新材料与工艺手册

[车身轻量化] 基于某款电动车副仪表板的轻量化设计

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发表于 2020-6-30 14:28:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】基于某款电动车副仪表板的轻量化设计
李威,亢胜利,王洪明(东风汽车集团有限公司技术中心,武汉 430058)
摘 要:随着能源短缺、环境破坏等社会问题的日益突显,汽车轻量化已成为汽车社会可持续发展的重要举措之一,尤其是在新能源汽车日益成为汽车发展的重要发展方向的大背景下,汽车的轻量化设计对汽车的节能降耗、性能提升以及降低制造成本上有着积极的推动作用。本文基于某款电动车的副仪表板系统,通过结构设计弱化以及零件集成的方法对该款车型的副仪表板系统进行轻量化优化,优化完成后通过CAE仿真技术来验证本次轻量设计的可行性,并最终实现了该款车型的副仪表板轻量化。
关键词:车身;副仪表板;轻量化

前 言
所谓汽车轻量化技术,是指汽车在满足原有的行驶安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性等性能的前提下[1],以及汽车本身成本不被提高的基础上,有目标地减轻汽车自身的重量。在车身设计过程中,车身轻量化主要可从结构设计优化、材料轻量化、制作工艺的改进以及集成化设计的角度来实现车身质量的减轻。本文基于上述条件,采用结构设计优化以及零件集成的方法,对副仪表板的总体质量进行轻量化提升,并最终实现该款车型制造成本的降低和整车性能的提升。
1 优化前副仪表板系统结构分析
该车型是基于某汽油车型平台进行纯电动化改造。由于白车身、底盘、电器、内饰件等大部分零件必须沿用,从而导致了该车型的整备质量大于同级别的其他纯电动车型,给该车型带来了续航里程低,动力性不足的问题,因此对该车型进行轻量化改造显得尤为重要。本章对该副仪表板系统的整体结构进行分析,找出带来质量升高的关键要素。图1是该副仪表板系统的整体构造图。

图1 副仪表板系统整体构造图

表1 该副仪表板系统分块详解


对该副仪表板系统进行分块,并编写成bom表,bom表中包含每一个分块结构的重量、规格、材料定义以及成型工艺如表1。
图2是该副仪表板系统零部件分解后的质量柱状图。

图2 该车型副仪表板系统柱状对比图

通过对该副仪表板零部件质量柱状图分析,我们可以看到影响该副仪表板系统质量高的零部件主要有副仪表板外箱骨架总成、副仪表板内箱骨架总成、后固定支架以及换挡器支架。后续我们将从此四个零件着手进行轻量化设计及实施,以达到副仪表板系统轻量化的目标。
2 副仪表板系统轻量化方案构想2.1 车身轻量化主要方法
在车身设计过程中,主要可从车身结构、材料、制造工艺优化以及集成化设计角度来实现车身质量的减轻[2]。
(1)结构优化轻量化:主要是对车身结构进行优化,采用减料厚、零件开孔、结构切除弱化等技术对零件的整体结构进行减重;
(2)材料轻量化:主要是不影响车身机械性能的情况下,改变车身原有的材料特性,从而达到轻量化的目的,目前主要的应用有,铝合金轻质材料的应用、塑料复合材料的应用、碳纤维材料的应用[3];
(3)制造工艺轻量化:所谓制造工艺轻量化,就是采用新的制造工艺技术,对零件进行轻量化加工,目前主要的应用技术有微孔成型技术、发泡成型技术以及激光拼焊技术等;
(4)集成化技术:主要是采用零件前端模块集成化技术,对零件整体结构进行轻量化,目前主集成化技术主要有铸造铝合金零部件集成设计;车身骨架集成设计。
以上四种方法为车身轻量化技术的主要方法。
2.2 副仪表系统轻量化方案构想
根据影响该车型副仪表板质量高的主要零部件有副仪表板外箱骨架总成、副仪表板内箱骨架总成、后固定支架以及换挡器支架,本节将基于上述车身轻量化方法,着重对此四个零件进行轻量化优化设计。
2.2.1 后固定支架轻量化构想
为了提高副仪表板整体模态,在设计副仪表板时通常会在副仪表板后部增加一个后固定支架,该后固定支架既能提升副仪表板整体模态,又能将副仪表板后部固定牢靠,从而达到提升此副仪表板系统的整体可靠耐久性的目的。在设计初期定义此后固定支架的材料为metal牌号DC04,料厚为3mm,通过竞品对标发现很多车型的后固定支架的相同的材料,但是零件料厚仅为1.5mm左右,基于竞品对标情况,我们将此后固定支架的设计料厚由3mm减小到1.4mm,并对局部结构特征进行优化(如图3所示),从而使零件的重量由1.372kg降低到了0.441kg,轻量化了0.931kg,轻量化效果显著。

