钱占伟;耿富荣;雷发常;谢然
【摘 要】白车身减重作为汽车轻量化设计过程中的重要环节之一,是在保证车身刚度、NVH、碰撞安全、强度耐久等重要车身性能指标的前提下,对车身重量与成本进行的最优化设计过程.通过一款车型减重实例,介绍了几种有效的白车身减重方法.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2012(041)006
【总页数】4页(P133-136)
【关键词】白车身;减重;轻量化;车身性能
【作 者】钱占伟;耿富荣;雷发常;谢然
【作者单位】广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 510640;广州汽车集团股
份有限公司汽车工程研究院,广东广州 510640;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 510640;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 510640
【正文语种】中 文
【中图分类】U462.2
0 前言
随着汽车保有量的增加，一方面汽车成为方便、快捷和高效的交通工具，改变了人们的生活和工作方式；另一方面，也增加了能源的消耗，加重了尾气和噪声等环境污染和对交通安全的危害，汽车行业面临着节能、安全和环保的巨大压力。汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；若滚动阻力减少10%，燃油效率可提高3%[1-2]。车身占整个汽车制造成本60%，占汽车总重量的30%～40%，空载情况下，70%的油耗消耗在车身质量上[3]，因此对车身结构轻量化设计方法进行研究具有重要意义。
车身作为车辆的承载部分，零件数目繁多且多为不规则形状，从结构上可以看作一个较为复杂的力学模型，如何对零件数目繁多且力学模型复杂的车身进行有效的减重设计已成为
目前车身开发领域的研究方向。本文通过某款车型的车身减重实例，介绍一种行之有效的减重控制与管理方法，减少在车身减重过程中的盲目性。
本文通过介绍如何合理选取减重对象，并以白车身第一阶模态、白车身扭转刚度、白车身弯曲刚度、碰撞安全、以及零件的工艺性为约束对象，对选取的减重对象通过结构优化、新材料应用、新工艺应用等方法，对白车身进行减重优化设计。
减重作为轻量化设计的一部分，通常在白车身设计开发阶段的中后期完成，一般此时已经具有成型的白车身产品设计，并具备了一系列的白车身性能指标。所以在此阶段进行的减重首先应针对这一系列现有的白车身性能指标进行评估，并将这一系列白车身性能指标作为选取减重对象的依据；而在减重过程中，也同样需要依据白车身性能满足目标设定的原则进行优化，通常根据减重前后的轻量化系数进行减重成效对比。
车身结构轻量化系数越小，说明单位性能指标付出的重量成本越低，其定义为：
其中：M是白车身重量（kg），CT是白车身静态扭转刚度（N·m/deg），A是由轴距、轮距决定的白车身投影面积（m2），如图1所示。
图1 车身结构轻量化系数计算示意图
1 白车身减重设计实例
1.1 白车身减重设计流程
某车型开发的车身结构轻量化设计流程如图2所示。该流程以车身刚度、模态性能为导向，能够充分考虑对已经满足设计要求的强度和碰撞安全等性能尽可能影响小。在此减重设计流程中，我们将选取的需要减重的零部件命名为减重设计变量，以此车型为例，通过白车身一系列性能指标的评估，共选取55个零件作为减重设计变量。
图2 车身结构轻量化设计流程
1.2 车身减重方法介绍
制定完减重设计变量后，减重过程中不仅要考虑设计变量重量的降低，同时需要兼顾设计变量刚度、强度等性能，从而保证减重后的设计变量在整个白车身系统中能够发挥有效结构性。以某款车型减重设计为例，主要减重方法有：（1）整体优化设计，提高结构的连续
性，减少多余重量；（2）零件局部优化，通过增加减重孔达到减重目的；（3）优化零部件厚度，运用薄板替代厚板达到减重目的；（4）利用激光拼焊工艺，减少零件多余重量。
（1）整体优化设计，提高车身结构的连续性，减少多余重量
以某车型A、B柱形成的乘员舱加强结构为例，通过对A、B柱重要结构件的优化，共完成4.8kg的减重，如图3所示。
图3 乘员舱加强结构优化图示
备注：设计变量①优化板厚与材料强度；设计变量②优化几何尺寸与厚度；设计变量③优化几何尺寸；设计变量④进行分件优化，去处多余结构。
（2）零件局部优化，通过增加减重孔达到减重目的
汽车碳纤维以某车型部分设计变量增加减重孔为例，如图4所示。通过对部分设计变量增加减重孔，通常能够完成设计变量5%～10%的减重量，增加减重孔在减重设计中是最常用的减重手段。
图4 设计变量增加减重孔
（3）优化零部件厚度，运用薄板替代厚板达到减重目的
在薄板替代厚板的减重设计过程中，为了减少减重盲目性，可以通过CAE辅助设计，到各设计变量厚度在白车身整体刚度与模态中的贡献度，针对负贡献设计变量的合理优化，达到减重目的。
通过CAE计算，各性能指标灵敏度数据将设计变量分为四类[4]：
图5 弯曲刚度灵敏度数据的分析和处理
图6 第一阶扭转模态灵敏度数据的分析和处理
1）影响显著件：尽量提高其厚度，如同时是质量影响显著件尽量减薄其厚度；
2）一般件：根据相对灵敏度系数（性能灵敏度系数/质量灵敏度系数）综合取舍；
3）影响不显著件：减厚，特别同时是质量灵敏度显著件；
4）负贡献件：减厚。
根据计算弯曲刚度、扭转刚度、第一阶弯曲模态、第一阶扭转弯曲以及零件重量的灵敏度数据，对零件进行分类。图5和图6列出了弯曲刚度和扭转模态的灵敏度数据结果。
值得注意的是，在对负贡献量的设计变量进行板厚优化设计过程中，需要综合考虑碰撞、疲劳强度等性能指标，不能一味的对负贡献量进行板材厚度的替换，同时需要考虑采用更改强度等级的板材。
（4）利用激光拼焊工艺，减少零件多余重量
以白车身侧围加强板为例，如图7所示。用6片板料将P1～P6共6个设计变量集成到一件激光焊接板中，维持原始材料和板厚，设计焊缝线后去除相应的搭接面和焊点。该方案减重达到1.428kg，左右侧围加强板则可以减重2.856kg。
1.3 车身减重成效
图7 侧围加强板激光拼焊分块图
减重完成后需要对车身进行一轮完整的CAE计算来确定车身第一阶模态、白车身扭转刚度
、白车身弯曲刚度、碰撞安全、疲劳耐久等一系列车身性能满足设计目标，同时与减重前的性能指标作对比，并通过减重前后的轻量化系数进行减重成效确认。以本文提的车型为实例，减重前后的对比如表1所示。减重前轻量化系数为3.5，减重后轻量化系数为3.22，轻量化系数降低8%。
发布评论