新材料与工艺手册

[轻量化轻卡|重卡] 钢铝结合商用车车架轻量化技术综述

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发表于 2020-6-18 10:59:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】摘 要:传统的钢质车架不符合轻量化,而全铝合金车架强度难以满足商用车的要求且制造和维修成本较高。钢铝结合车架利用铝合金替代部分钢制零件,充分发挥铝合金在轻量化方面的优势,借助结构优化设计,在保证强度的同时,既节省成本,又达到了轻量化的目的。综述了钢铝结合的商用车车架轻量化技术研究现状,总结了钢铝材料在车架上的国内外应用现状、目前所面临的关键问题、钢铝车架CAE优化方法及钢铝材料连接工艺,最后作出了总结和展望。
关 键 词:轻量化;钢铝结合车架;结构优化设计;连接工艺

目前,商用车保有量占汽车总量的10%左右,但总体燃料消耗量占汽车燃料总消耗量的55%~60%,百公里排放量约为乘用车排放量的3~4倍[1]。而轻量化技术作为提高汽车燃油经济性和减少尾气排放的有效手段,对商用车来说,在减轻了自身质量的同时,还提高了载质量利用系数[2]。
一般重型商用车整备质量为8~18 t,车架质量为500~1 200 kg,车架占商用车整备质量的5%~10%[3],因此车架轻量化对整车轻量化的贡献非常可观。车架承受着整车的簧载质量,同时还要受到来自不平度路面、行驶速度和方向改变而产生的外部激励,以及动力传动系统等产生的内部激励,所以车架要求足够的刚度、强度和可靠性。
目前车架轻量化主要依靠3个方面进行[4]:① 结构优化设计,包括尺寸优化、形貌优化和拓扑优化等,并结合多学科手段使得优化结果满足所有学科的要求,目前车架优化考虑的性能主要有刚度、强度和模态,而大多数研究在优化过程中未将疲劳考虑在内;② 轻量化材料的应用,包括高强度钢和铝合金等,目前钢铝结合和全铝在车身上的应用较为常见,而在车架上的使用相对较少;③ 先进制造工艺,包括热冲压成形和激光焊等。生产超高强度钢和超强度铝需要更高要求的制造工艺,而且保证钢铝材料能够在车上正常使用,需要设计相应的钢铝异种材料的连接工艺。
因此,基于传统的车架钢制结构,采用铝合金材料制作部分零件,根据性能模拟、优化设计等方式,综合考虑刚度、强度、模态和疲劳性能,对铝替代钢的零件加以确定,并配合相应的连接工艺是今后实现商用车架轻量化的一个重要方向。
1 钢铝材料在车架上的国内外应用现状
因商用车车架需要安装各大总成及承受所产生的载荷,所以目前商用车车架纵梁及横梁等多采用钢板冲压加工成槽型结构。随着车架的发展,车架的强度级别提高到510、590、610、700 MPa和750 MPa等,以适应不同用途的需求。2000年以前,国内各商用车整车厂在车架上采用的主要是以如Q345和16MnL等普通强度等级的钢材。在2000年以后,国内整车厂开始研发使用高强度钢板。东风商用车在2004年开始研发使用抗拉强度为590 MPa级的热轧高强度钢板,其在2007年批量用于车架纵梁的生产[5]。同年,开始了抗拉强度为700 MPa级热轧高强度钢板纵梁的试制工作。2012年设计推出的第一款量产的轻量化牵引车车架上采用了750 L高强度钢板,由原来的双层车架优化为单层,局部通过增加加强板以满足强度要求,减重幅度显著[6]。近年来,北京福田戴姆勒汽车有限公司成功试制了屈服强度为620~700 MPa级别的汽车用大梁钢的车架纵梁,试制产品满足工艺及质量要求,并完成道路可靠性试验,使整车轻量化和安全性合理的匹配与平衡,达到了轻量化的目的[7]。目前,国内重型卡车车架纵梁截面多为U字型直梁与变截面弯梁,材料多选用低合金高强度热轧中厚度钢板,厚度4~10 mm,材料牌号多为510~690 L,通过冲孔、压型、切割、合梁及钻孔等工序加工为成品纵梁。少部分车型采用了700~800 MPa级别的大梁钢板,甚至热处理车架。
