底盘轻量化技术

汽车底盘轻量化技术引言轻量化这一概念最先起源于赛车运动，它的优势其实不难理解，重量轻了，可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于车辆轻，起步时加速性能更好，刹车时的制动距离更短。随着“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题，轻量化也广泛应用到普通汽车领域，在提高操控性的同时还能有出色的节油表现。汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量，在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下，降低汽车自身重量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低油耗、减少废气排放量、提升安全性。有研究数字显示，若汽车整车重量降低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；若车桥、变速器等装置的传动效率提高10，燃油效率可提高7。汽车车身约占汽车总质量的30，空载情况下，约70的油耗用在车身质量上。因此，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。国内外对于车身的轻量化研究比较多，而对于底盘轻量化研究比较少。随着各国对汽车燃油消耗限值日趋严格，我们也应该加大对底盘轻量化的研究以达到整车最大的轻量化。1. 轻量化研究现状轻量化技术是一门跨学科的集成，其集成了材料，设计，制造工艺及仿真分析等高端技术。目前国内外汽车轻量化的主要途径如下所述。（1） 采用轻质材料。如铝，镁，陶瓷，塑料，玻璃纤维或碳纤维复合材料。21世纪的汽车将发生巨大的变化，而材料是推动汽车技术进步的关键，轻量化是今后汽车发展的关键。虽然通过优化结构设计可以达到减重的目的，但是要大幅度的降低汽车重量，则需要大量的采用低密度材料。国外很多汽车公司已经尽可能多的采用铝合金材料以达到减重的目的。如奔驰S级轿车前盖板、前围板、副车架、后桥、气缸、摆臂等都用到了铝合金。目前镁合金一般用于离合器的壳体、车架、方向盘和转向器、轮毂等。塑料在汽车的用量也不断增加，发达国家车用塑料已占塑料总消耗量的10%-11%。目前塑料主要用在汽车内外饰件上，未来可以向车身覆盖件发展。（2）采用现代设计方法进行结构设计。如用有限元分析，参数优化，拓扑优化等。由于计算机技术的飞速发展。有关理论与软件的不断发展进步使得计算机辅助分析如虎添翼，CAE在汽车工业起的作用越来越大。改变了过去传统按经验设计的模式。如图1所示它不仅使汽车开发周期缩短，研发投入大大减少，而且开发的产品更为优秀可靠。设计测试制造过去： 改进虚拟测试（CAE）制造测试设计（CAD）现状：改进改进 图1（2） 汽车轻量化材料冲压理论与工艺技术。加强高强度、轻量化先进材料在汽车制造领域的应用基础研究。通过开展基于CAE的冲压工艺设计和优化方法研究，提出轻量化材料冲压回弹预测与补偿、起皱和拉裂预测与消除、毛坯反求与优化的新工艺、新理论与方法。从机理上研究复杂零件冲压中不同材料流动不均匀的产生原因和影响因素，开展多种形式的材料流动阻力控制方法及相应工艺理论和设计技术的研究。研发具有原创性和实用性的高强度钢冲压技术、汽车结构件的超高强度钢成型技术、应用于复杂汽车零件的液压成型技术和激光拼焊技术等。（3） 汽车轻量化激光加工技术与装备研究。激光加工技术是实现汽车轻量化的重要途径之一。