方向的平臺(tái)布置設(shè)計(jì)、車(chē)身技術(shù)方向的連接鑄件和型材斷面設(shè)計(jì)。

圖1 鋁合金車(chē)身制造技術(shù)內(nèi)容

2 鋁合金車(chē)身平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

2.1 輕量化優(yōu)勢(shì)

鋁合金車(chē)身平臺(tái)首要優(yōu)勢(shì)是鋁合金材料的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了車(chē)身輕量化，本文以某中大型純電動(dòng)SUV鋁合金車(chē)身為例，進(jìn)行輕量化優(yōu)勢(shì)說(shuō)明。整車(chē)車(chē)格尺寸為4900 mm×1920 mm×1750 mm，其白車(chē)身設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其主要零部件材料應(yīng)用類(lèi)型如表2所示。

表1 某SUV鋁合金白車(chē)身設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

表2 某SUV鋁合金白車(chē)身主要零部件材料應(yīng)用類(lèi)型

達(dá)成如表1所示的白車(chē)身設(shè)計(jì)參數(shù)目標(biāo)，采用“上鋼下鋁”的設(shè)計(jì)方案（如圖2），其總質(zhì)量為332 kg。如進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，保留使用熱成型鋼和高強(qiáng)度鋼，將普通鋼板替換為鋁合金板材，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)及結(jié)構(gòu)拓?fù)浞椒ㄟM(jìn)行材料厚度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)近似“全鋁”的設(shè)計(jì)方案（如圖3），其總質(zhì)量為298 kg。

圖2 某SUV鋁合金白車(chē)身“上鋼下鋁”設(shè)計(jì)方案

圖3 某SUV鋁合金白車(chē)身“全鋁”設(shè)計(jì)方案

對(duì)比車(chē)格尺寸同級(jí)的鋼制白車(chē)身，其總質(zhì)量通常為460 kg左右。白車(chē)身由上車(chē)體和下車(chē)體兩部分組成。以“上鋼下鋁”及“全鋁”兩種設(shè)計(jì)方案與車(chē)格尺寸同級(jí)的鋼制白車(chē)身進(jìn)行減重率對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示。顯而易見(jiàn)，不論使用哪種材料應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，鋁合金車(chē)身輕量化優(yōu)勢(shì)非常顯著。

圖4 材料應(yīng)用設(shè)計(jì)方案減重率對(duì)比

2.2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化優(yōu)勢(shì)

車(chē)身平臺(tái)設(shè)計(jì)以下車(chē)體為關(guān)鍵要素，下車(chē)體由梁、支柱、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件、小型支架、封板等構(gòu)件組成，其結(jié)構(gòu)適合采用鋁合金型材、鑄件、板材。應(yīng)用鋁合金車(chē)身技術(shù)，使得原有復(fù)雜鋼制鈑金拼焊車(chē)身結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。以前地板為例，原鋼制結(jié)構(gòu)前地板由16個(gè)主要沖壓零部件拼焊而成，而應(yīng)用鋁型材和鋁板結(jié)構(gòu)的前地板，主要零部件縮減到9個(gè)，而且各零部件型面規(guī)則，易于制造，如圖5所示。減少的零部件數(shù)量及規(guī)則的型面意味著模、夾、檢具制造成本的降低。因此，僅從工裝成本而言，結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化給鋁合金車(chē)身技術(shù)帶來(lái)明顯的制造成本優(yōu)勢(shì)。

圖5 鋁合金前地板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化對(duì)比

2.3 延展成本優(yōu)勢(shì)

下車(chē)體與造型相關(guān)度小，與底盤(pán)布置相關(guān)度大，在底盤(pán)平臺(tái)帶寬范圍內(nèi)延展，可以實(shí)現(xiàn)最小范圍的變更。鋁合金車(chē)身平臺(tái)梁系廣泛使用型材，因?yàn)樾筒牟捎玫氖菙D出工藝，加長(zhǎng)和縮短沒(méi)有模具的投入，具有得天獨(dú)厚的成本優(yōu)勢(shì)。如圖6所示，某A00級(jí)電動(dòng)汽車(chē)鋁合金下車(chē)體框架結(jié)構(gòu)采用鋁合金型材與鑄件組合，軸距變更時(shí)僅需調(diào)整縱梁中段長(zhǎng)度；輪距變更時(shí)，僅需調(diào)整各個(gè)橫梁寬度，對(duì)封板結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性加長(zhǎng)或加寬。因此，鋁合金車(chē)身技術(shù)應(yīng)用到同平臺(tái)多車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，零部件模塊化、通用化效果顯著，可有效降低開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