欧美发达国家的重卡车系中,如奔驰、沃尔沃、斯堪尼亚、曼恩等系列车系,其车架用钢强度普遍已达到700~800 MPa级别水平[8],部分公司还采用了1 200 MPa级别以上的热处理车架,甚至铝合金车架,车架重量明显低于国内同类产品。
全钢制车架不符合轻量化,而全铝合金车架成本又太高且强度不足,钢铝结合车架利用铝合金替代部分钢制零件,在保证强度的同时,既节省成本,又达到了轻量化的目的。在发达国家,商用车的铝化率已经超过80%,而中国商用车的铝化率除个别车种如冷藏车外,其他的均很低,发展空间较大[9]。北美地区车型轻量化设计进行得较早,铸造铝合金研究处于领先水平,铸造工艺先进,也是最早将铸铝合金应用在重型货车底盘的连接及承载零部件上的地区。目前使用铸造铝合金的零件包括横梁及大部分底盘支架,主要采用普通铸造及加压铸造工艺[10]。但近几年随着新型的超高强度的铝合金的出现,汽车制造商有了一个真正的替代方案,超高强度铝合金关键优点是突出的密度-强度比,这允许其与超高强度钢相同的机械性能并显著地节省重量[11]。在未来的十几年中,肯联铝业等铝制造商将继续投资于研究和开发,以推动超高强度的铝合金发展,为汽车制造商提供额外的选择,使车辆在不牺牲安全性的前提下,质量更轻。
国内新修订的GB1589于2016年7月正式发布,其对商用车的轴荷及质量限值均进行了压缩。如果总质量下降而整备质量不变,会导致载质量降低,因此,商用车轻量化的需求因政策而加大。考虑到国内路况和超载问题,目前车架的纵梁和横梁仍采用钢制,但其他附件,如油箱和轮毂正逐渐由钢向铝合金过渡。扬州中集通华专用车有限公司于2016年2月推出了一款钢铝混合的45英尺的鹅颈骨架车,主体车架采用高强度钢板,附件一律采用5系和6系铝合金材质。就目前发展趋势,材料是商用车轻量化的重要途径之一,先进高强钢、铝合金、镁合金、非金属复合材料等用在国产商用车上已经屡见不鲜,促进了商用车的轻量化,但是我国目前商用车先进材料的应用比例和应用的成熟度相较国外先进水平还是比较低的。国内特别是车架仍是以510~590 MPa级大梁钢板为主,铝合金在车架上的总体应用率较低。
2 钢铝结合车架所面临的关键问题
钢铝结合车架结构的理念虽然已经引起国内外汽车企业的高度重视,并在实际的车架制造中有了一定的体现,但是这种车架结构的开发方法与传统的单一材料车架结构相比有很大的不同,仍然面临着一些关键问题亟待解决。
首先,钢和铝的物理特性有较大的区别,2种材料的熔点与热膨胀系数相差较大,焊接过程中难以形成熔核,且易形成脆性的金属间化合物,难以保证接头强度,受热后引起内应力难以消除[12]。另外,铝和钢的电位相差较大,易于发生电化学反应,故钢铝材料结合车架很难通过传统的电阻点焊进行连接,如何克服铝和钢物理化学性质的巨大差异是连接技术的一大难点。
其次,车架轻量化的前提是基于强度和刚度条件进行的,对于铝合金来说,7075铝合金在T6温度下达到约500 MPa的屈服点,在T7温度下的屈服点约为450 MPa。450~500 MPa的屈服点已经非常高,然而如果考虑相同的产品厚度,超高强度钢仍然具有1 100 MPa的屈服强度,强度明显更高。铝合金在强度和刚度方面明显低于钢板。