图3 后固定支架结构轻量化对比

2.2.2 副仪表板骨架轻量化方案构想
副仪表板系统作为内饰系统中一个重要功能集成体,既满足了乘客储物方便性,又满足了驾驶员的换挡方便性,按照传统的副仪表板设计方法[4],换挡器机构总成上部与副仪表板换挡面板通过卡接固定,下部通过打螺钉固定在换挡器支架上,换挡器支架与车身地板固定,从而达到支撑换挡器的目的,保证换挡操作的可靠性(如图4所示)。由此我们设想,如果换挡器支架不直接与地板固定,而是与副仪表板总成集成后再与地板固定,换挡器机构总成固定在副仪表板骨架上,从而可以实现利用换挡器支架充当副仪表板前部骨架的目的(如图5所示),进而达到可以对副仪表骨架进行轻量化的目的,上述轻量化构想方案具体实施方法如下图所示。

图4 传统设计方法下的换挡器支架固定方式


图5 轻量化后换挡器支架的固定方式

当换挡器支架与副仪表板外箱骨架集成后,副仪表板前部区域将因换挡器支架的存在,转而由换挡器支架提供副仪表板前部刚性,进而可以将副仪表板前部骨架切除掉(如图6所示);同时在副仪表板骨架中下部区域由于座椅的遮挡,乘客很难触碰到该区域,因此该区域的副仪表板骨架也是可以被优化掉(如图6所示);而后部区域的骨架由于与后固定支架连接,同样可以由后固定支架对后部区域提供刚性支撑,因此后部区域的骨架是可以挖孔弱化;扶手铰链区域也同样可以采用相同的方法。经过以上轻量化方案的优化,副仪表板骨架质量由2.854kg降低到1.116kg,轻量化了1.738kg,轻量化效果明显。

图6 轻量化前后副仪表板骨架的结构对比

2.2.3 轻量化构想小结
本节采用零件集成、结构弱化以及零件料厚减薄的技术,分别对副仪表板后固定支架和副仪表板骨架进行轻量化,总计轻量化重量达到了2.669kg,轻量化质量占该副仪表板总成(副仪表板总成总质量8.6kg)的31%,轻量化效果显著(如表2所示)。
表2 轻量化构想总结


3 副仪表板系统轻量化方案验证
采用CAE分析的方法对上述的轻量化构想进行仿真验证。此次CAE验证主要从副仪表板模态、头碰以及刚性三个方面的性能进行验证分析[5],验证轻量化后的副仪表板系统是否满足常规的副仪表板性能定义要求。图7为本次CAE分析所需的副仪表板材料参数输入。

图7 副仪表板总成材料参数概况

3.1 副仪表板总成模态验证
对副仪表板总成模态性能进行仿真验证,验证方法按照我司标准中所述的方法,将副仪表板安装在模拟整车环境的虚拟刚性台架上(台架的固有频率应大于100Hz),固有频率大于100Hz的整车刚性台架;Z向振动扫频10~100Hz,扫频速度0.2Hz/s;扫频加速度1G;扫频时间10min;试验结束后要求副仪表板总体模态不低于35Hz;局部模态不低于30Hz。

图8 副仪表板模态分析图

按照上述模态验证方法对副仪表板总成的模态进行CAE仿真验证,从验证结构来看,副仪表板一阶模态达到了30.755HZ,二阶模态为58.558HZ,由此可以证实轻量化后的副仪表板模态可以满足总体模态不低于35Hz;局部模态不低于30Hz的要求。从而证实了我们的轻量化构想满足副仪表板总成模态性能要求(如图8所示)。
3.2 副仪表板总成头碰性能验证
对副仪表板总成的头碰性能进行仿真验证,验证方法根据法规GB11552-2009,用直径165mm的球头模型以24.1km/h的速度撞击仪表板的碰撞区域。要求;球头减速度超过72g的持续时间不超过3ms,不得出现可致人严重伤害的凸起满足突出物法规GB 11552-2009。其CAE仿真结果如下:

