【轻量化奖评选】底盘系统轻量化研究及应用

2018-6-1 11:37 2790 0

简介

底盘系统轻量化研究及应用

参评技术：底盘系统轻量化研究及应用
　　　
　 技术简介
　　
　　现阶段，基于性能、续航、环保的考虑，汽车轻量化都已成为一种必然。汽车底盘系统的轻量化更是重中之重，因为它影响着簧下质量。众所周知，在不考虑其他设定因素下，簧上质量与簧下质量的比值越大，汽车拥有越好的乘坐舒适性；而更小的簧下质量同时意味着底盘系统拥有更好的动态响应能力以及车辆的操控性；此外，也可以使车辆更能满足节能环保、续航里程的需求。
　　
　　该项目为车和家自主开发的高端、智能的中大型新能源SUV汽车项目，其轴距超3米，车长超5米；主推智能、高续航，低能耗。该车底盘系统一阶段目标重量为470KG，二阶段目标为448KG，通过新材料的采用和多种的优化手段，实车底盘系统称重为438KG，不仅仅达到了目标，而且还有2.2%的减重率。与同级别竞品车（奔驰GLE 550e底盘系统为465 KG，雷克萨斯RX450底盘系统为445 KG，宝马X5e底盘系统为465 KG）相比，该车拥有更好的操控性和平顺性。
　　
　　项目伊始，车和家便明确了明确整车轻量化的意义，制定了底盘系统轻量化目标，为此，底盘制定了新材料、新技术的双重路线，并把新结构优化技术扩展到多学科、参数化建模、DOE灵敏度分析、拓扑、形貌等，如图1所示；

　　　　针对该项目底盘轻量化的要求，底盘系统设计以高强薄钢、铝镁合金、塑料、尼龙等轻质材料为基础，辅以拓扑优化、形貌优化、形状优化和尺寸优化等优化技术，在保证性能的前提下，以重量最轻为目标，对底盘零部件进行重新优化，旨在把底盘轻量化做到最好；其次，和供应商一起研究液压成型、焊接技术等先进的工艺，减少零部件生产工艺，提升生产效率；最后，紧跟零部件及整车试验，验证新材料和底盘零部件性能；如图2所示：

　　
　　在明确的技术路线的基础上，辅以新材料和优化技术的完备，项目在底盘前副车架、前下控制臂、悬置、前后转向节及后悬臂的轻量化研究都取得了明显的效果。
　　
　　首先是高强度薄板钢的应用和优化，前副车架采用一大部分薄板高强度钢BR600/780HE，屈服强度为600MPa，抗拉强度780MPa；其次底盘重新运用拓扑、自由尺寸、形貌优化手段，改变加强筋的结构和位置，使加强筋的厚度减小，但加强性能最佳；最后，以前副车架整体重量为目标，多个板的板厚为设计变量，模态、强度和疲劳为约束的前提下，副车架整体减重达3.56KG；减重率高达11.9%，如图3和表1所示：

　　
　　该车的前下控制臂则运用了复合塑料PA6GF50，该材料本身对使用环境的要求也是比较低的，能够适应极寒、高温等极特殊恶劣环境，如图4所示；复合材料的使用，能够有效降低整车前下控制臂的重量，最少能达到20%的降重，成本相对铝制件会降低70%；在不增加成本的情况下带来了能耗降低的收益，如图5所示：

　　前下控制臂采用了注塑的工艺，利用拓扑优化识别加强筋的走向，同时确定本体钣金骨架及复合材料的填充区域，如图6所示；该材料应用欧美车企也已经有量产的案例，比如特斯拉旗下车型的前双横臂式悬架的上横臂就是采用的类似技术，只是材料本身的配比有区别，但整体的生产工艺与检验流程都是一致的。该前下控制臂使单车成本相对铝合金制件会节省大约300元/车，重量基本持平；与钢板焊接相比，重量会轻2.5 KG /车，成本基本持平。综上，该材料及技术的突破弥补了铝制品成本高的劣势，补充了钢板焊接传统工艺重量大的缺陷，能够大大支撑项目的开发目标，节省公司的开发成本。

　　
　　该车悬置支架的轻量化则采用了尼龙。悬置系统采用四点布置，其中右悬置支架、后悬置支架主体部分全部采用轻量化尼龙支架，左悬置支架部分采用轻量化尼龙支架，前悬置采用铸铝材质，4个悬置总成的重量由8.953 KG减重到6.117 KG，在铸铝的基础上减重31.7%，右悬置和后悬置优化前后重量对比如图7所示。

　　
　　尼龙的采用和优化使悬置总成减重31.7%，从而降低油耗，节能减排；同时降低前轴荷载荷，提升整车操控感；此外，铸铝支架的阻尼大约为0.02%，而尼龙支架为1%，是铸铝支架的50倍，可快速衰减振动，提升NVH性能，振动衰减对比如图8所示；

　　
　　右悬置总成主体支架采用尼龙，可实现承载及限位功能；后悬置的尼龙支架省去了衬套外管和压装工艺，实现轻量化，提升生产效率；减少零部件生产工艺，可提升生产效率约10%，如图9所示：

　　
　　前后转向节和后悬摆臂采用锻铝工艺及材料，并经过多轮CAE拓扑优化，达到轻量化目标，最大程度实现动力经济性能。锻铝工艺相对成熟，但在整车后悬多连杆结构中，尤其同级别车型中，广泛采用的还是冲压钣金结构或铸铁结构。相对于铝材质，钣金件成本相对较低，但悬架簧下质量较大，影响正常操稳性能、动力经济性等等。锻铝工艺相对成熟，但受限于成本压力，小型到中等车型前后转向节和后悬摆臂采用锻铝结构基本接近于0%，中高级轿车仅有少量车型采用锻铝仅约20%，大部分合资及国内车企仍采用板金件。项目为追求更极致的底盘操控性及整车动力性，前后转向节和后悬摆臂采用锻铝结构，自主设计，从三维数据、拓扑分析，均针对该车型本身，且经过多轮反复设计优化后，严格控制重量，单车外倾臂减重3.146 KG，减重率62.92%；前束臂减重1.508 KG，减重率65.57%；前转向节单件减重2.7 KG，减重率45%；后转向节单件减重4.2 KG，减重率46%；如图10、11所示。
　　