再次,钢铝结合车架结构的核心是将合适的材料应用于合适的部位,以充分发挥钢和铝在强度、刚度、轻量化方面各自的优势,最大程度上实现车架的轻量化和重要性能的最优。然而,如何为每一个零部件确定其适合的材料,即如何科学地进行材料选择,从众多的可选材料组合中找出最符合设计要求的材料,显然是重点考虑的问题。
最后,采用轻量化材料的前提是保证材料替换的结构的各项基本性能仍达到设计要求。在采用轻质材料的同时,还需结合结构优化设计以及相匹配的制造工艺,才能达到理想的轻量化效果。因此,结构优化后结构形式的变化问题、轻质材料的制造工艺以及异种材料间的连接问题,都是多材料结构面临的关键问题。
综上所述,钢铝结合车架面临着异种金属间的连接技术、材料匹配、高强度钢和铝合金的先进成形工艺技术、电化学腐蚀及热变形不协调等突出问题。对于试图在成本约束下进一步减小车架重量的汽车工业而言,这些问题的解决都是迫切需要的。
3 钢铝结合车架CAE优化方法3.1 钢铝结合结构研究
乘用车排放标准更高,为了节能减排,铝合金材料在20世纪80年代就已经应用在车身上,且铝合金在乘用车材料中的使用比例逐年提高。随着近年来商用车排放标准的日益严苛,商用车同样需要进行轻量化。虽然目前的成形技术还达不到商用车车架全铝,但设计钢铝结合结构是目前解决轻量化难题的可行途径之一。一般来说,钢铝结合车架的结构优化分成两个部分:第一部分,首先根据强度和刚度等安全指标作为约束,把材料作为变量组进行优化,以得到材料分配后的车架;第二部分,对选定好材料的车架进行优化,以强度、刚度和模态特性等作为约束,把板厚等作为变量进行结构优化,最后获得满足多种指标的车架轻量化方案。有关研究[13]以某国产SUV车架为例,对其进行刚度和模态仿真分析,使用铝合金材料,结合正交试验法确定材料轻量化目标。建立优化设计数学模型,进行多目标形貌优化设计,得到满足刚度和模态性能的钢铝复合车架模型。相关研究[14]对基于耐撞性的车身前端结构钢铝混合材料轻量化设计,以简化模型中的前保险杠、吸能盒、副车架前横梁等构件为对象,采用均匀实验设计与RBF近似模型,建立了综合考虑总质量、总吸能、白车身扭转刚度、前纵梁后端峰值碰撞力等性能在内的钢铝混合材料与板厚组合多目标优化问题的数学模型,最终取得了研究对象减重29.1%的轻量化效果。
3.2 计算机仿真优化研究
20世纪70年代,随着计算力学和计算机硬件的发展,解决一些复杂结构的问题也变得越来越方便,从而推动了结构轻量化的发展。20世纪90年代以后,国外众多研究者加入到商用车及乘用车车架的计算仿真工作中来,Bhope等[15]借助有限元软件对挂车底盘进行改进,最终减轻了其重量;Nor等[16]通过CATIA对拖车车架进行有限元分析,设计工字梁尺寸提高其安全系数。近年来,轻量化理论方法和CAE软件不断出现,应用越来越成熟。目前我国的轻量化研究主要采用这种方式,如南京航空航天大学的研究团队[17]利用ANSYS根据满载时均布载荷作用在车架上的计算工况对车架进行了结构参数优化设计,使车架质量降低了17.9%。湖南大学的研究团队[18]运用区间分隔拓扑优化并综合尺寸优化确定了车架的最终尺寸,最终减重10%。安徽理工大学的有关研究[19]利用Optistruct以扭转工况下最大应力值为约束对纵梁、横梁、连接板、尾梁和后加强板进行尺寸优化,使车架总质量较少约11.8%。
然而有限元仿真存在着计算量过大、收敛速度缓慢甚至不收敛等难题,为解决这些难题,通常采用试验设计提取采样点建立近似模型的方法来代替复杂有限元仿真,达到简化优化过程和减少计算成本的目的。试验设计是建立近似模型的前提和基础,为了构造具有较高精度的近似模型,必须选择合适的试验设计方法,使样本点能够按照一定的规律分布在设计空间内,较为准确地反映系统输入与输出之间的关系。针对计算机仿真试验,广泛使用具有均匀分布特征的采样策略,如正交设计、均匀设计和拉丁超立方设计等[20]。