图9 副仪表板模态分析图

按照上述头碰性能验证方法对副仪表板总成的头碰性能进行验证,从副仪表板头碰区域随机选取四个点进行头部撞击验证,分析结果得出此四个点的再3ms内的碰撞加速度分别为71.34g、68.43g、68.06g、71.91g(如图9所示),满足≤72g的性能要求,即说明此轻量化方案可行。
3.3 副仪表板总成刚性验证
对副仪表板总成的刚性进行仿真验证,刚性验证分为面刚性验证和点刚性验证,其中面刚性验证按照我司标准,将副仪表板安装在虚拟刚性台架或整车上,副仪表板左侧和右侧各施加150N的力,持续5s。作用力优先施加在副仪表板的高位和后部,作用力点在项目技术文件(或图纸)中明确规定。力垂直于表面,作用面:60mm×80mm的板(手掌和膝盖代表的面积)。试验期间,在150N的作用力下,前部区域的挠度应该小于3mm,后部区域应小于4mm。试验后,在这些区域不应该有任何永久变形;点刚性验证按照我司标准,将副仪表板安装在刚性台架或整车上。副仪表板侧面各施加一个力(Y+/Y-);副仪表板上面向下施加一个垂直的力(Z-);副仪表板后面向前施加一个水平的力(X-)。力的作用点都在项目技术文件(或图纸)中明确规定。力的方向垂直于表面,力的作用面积:端部Ø14mm(代表一个手指头)试验期间,所有点上施加50N的作用力,挠度小于3mm。试验结束之后,在这些区域不应该有任何永久变形。
在测试副仪表板总成点刚性时,在副仪表板侧面随机选取9个点,测试结果如图10所示,副仪表板总成的点刚性用有力的位移曲线来表示。

图10 副仪表板点刚性选点和刚性验证结果


图11 副仪表板点刚性验证的位移曲线图


图12 副仪表板面刚性选点和面刚性验证结果

按照上述试验要求对副仪表板的点刚性和面刚性进行验证,从验证结果来看,轻量化后的副仪表板点刚性和面刚性均能满足性能定义要求,由于可以证实副仪表板系统轻量化构想方案的可行性。
4 结论
本文基于某款电动车型的副仪表板系统,在满足汽车原有的驾驶安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性等性能的前提下,以及汽车本身成本不被提高的基础上,有目标的对该车型进行轻量化优化设计。在上述前提下,本次轻量化优化设计采用的方案,首先对该副仪表板的物料清单中的各子零部件进行质量对比分析,精准找出影响该副仪表板系统质量升高的主要零部件,并就此对这些重量较高的零部件开展优化设计。本文主要采用的轻量化优化设计方法有零件结构弱化和零件集成,首先对副仪表板后固定支架进行减料厚以及结构弱化,使其总质量由1.372kg降低到了0.441kg,同时将换挡器支架由原来固定在车身地板调整到与副仪表板外箱骨架集成,由换挡器支架替代副仪表内箱前部骨架,进而可以对副仪表板前部骨架进行切除优化,同时座椅遮挡区域架、后固定支架区域、扶手铰链区域骨架均可以进行轻量化优化设计,最终副仪表板骨架的质量由2.854kg降低到1.116kg,优化设计完成后,采用CAE仿真分析技术对副仪表板头碰、模态、刚性此三项主要性能进行仿真验证,验证结果达到我司标准要求,由此说明本次轻量化优化设计达标,并最终实现了该副仪表板系统的总体轻量化,为整车制造成本的降低以及性能的提升提供了积极促进作用。

图13 副仪表板面刚性验证位移曲线图

参考文献:
[1]胡朝晖.面向汽车轻量化设计的关键技术研究[D]湖南大学博士学位论文,2010.
[2]孙林玉.车身结构轻量化设计理论、方法与工程实例[M].北京:国防工业出版社,2011:148-187.
[3]张志阳,邵科源,张振宇,等.碳纤维复合材料在纯电动汽车车身中的应用分析[J].工艺材料,2013(10):60-62.
[4]魏元生.长城汽车轻量化技术的应用研究[J].汽车工艺与材料,2011.
[5]曹渡.汽车内外饰设计与实战[M].北京:机械工业出版社,2011,1.




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