圖6 某A00車(chē)身平臺(tái)延展策略

3 鋁合金車(chē)身平臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 平臺(tái)布置設(shè)計(jì)

目前鋁合金車(chē)身主要應(yīng)用于全新電動(dòng)汽車(chē)平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，相比傳統(tǒng)燃油汽車(chē)平臺(tái)設(shè)計(jì)以零部件最大通用化率為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)而言，有著更深層次的設(shè)計(jì)需求。全新電動(dòng)汽車(chē)平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)以最大效率發(fā)揮整車(chē)關(guān)鍵性能，如續(xù)航里程、碰撞安全、熱能管理、底盤(pán)行駛等性能為主。目前，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成化和模塊化為新材料的應(yīng)用和輕量化設(shè)計(jì)創(chuàng)造有利條件。舉例說(shuō)明：如圖7所示，采用鋁合金型材結(jié)構(gòu)的縱梁，因型材不能Z向折彎，轉(zhuǎn)向拉桿包絡(luò)和傳動(dòng)軸包絡(luò)決定了縱梁最低位置。如圖8所示，得益于電驅(qū)動(dòng)總成靈活布置，例如反置，并將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)前置，驅(qū)動(dòng)軸位置縱梁挖缺避讓?zhuān)梢詫?shí)現(xiàn)縱梁離地高度的降低?？v梁離地高度降低，縱梁與門(mén)檻梁高差縮小，碰撞傳力更為集中，能有效規(guī)避碰撞過(guò)程中縱梁根部失穩(wěn)的問(wèn)題[2]。特斯拉model、蔚來(lái)ES8車(chē)型鋁合金車(chē)身設(shè)計(jì)中均有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。鋁合金車(chē)身因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能、工藝要求等各方面因素，有著更強(qiáng)烈的空間需求。因此，各系統(tǒng)零部件應(yīng)集成化設(shè)計(jì)并最優(yōu)化布置，為車(chē)身平臺(tái)設(shè)計(jì)創(chuàng)造有利空間條件。

圖7 傳統(tǒng)機(jī)艙布置架構(gòu)示意

圖8 創(chuàng)新機(jī)艙布置架構(gòu)示意

3.2 連接鑄件設(shè)計(jì)