根据近似模型提供的车架设计变量与结构性能响应间的函数关系式,能够快速方便地开展各种类型的优化设计研究,包括无约束/约束优化、多目标优化、可靠性优化、人工神经网络、径向基函数、Kriging和支持向量回归等。吉林大学的研究[21]结合Isight采用RBF神经网络模型构建近似模型对货车车架进行多目标优化,使弯曲模态和扭转模态性能提升,并实现减重3.5 kg;武汉理工大学的研究[22]建立多项式响应面近似模型,基于Isight软件,运用多岛遗传算法对纯电动车身进行多学科尺寸优化;Mi等[23]建立矿用自卸车车架的Kriging近似模型,利用NSGA-II多目标遗传算法对车架质量和疲劳进行协同优化。尽管基于近似模型的优化设计被认为是解决复杂工程设计问题的最有效途径之一,但仍存在不足:对设计变量数目的敏感性。随着设计变量数目的增加,近似模型所需的采样点数量呈几何倍数增加,而且近似模型对高维空间的拟合精度不如低维空间[24]。
3.3 结构优化方法研究
通过现代结构优化方法设计汽车各零部件的结构,使结构部件薄壁化、中空化、小型化以寻求最大限度地减轻重量。车架结构优化方法一般有:尺寸优化、拓扑优化、多目标优化和多学科设计优化。尺寸优化计算效率较高且易于实施,车架优化一般是将梁和板的厚度作为设计变量进行优化[25]。在尺寸优化前,首先可以进行灵敏度分析,将各个部件尺寸参数变化过程中对重要优化目标影响大的部件提取出来进行后续的分析,既节省成本,又提高了效率。清华大学的研究者[26]利用尺寸优化技术对载重越野车和大客车车身骨架进行优化设计,减重效果明显。当尺寸优化技术结合轻量化材料和工艺技术之后,能够取得更显著的减重效果。Botkin[27]利用UG参数化建模方法和Nastran的优化技术,对轿车白车身的前部结构进行基于碳纤维材料的优化设计,最终使得该承载结构比钢材结构质量减小61.8%。
拓扑优化[28-29]是有限元分析和数学优化的有机结合,针对单相材料结构,有变厚度法、变密度法、ICM法、ESO法和均匀化方法等。Yang等[30]详细介绍了拓扑优化在汽车主要零部件、车架、车身等的应用。然而工程设计中还有多种不同性能和特性的材料共同构成的结构,即多相材料结构。多相材料的拓扑优化方法有密度法、水平集方法和相场法等。相关研究[31]发现多相材料拓扑优化的结构与单相材料结构相比,具有更轻的质量。但目前车架拓扑优化一般不会考虑多相材料,工艺上很难实现。
多目标优化问题是在可行域中确定由决策变量组成的矢量,使得一组相互冲突的目标函数值尽量同时达到极小。它与单目标优化的本质区别在于前者问题的解不是唯一的,而是存在大量的非劣解,需要根据实际要求选取相对适合的解。目前,多目标优化广泛的存在性与求解的困难性未解决,理论方法还不够完善,主要可分为两大类:把多目标优化转化成一个或一系列单目标优化,将其优化结果作为目标优化的一个解,即统一目标法;直接求非劣解,然后从中选择较好的解作为最优解,具体有主要目标法、目标分层法和功效系数法[32]。有关研究[33]分别使用线性加权法、平方和加权法和折衷规划法求解货车车架的多目标优化问题,其中折衷规划法效果最好,车架拓扑优化后,各工况下车架的刚度最大。