系统进行激光与材料相互作用机理、激光加工过程无损检测和控制等基础理论研究，建立激光加工工艺方法和工艺参数的优化数据库；研究不同材料的激光切割方式，开展激光切割、焊接、精细烧蚀、直接快速成型、激光涂敷、激光辅助切削加工等理论的研究，开发激光三维切割工艺技术，建立工艺参数数据库及专家系统；研究激光深熔焊接理论，开发激光三维焊接技术与装备；研究不同板厚、不同汽车材料，尤其是轻量化材料的激光加工拼焊技术与装备。（4） 采用高强度材料。强度大说明材料在静力作用下不容易变形，也不容易断裂（裂开）；多数情况下硬度、耐磨性也比较好。目前国外在轻量化方面用高强度材料已经成为了一种主流。在家用轿车零部件中使用高强钢，则其重量比目前所用的钢轻27%，但其强度仍然一样。通过综合利用现有的先进高强钢和超高强钢，可以使得标准尺寸的小型家用轿车，即C-segment车型（欧盟确定的汽车尺寸分类，类似于北美的紧凑型汽车，其代表车型包括丰田卡罗拉、福特福克斯、现代伊兰特等车型）的车门重量从18.3kg降至13.3kg。安赛乐米塔尔公司估计未来几年将可以进一步减重1kg。 国际钢协的“世界汽车钢”（WorldAutoSteel）项目组确信，不久的将来钢制汽车车身结构的重量就可以像今天的铝制车身结构一样轻，而且可以满足所有汽车碰撞标准。更为重要的是，在成本上也可以与目前相媲美。 “世界汽车钢”项目组估计，可以提高未来钢质汽（FutureSteelVehicle，FSV）减轻重量的目标。FSV设计的最初目标是减重35%，但“世界汽车钢”项目组称，钢铁业最新研究可以将车重减轻39%。最佳的FSV车身应该仅重176.8kg，届时将与今天的铝制车身重量一致。“世界汽车钢”项目组称，通过结合先进高强钢与FSV技术，汽车制造商可以避免使用价格更昂贵的替代竞争材料和多材料设计并实现其目标。2. 我国汽车轻量化所面临的问题目前，我国汽车轻量化技术无论在理论研究方面还是在实际应用方面与国外均有较大差距，轻量化技术的发展主要面临如下问题：（1）轻量化技术涉及众多学科的研究领域，需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系，而在目前的研发体系下，各研发机构往往只注重单个技术的研发很少开展各技术间的交叉与融合；（2）汽车轻量化技术涉及众多的共性技术和前沿技术其关键、核心技术的突破不可能由单个企业或科研机构独立完成.必须要由国家级的研究机构对其关键、重大问题进行战略性和前瞻性的超前部署而目前此类机构尚未建立：（3）产、学、研结合不够紧密，没有明确定位、合理分工，基础研究和技术开发研究的有机衔接不够.企业规模小而分散，轻量化技术开发能力薄弱，研发人才短缺.工艺水平落后。要提高我国汽车轻量化技术水平，当务之急是集成全国轻量化技术优势，开展产、学、研大联合，建立资源共享的汽车轻量化技术科技创新平台。该平台应积极推进产、学、研的合作与交流：促进汽车轻量化技术研究成果向产业化方向转化：制定汽车轻量化技术重要产品和检测方法等规范及标准；建立高水平的相关产业技术人才培养基地和提供技术咨询的服务机构。汽车轻量化技术科技创新平台，应重点开展几个方面的研发工作。（1）汽车轻量化先进材料开发研究（2）汽车轻量化结构优化设计研究（3）汽车轻量化材料冲压理论与工艺技术研究（4）汽车轻量化激光加工技术与装备研究3.底盘轻量化的出路目前国内外在车身轻量化的研究越来越多，也越来越深入，但是对于底盘轻量化的研究确实很少。但是底盘的轻量化对整车的性能起着举足轻重的作用，影响操作稳定性和舒适性。未来对于汽车的油耗法规越来越严格，所以我们应该花大力气研究底盘的轻量化。只有车身和底盘都进行了轻量化设计才能达到整车的最大轻量化，所以我们必须引起重视。对于上一部分所说的轻量化思路照样可以用于底盘的轻量化并且大有可为。以下将举些例子说明：（1）高强度钢的运用底盘的零件因为要直接承受地面的冲击所以某些零件的应力会大些，所以必须得同过增加材料来降低应力。