新材料与工艺手册

[轻量化专用车] 载货汽车轻量化浅析

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发表于 2020-9-27 15:20:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】载货汽车轻量化浅析

张先航,韩承祥,侯金平,李伟鹏,刘永新,李德圆
(262300 山东省 日照市 山东五征集团有限公司)
[摘要] 载货汽车轻量化已经成为载货汽车行业的重中之重,而受到行业特点的影响,先进的工艺和材料还很难得到有效的利用。将精益设计思想与结构优化设计结合在一起,设计了更加适合载货汽车行业发展的轻量化流程,并结合实例验证了该流程的正确性,为载货汽车的轻量化提供一个新的途径。
[关键词] 载货汽车轻量化;精益设计;结构优化; HyperWorks;轻量化设计流程

0 引言

汽车轻量化已经成为汽车界的热门话题。研究表明:汽车整备质量每降低10%,燃油效率提高6%,并可减少CO2 的排放[1-2]。最近几年,随着国家对载货汽车超限车辆的治理,载货汽车的轻量化也受到各大汽车企业越来越多的关注和重视,并制定了一系列措施来实现车辆轻量化的目的,其中包括:将CAE 分析引入新产品的开发全过程;对现有产品进行轻量化,以满足国家法规的要求;对市场反馈的问题运用CAE 技术进行分析,以求达到既解决问题又降低重量的目的。

目前,汽车轻量化的途径主要有:(1)采用结构优化设计;(2)采用轻量化材料;(3)采用先进制造工艺[3-5]。对于载货汽车来说,尤其是三轮汽车,由于市场竞争的残酷,各大企业的利润率都维持在一个较低水平,这就要求在对车辆轻量化的同时,以不增加成本或者少增加成本为实施标准。轻量化材料(例如塑料橡胶)在载货汽车的使用已经趋于饱和[6],近期很难有较大的提升,而高强钢、铝合金镁合金或者复合材料的使用则意味着现有工艺的巨大改变和成本的提升,先进的制造工艺,例如激光焊接、热熔钻和内高压成型等,由于成本和工艺的改变也很难在载货汽车上得到应用和推广。

精益设计是近几年由美国传入我国的一种设计理念,其中一条重要的原则就是:最少的零部件。这与奥卡姆剃刀定律“如无必要、勿增实体”不谋而合,也同样适用于轻量化设计,而这往往是CAE工程师忽略的地方。当接到轻量化任务时,很少有人提出所分析优化的零件是否有存在的必要,而这项内容的缺失经常会导致企业人力与财力的浪费。

本文将精益设计的理念融入轻量化设计中,从而设计了一种新的轻量化流程。该流程包含零件的必要性分析,并结合HyperWorks 对必要的零件进行结构优化,从而达到轻量化的目的。采用该种方法时,工艺基本保持不变,强度与刚度一般优于原设计,并且每降低重量10%,成本降低不低于5%(该成本包含模具等所有生产费用的投入)。本文应用具体实例验证了流程的正确性,为载货汽车的轻量化提供了一种新的思路。


1 载货汽车轻量化设计流程

载货汽车轻量化设计流程参见图1。对于该流程,有以下3 个方面需要注意:(1)轻量化不仅仅是CAE 工程师的事情,流程中需要结构工程师、总布置设计师的参与;(2)当判定需要轻量化的零件是否必要时,要求CAE 工程师具有足够的结构判断能力,否则将被结构工程师误导;(3)当判定是否满足轻量化目标时,不仅要关注零件的重量和成本,还要关注零件的强度、刚度、模态以及安全系数等相关参数。

图1 轻量化设计流程
Fig.1 Process of lightweight

2 流程在载货汽车轻量化中的应用2.1 非必要零件

对载货汽车的所有支架和加强类零件都需分析其存在的必要性。图2 为某品牌载货汽车底盘

图2 某载货汽车底盘
Fig.2 Chassis of a truck

由于该车型纵梁选择的是矩管结构,所以总布置设计师在布置油箱、空滤器、蓄电池、工具箱等部件时,为了方便装配,在车架上焊接了多个连接架,并在连接架内部焊接有螺母,用于和上述部件的固定支架相连接,固定支架安装后再安装油箱、空滤器等功能性部件。利用精益设计的思想去分析这些结构,连接架是非必要零件,可以考虑取消该车架上的所有连接架,不会影响整车的性能。取消这些连接架,不只降低了零件本身的成本,还降低了零件的运输、仓储、喷涂等一系列成本,所以零件减重为100%,而成本将降低大于100%,由此可以看出减少非必要零件带来的益处。

2.2 部分必要零件

对于焊合零件,或者多个零件组合在一起实现某一功能,宏观上是必要零件,但微观分析,其中的部分零件为非必要零件,可以取消。为了保证功能实现,需要对保留的零件进行重设计。

(1)某载货汽车的货箱撑杆固定座。

如图3 所示,原设计中的支座与固定架焊接后,共同固定货箱撑杆。利用精益设计的思想对该结构进行分析,则固定架为非必要件,支座为必要件,取消固定架,保留支座,并对支座进行重设计,结果如图4 所示。