现代工程项目规模庞大,设计要求也相当复杂,往往涉及多个学科,而多学科设计优化是一种能够覆盖多个学科的设计优化方法。多学科设计优化方法可以分为:基于试验设计和基于优化算法两类[34]。基于试验设计的优化方法在工程应用中较为常见,通常利用Isight和HyperStudy等多学科优化软件建立近似模型并通过模拟退火、遗传等智能算法寻取最优解。基于优化算法属于传统的优化方法,于20世纪90年代开始建立起来,经过20多年发展,产生了大量算法。基于优化算法分为单级方法和多级方法。单级方法中各个学科存在耦合关系,当学科过多时,计算过大,很难协调得到最优解。随着工程的问题变得越来越复杂,耦合的学科变多,为了简化计算,多级方法将原先单层结构关系修改为多层结构,将学科进行分解,每层都有一个独立的求解器,首先在下层寻找一个设计去满足上层的约束和目标值,最后进行系统级分析。车架在进行轻量化过程中通常会涉及刚度、强度、模态、抗撞性、疲劳和成本等多个学科的影响。目前,大量研究已将强度、刚度、模态和抗撞性考虑在内,而将疲劳作为约束条件或目标进行优化的研究较少,是今后研究的重点。
3.4 载荷影响的研究
在优化过程中,由于车架承受着来自道路和装载的各种复杂载荷作用,在使用CAE软件进行车架仿真时需要尽可能地模拟实际工况。不同工况的受力频次不同,判断基准也不一样。平地启动、重载弯曲、普通制动、普通转向工况按疲劳强度进行判断;紧急转向工况、紧急制动工况、扭转工况属于极限工况,用材料的屈服强度进行判断。目前仿真过程中考虑的载荷一般分为3类:行驶载荷、操作载荷和特殊载荷。行驶载荷主要包括货物和乘员、行驶速度和路面状况,其中货物一般认为是固定不动的,而对液体类以及行驶途中会发生移动的货物目前的研究较少;操作载荷依照工况的不同包括起动操作载荷、制动操作载荷和转向操作载荷等;特殊载荷是指完全由于偶然因素造成的载荷,如驾驶差错、碰撞等造成的载荷,以及由于自然环境影响,对汽车构件所造成的附加载荷等,目前只考虑碰撞产生的载荷。纵观国内外对车架轻量化的研究现状可以发现:在设计研究车架各项特性时,大多数学者[35-36]主要以满载弯曲、满载扭转、满载制动和满载转弯下静态载荷以及模态分析为主,而对于车辆工作时所受到的动态载荷则以动载系数来表示,但是静态载荷与动载系数均不能准确地描述车辆的实时受力状态以及在运动过程中所受到的动态载荷峰值力。所以,目前的研究在车架动力学分析方面还不完善,在车架优化过程中未考虑动态载荷的实际影响。
4 钢铝结合车架连接工艺4.1 焊接工艺
4.1.1 冷金属过渡电弧焊接
冷金属过渡电弧焊接技术(CMT)[37]是主要用于解决薄板焊接变形问题和钢铝焊接等熔化极惰性气体保护焊(MIG)解决不了的问题而开发出的一种新型低能耗连接工艺。CMT焊接工艺实现了几乎无电流状态下的熔滴过渡,减少了电弧输入热量的时间,热输入量几乎为零,可以焊接低至0.3 mm的铝合金板材,在变形量得到有效控制的同时还提高了焊接质量的重复性。
CMT焊接技术相对于MIG焊工艺,具有工艺稳定性高、飞溅小、焊接速度快、热输入量低、变形小等优点,但其产生烟气污染的程度要比其他连接方式大,因而需要配备相应的除烟尘设备[38]。
4.1.2 搅拌摩擦焊接
搅拌摩擦焊(FSW)是通过将高速旋转的搅拌工具压入待焊母材,并借助其旋转接触摩擦热将工件加热至塑性软化区,最终冷却形成有效连接的一种固相连接工艺[39]。可见,搅拌摩擦焊中没有传统熔焊的常见问题,如接头气孔、裂纹等,其焊缝组织更加接近锻造的细晶组织。相比熔焊,FSW连接的抗拉强度提升15%~20%。根据焊缝形成轨迹的不同,FSW分为搅拌摩擦点焊和搅拌摩擦缝焊。