比如某微型车摆臂支撑杆，制动时候受的应力比较大。我们要是使用普通材料必须要用30mm的杆才能保证其应力达到250Mpa以下达到材料许用的安全范围,但是重量达到2.33kg.如果我们采用高强度钢我们可以使用20mm的杆应力可以达到408Mpa,重量减少到1.21kg。这可以看出高强度钢对底盘零件的减重效果是相当明显的。30杆（重量2.33kg）20杆(重量1.21kg)（2）高强度弹簧钢的运用高强度弹簧钢在弹簧设计中大有可为，众所周知底盘悬挂中的弹簧即是安全件又是性能件。我们需要它既要满足刚度要求又要满足耐久要求。但是刚度和耐久又是一个矛盾体。我们有了高强度弹簧钢后就可以很好的解决了这个问题。例如某微车后悬弹簧，我们按照传统材料设计，需要设计的圈数是5.75圈簧丝直径15.4mm才能达到要求的刚度，但是其重量为2.66kg，如果采用高强度弹簧钢我们弹簧的圈数可以做到4.5圈，簧丝直径14.3mm就可以达到所要求的刚度并且应力也符合高强度弹簧刚度材料许用极限，其重量为1.8kg。高强度钢材料弹簧不仅耐久，刚度都满足要求，质量比传统弹簧轻了0.86kg，弹簧的圈数少了质量轻了对整车的舒适性更好了。传统材料弹簧（重量2.66kg）高强度钢材料弹簧（重量1.8kg）（3）对底盘零件采用先进的工艺技术。采用先进的工艺技术可以减少应力集中，可以减少材料浪费。比如某车扭转梁原来采用的是普通的冲压成型。零件为了满足耐久要求必须使用大量的钢材，使得零件质量比较大，重量达到了25kg。但是如果我们采用管材的液压成型技术，我们可以使得零件在满足设计要求的情况下重量仅为21kg。传统工艺（25Kg）液压成型工艺（21kg）（5） 对汽车轻量化结构优化设计研究一个优秀的结构设计也可以大大降低零件重量。一个优秀的产品工程师，他能够在设计产品的时候能够不浪费材料，使得材料用在需要它的地方，也就是好钢用在刀刃上。结构的变截面就是一个最好的例子。比如某车的钢板弹簧，我们使用传统的等厚钢板它的片数为6片重量为24.5kg,它之所以这么重就是因为很多材料是多余的，它类似于一个悬臂梁的形式其实端部的材料可以少些中间部分的材料需要多些。我们使用了变截面的钢板弹簧后片数为3片重量可以达到17.4kg。而且这两副板簧的强度刚度几乎不变。钢板弹簧片数减少了，重量降低了，可以减少板簧的板间摩擦和整车的簧下质量。这对整车的舒适性是非常有好处的。 变截面等厚板簧(24.5Kg)变截面板簧（17.4Kg）应力658Mpa，刚度80N/mm应力645Mpa, 刚度80N/mm（6） 充分运用CAE优化技术用于底盘结构设计中来利用CAE优化技术可以改变过去依靠经验进行结构设计的落后办法。运用CAE技术用于结构设计可以更快，更好，更直观的知道零件传力路径知道那些地方需要加强，哪些地方需要减重这样才能设计出更好的产品。以下列举某车型的副车架设计运用拓扑优化技术，可以在不增加零件重量的情况下显著提高副车架模态。 拓扑优化图片优化前模态（196.8Hz）优化后模态(224.96Hz)(6) 加大镁铝合金在底盘零部件中的使用范围铝合金的密度是铁的1/3，在保证零件刚度强度的情况下我们可以大量的使用镁铝合金。这样可以大大降低零件的质量。比如某车转向节我们使用镁铝合金在保证刚度强度的情况下使得质量从原来的4.5kg减少为2.5kg钢制转向节（4.5kg）铝合金转向节(2.5kg)3. 总结当今世界，环境的日益恶化成为摆在人类面前的重大难题，保护环境、减少有害物排放是全世界的共同目标，汽车作为能源消耗，资源消耗及排放的大户，降耗，减排，降重成为技术发展的重中之重。所以轻量化技术在今后很长一段时间内，将作为我们结构设计最根本的技术。我们要必须牢牢掌握新材料的运用技术，新工艺技术，先进的技术，及对零件受力路径的充分了解，这样才能设计出节能环保一流汽车。