图3 某载货汽车货箱撑杆座(V0)
Fig.3 Cargo box brace of a truck (V0)
1.车架纵梁 2.货箱撑杆 3.支座 4.固定架

图4 新式货箱撑杆座(V1)
Fig.4 New cargo box brace (V1)
1.车架纵梁 2.支座

新的设计借用了纵梁(必要零件),与纵梁新加的孔共同组成新式的货箱撑杆座,实现固定货箱撑杆的功能。在HyperWorks 中进行分析,结果如图5 和图6 所示。

图5 V0 的CAE 分析结果
Fig.5 CAE result of V0

图6 V1 的CAE 分析结果
Fig.6 CAE result of V1

根据分析结果,重设计的撑杆座(V1)可以进行拓扑优化,以V1 版的体积减少50%为约束条件,以刚度最大为目标进行拓扑优化,结果如图7 所示。

根据优化结果进行结构设计,完成后的V2版本三维模型如图8 所示。

图7 V1 优化后等值面图
Fig.7 Isosurface of optimized V1

图8 设计完成的V2三维模型
Fig.8 3D model of V2

为了确保设计的合理性,将V2 版本的三维模型导入HyperWorks,再次进行分析,分析结果如图9 所示。

图9 V2 的CAE 分析结果
Fig.9 CAE result of V2

利用价格核算软件分别对3 个版本的货箱撑杆座进行成本核算,对比结果见图10。

图10 轻量化前后的成本
Fig.10 Comparison of lightweight cost

由图10 可知,与V0 相比,V2 减轻更多的重量,但是V2 的成本与V1 的成本相同。由于成本受到材料利用率、工艺和模具等因素的影响,成本不会随着重量的降低而降低。但是本文讨论的是轻量化,所以V2 版本更符合轻量化目的。3个版本的数据对比见表1。

表1 轻量化前后数据对比
Tab.1 Comparison of lightweight data

在HyperWorks 中,不能直接得到模型的刚度,所以用柔度来表征,柔度越小刚度越大。

(2)某载货汽车的副簧限位架

由图11 可知,限位板与支撑管焊接在一起组成副簧限位架,承担重载时副簧传递的载荷。利用精益设计思想进行评估,限位板为必要零件,支撑管为非必要零件,可取消。对限位板进行重设计,重设计的副簧限位架如图12 所示。

图11 副簧限位架(V0)
Fig.11 Mount of secondary leaf-spring(V0)
1.车架纵梁 2.支撑管 3.限位板 4.钢板弹簧(副簧)

利用HyperWorks 对V1 版本进行拓扑优化,并根据拓扑结果进行结构设计,完成后的V2 版本三维模型如图13 所示。

图12 重设计的副簧限位架(V1)
Fig.12 Redesigned mount of secondary leaf-spring (V1)

图13 设计完成的副簧限位架(V2)
Fig.13 Mount of secondary leaf-spring V2

副簧限位架3 个版本的数据对比见表2。

表2 轻量化前后数据对比
Tab.2 Comparison of lightweight data

由表2 可知,副簧限位架质量由1.73 kg 降低到0.89 kg,约降低49%;成本由9.61 元降低到5.98 元,约降低37%。并且轻量化后的刚度、强度和安全系数都不低于原设计,满足轻量化目标,所以设计可行。以上成本只对比了制作成本,未考虑运输和仓储成本,所以,实际成本的降低将超过37%这一理论成本。

2.3 必要零件

对于功能和结构必要零件,需要直接进行结构优化。结构优化设计的主要方法包括:尺寸优化、形状优化、拓扑优化、形貌优化、自由尺寸优化、自由形状优化、多目标设计优化等。

(1)某载货汽车的后板簧前吊耳

图14 所示为某载货汽车的后板簧前吊耳,该件对于载货汽车来说是必要零件,采用拓扑优化的方法对该件进行结构优化,并根据优化结果完成结构设计。设计完成的后板簧前吊耳三维模型如图15 所示。

图14 后板簧前吊耳(V0)
Fig.14 Front lug of rear leaf-spring (V0)

图15 设计完成的后板簧前吊耳(V1)
Fig.15 The 3D model of front lug of rear leaf-spring (V1)

后板簧前吊耳两个版本的数据对比见表3。

表3 轻量化前后数据对比
Tab.3 Comparison of lightweight data

由表3 可知,轻量化后,后板簧前吊耳的重量约降低25%,成本约降低23%,其余参数皆优于原设计,满足轻量化目标,设计可行。

(2)某载货汽车的蓄电池支架

图16 所示为某载货汽车的蓄电池支架,该件用于安装蓄电池,为必要零件,采用拓扑优化和形貌优化方法对其进行结构优化。根据优化结果完成的三维数模如图17 所示。

蓄电池支架2 个版本的数据对比见表4。

图16 蓄电池支架(V0)
Fig.16 Mount of battery (V0)

图17 蓄电池支架(V1)
Fig.17 3D model of V1

表4 轻量化前后数据对比
Tab.4 Comparison of lightweight data

由表4 可知,轻量化后蓄电池支架的质量约降低46%,成本约降低42%,其余参数皆优于原设计,满足轻量化目标,设计可行。

3 结论

汽车轻量化的方法多种多样,但是精益设计+结构优化才是适合载货汽车应用的最好方法。本文按照轻量化设计流程,以载货汽车的部分零件为例进行了轻量化设计,验证了轻量化流程的正确性,为今后载货汽车的轻量化提供了一种更好的途径。



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