連接鑄件設(shè)計(jì)對(duì)鋁合金車(chē)身剛度、強(qiáng)度、碰撞能量吸收、平臺(tái)空間布局，關(guān)鍵點(diǎn)位精度起到至關(guān)重要的影響。鋁合金車(chē)身平臺(tái)下車(chē)體共計(jì)分布六大鑄件，分別是左右減震器塔座鑄件、左右前縱梁連接鑄件、左右后縱梁連接鑄件。傳統(tǒng)鋼制車(chē)身鈑金隨形避讓能力強(qiáng)。型材的加工是擠出工藝，折彎和回彈控制是生產(chǎn)工藝的難點(diǎn)。車(chē)體作為裝配基體，焊裝精度要求較高，應(yīng)避免型材3D彎曲。在連接部位（如前縱梁和門(mén)檻梁部位的連接），鋁合金鑄件的使用就尤為必要[3]。在連接鑄件設(shè)計(jì)過(guò)程中可以采用結(jié)構(gòu)拓?fù)浞椒ㄟM(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)、前碰、側(cè)碰等單一工況和由單一工況疊加的多種復(fù)合工況加載分析。首先根據(jù)鑄件周邊布置條件和搭接需求確定初始設(shè)計(jì)邊界；然后按照應(yīng)變最小原則，得出各種工況下連接鑄件加強(qiáng)筋的分布情況；最后綜合考慮成型要求，確定加強(qiáng)筋分布和厚度[4]。在連接鑄件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需特別重視碰撞安全性能指標(biāo)分析。如圖9所示，某SUV鋁合金車(chē)身在ODB碰撞仿真分析中，縱梁根部鑄件位置出現(xiàn)嚴(yán)重折彎。造成該問(wèn)題的原因有兩個(gè)：1）碰撞后期型材很難繼續(xù)在截面方向被壓潰，吸能效果減弱；2）如圖10、圖11對(duì)比所示，新能源鋁合金車(chē)身因電池包布置需求取消了兩條地板縱梁及多條加強(qiáng)橫梁，傳力路徑縮減，碰撞力由縱梁經(jīng)鑄件直接傳遞給門(mén)檻梁，加之車(chē)身平臺(tái)設(shè)計(jì)存在縱梁與門(mén)檻梁高差過(guò)大的缺點(diǎn)。兩方面因素共同導(dǎo)致連接鑄件失穩(wěn)折彎問(wèn)題的發(fā)生?？朔鲜鰡?wèn)題，需對(duì)連接鑄件進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，甚至新建加強(qiáng)件以應(yīng)對(duì)應(yīng)力集中，上述方式屬于打補(bǔ)丁的策略，質(zhì)量成本均有增加。本文所倡導(dǎo)的是在鋁合金車(chē)身平臺(tái)設(shè)計(jì)伊始，盡可能地降低縱梁離地高度，減小縱梁與門(mén)檻梁高差，以?xún)?yōu)化碰撞力傳力路徑，避免上述問(wèn)題的發(fā)生。

圖9 某鋁合金車(chē)身SUV碰撞仿真連接鑄件失穩(wěn)

圖10 燃油鋼制車(chē)身碰撞傳力路徑

圖11 新能源鋁車(chē)身碰撞傳力路徑

3.3 型材截面設(shè)計(jì)

鋁合金車(chē)身平臺(tái)設(shè)計(jì)中，型材用量最大，規(guī)格最多。車(chē)身用材型大部分以6系鋁合金為主，少數(shù)部位，如前防撞梁使用7系高強(qiáng)度鋁合金[5]。型材截面設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足模具要求，精度要求，輕量化要求，剛度、強(qiáng)度要求，碰撞安全要求等。首先根據(jù)型材周邊布置條件和搭接需求確定截面邊界；然后對(duì)于型材內(nèi)加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)可以采用結(jié)構(gòu)拓?fù)浞椒ㄟM(jìn)行單一工況和復(fù)合工況的加載分析，得出各工況下加強(qiáng)筋的最優(yōu)化分布；最后根據(jù)安裝需求和成型要求，確定型材截面形狀和厚度[4]。需要指出的是，當(dāng)設(shè)計(jì)積累較多時(shí)，可總結(jié)形成鋁合金型材截面庫(kù)和規(guī)格庫(kù)，以模塊化的方式提高設(shè)計(jì)效率和降低開(kāi)發(fā)成本，體現(xiàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的宗旨。

4 結(jié)語(yǔ)

本文論述了鋁合金車(chē)體平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的概念、優(yōu)勢(shì)，并著重介紹其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。對(duì)標(biāo)國(guó)內(nèi)外新型的鋁合金縱梁結(jié)構(gòu)并在平臺(tái)布置層面進(jìn)行剖析。鋁合金鑄件和型材是車(chē)身的主要梁系和接頭結(jié)構(gòu)，是車(chē)身承載力的主要部件，針對(duì)二者設(shè)計(jì)思路及方法，進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述。對(duì)于在鑄件結(jié)構(gòu)碰撞安全性能開(kāi)發(fā)領(lǐng)域所遇到的問(wèn)題，基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合平臺(tái)布置設(shè)計(jì)內(nèi)容，著力強(qiáng)調(diào)降低縱梁離地高度，減小縱梁與門(mén)檻梁高差的規(guī)避措施。本文所呈現(xiàn)的鋁合金車(chē)體平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)內(nèi)容具備一定的工程參考意義。