搅拌摩擦焊属于绿色连接工艺,具有能耗低,焊接过程中无辐射、烟尘和飞溅,噪声小等优点,连接过程中,无需填充材料、保护气体及加工坡口,焊前无需对母材表面预处理,但是焊接过程中需要的外力较大,设备需要较高的刚度,且对焊接头的磨损较大。
4.1.3 摩擦塞铆焊
近年来,一种基于摩擦焊原理并主要用于超高强钢及热成型钢与铝的连接的摩擦塞铆焊技术快速兴起[40]。该技术的本质是借助高速旋转的钢制铆钉穿透上层铝板,并与下层钢板通过摩擦点焊实现连接,借助钢-钢连接来实现钢-铝连接的目的。整个工艺过程可分为预热、穿透、熔化以及焊接4个阶段。摩擦塞铆焊技术具有可实现高强度钢和铝的连接,无需预开孔、预处理或后处理,连接强度高的优点,但是也存在需要保留双侧空间、钉头较为突出、不利于空间布置等缺点。
4.2 机械连接工艺
4.2.1 自冲铆接
自冲铆接(SPR)是依靠铆钉穿透上部板材并与底层板材形成可靠互锁结构而实现连接的一种机械冷成型连接[41]。整个工艺过程可分为夹紧、冲裁、扩张以及冲铆4个阶段。该工艺的优点是:可实现钢铝镁以及碳纤维同异种材料的连接,且效率高、能耗低。由于该过程不涉及基材的熔化和凝固过程,避免了脆性金属间化合物的形成。但是,SPR也存在局限性,其在连接点处需要保留双侧进枪空间,且存在着冶金结合不牢、接头强度低、气密性差、疲劳性能差等缺点。
4.2.2 螺栓连接
螺栓连接是在商用车车架上较为常见的连接方式,其结构简单、装拆方便,常用于车架纵梁与结构附件之间的连接。但长期使用容易松动,纵梁与横梁的连接一般不采用这种方式。在连接过程中,钢制螺栓需进行镀锌等表面处理,以阻碍后续的接触电化学腐蚀。
5 结论与展望5.1 结论
1) 全钢制车架不符合轻量化,全铝合金车架强度低且成本较高,而钢铝结合车架利用铝合金替代部分钢制零件,在保证强度的同时,既节省成本,又达到了轻量化的目的。但目前由于国内非高速公路道路路面状况不佳、超载问题和维修不便等因素,我国车架的纵梁和横梁等承载件仍采用钢制保证其强度,而国外已将铸铝应用于车架横梁和附属支架上。
2) 随着计算机的发展,在使用CAE软件仿真优化时,能更准确地建立车架模型,更真实地反映实际结构的重要力学特征。CAE软件能够根据性能模拟、优化设计等方式,对铝替代钢的零件加以确定,从而提高车架的力学强度,实现车架的轻量化。但目前对于车辆工作时所受到的动态载荷方面的仿真分析还较少,另外在优化过程中也少有研究考虑疲劳的影响。
3) 对于钢-铝异材连接而言,由于钢与铝的固溶度很低,其物理、化学属性差异又比较大。其次,钢、铝两种金属材料的化学电位相差比较大,连接界面处很容易产生电化学腐蚀。因此,针对钢铝异种材料的连接,常用的方式有冷金属过渡电弧焊、摩擦焊、自冲铆接、螺栓连接等。
5.2 展望
1) 目前世界最主要的汽车生产商几乎都在争相开发铝合金零部件,但铝材应用在汽车上会遇到许多技术上的难题,加工难度比钢材大很多。我国自主研究的6000系列铝合金汽车板也才刚刚起步,其性能还不能够满足要求。但是目前的发展时机已经很成熟,应该加快研究步伐,开发出具有自主知识产权的6000系列的铝合金汽车板材。
2) 目前,对于车辆工作时所受到的动态载荷方面的仿真分析还较少,在研究车架各项特性时考虑动态载荷是今后优化过程中需要研究的重点。
3) 目前,在优化时很少有研究将疲劳寿命作为约束条件或优化目标,但疲劳寿命分析对商用车车架相当重要,因此今后在多学科优化过程中应该考虑疲劳的影响。


来源:期刊-《重庆理工大学学报(自然科学)》;作者:李舜酩,张凯成,丁 瑞,孙明杰(南京航空航天大学 能源与动力学院)


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