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[轻量化轻卡|重卡] 商用车车身内外饰轻量化设计的探讨

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发表于 2020-11-20 17:01:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】商用车车身内外饰轻量化设计的探讨
来源:期刊-《汽车世界·车辆工程技术》;作者:孙 雪1,岳本朋2
(1. 山东五征集团;2.浙江吉利新能源商用车有限公司)


摘 要:在整个汽车领域,对于在汽车能源消耗中占绝对主导的商用车来说,减轻自重,降低油耗,对于我国交通运输的可持续发展来说更加迫切。对货运与物流分析,降低燃油消耗量成为节能减排的关键。因此实现商用车轻量化、降低燃油消耗、增加载质量、提高运输效率对我国货运与物流行业可持续发展至关重要。本文将从商用车车身内外饰方面,探析目前车身及附件层面的轻量化的方法及发展趋势。
关键词:轻量化;车身;内外饰;法规;标准



1 商用车轻量化意义&趋势
1.1 商用车轻量化实施的意义
随着国家、行业等关于商用车超载超限整治力度,维护运输物流行业的健康可持续性发展,在目前的特有的货运环境下,所有的高速公路都实施计重收费,按轴荷计重等举措,加上近年来更为严格的超载治理,当下如何既能提高载货量,又能降低成本,只有不断降低整车的装备质量上想办法。
分析汽车轻量化与燃油消耗的关系,发动机的功率主要消耗在克服汽车行驶阻力上,汽车行驶阻力由空气阻力、滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力等组成。空气阻力主要与车身的形状、迎风面积等有关,特别在高速行驶时关系更大,但它与整车的总质量无关;而除空气阻力以外的滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力均与整车的总质量成正比,所以减轻自质量,是减少上述三种阻力的重要因素,也是降低燃油消耗的有效措施。根据有关试验资料计算,车辆减轻自质量10%,可降低油耗6%~8%。对载货汽车来说,减轻自质量还提高了有效载质量,即增加了质量利用系数,从而提高运输效率,降低运输成本,这相对来说也是降低了燃油费用。


图1

1.2 商用车轻量化的趋势
商用车轻量化是建设节约型社会和可持续发展的必然趋势,车身及内外饰作为整车轻量化的主要组成部分。内外饰的轻量化技术随着新材料、新技术、新工艺的发展,轻量化设计思维逐步得到重视和应用。减轻整备质量而不影响汽车的强度、功能和安全性是内外饰轻量化的实施原则。在确保稳定提升车身性能的基础上,持续优化车身内外饰部件的材料、结构、工艺,模拟分析、拓扑优化,内外饰设计会更倾向于环保性、安全性、节能型、智能性。设计过程中注重通用化、模块化、绿色设计的原则,运用新技术、新工艺、新材料是目前阶段车身内外饰件的设计和趋势主要思路。


2 商用车内外饰轻量化途径
2.1 目前商用车车身件轻量化实施的环境分析
商用车的车身外饰件轻量化,就是通过结构优化或应用新材料和新工艺,达到降低整车质量,而不影响汽车基本性能的一种设计方法。因商用车的使用工况的不确定性,加大了性能分析的难度,在高达3-4倍空满载荷重比;路况的复杂性;气候的差异性;用户的文化差异;连续行驶的高负荷性等等都影响了轻量化设计的难度。

2.2 商用车内外饰件轻量化的应用途径
轻量化材料应用;内外饰件支架类的高强钢、超高强钢、铝合金镁合金复合材料运用;内外饰件高强度材料、复合材料、三明治或蜂窝板夹层材料、低密度材料的应用。例如:目前中重卡外饰件的大量使用的SMC 片状热固成型的材料,有原密度1.8-1.9 改为使用1.5 左右的密度片状材料,在通过配合结构采用可变厚度的成型工艺,可以有效的降低零部件重量,在满足零件理论的刚度、强度工况下,减重可以达到8~10%左右。目前很多主机厂已经进行小批量的运用,取得了良好的效果。
优化零件结构设计,内外饰骨架的设计基于CAE 分析进行内外饰零部件的结构设计。能提高新产品研发的效率和产品的性能,降低新产品研发的成本,提高产品的竞争力,选择合理结构和厚度,从而实现减重。车身内外饰件选择多种工艺路线的运用,如:外饰件使用传统的SMC 材料改为使用可变厚度轻质SMC 材料、RIM-DCPD 材料、气辅注塑、碳纤维复合材料、玻纤及其他纤维复合材料等。内饰零件如使用轻质RTM 材料、发泡成型材料、可变厚度的材料、蜂窝板、三明治板材形成的运用等等。支架类采用铝合金、玻纤强化高分子聚合材料;钣金支架等支撑结构连接逐步推广使用激光焊接、摩擦焊、胶粘、铆接、结构胶、发泡硬化材料的使用等等,都是目前成熟的运用主要方法。


图2


3 商用车车身内外饰的轻量化应用与实践
3.1 一款商用车车身外饰轻量化应用
以下是某车型的一款踏步装置的轻量化应用案例,根据该零部件的使用需求及用途,在保证正常使用功能而进行适当的轻量化设计。信息如下:

图3 一款重卡踏步装置的事宜图

3.2 轻量化前的参数表1

3.3 轻量化后的参数表2

3.4 基于CAE 的踏步装置的轻量化后的静强度及工况
基于HyperMesh 进行前处理;OptiStruct 求解器进行强度分析,使用HyperView 进行后处理的分析结果:
约束:按“左前123,右前13,左后3,右后3”约束白车身四个悬置的自由度载荷。
环境输入:工况1,极限工况,踏步踩踏位置施加负Z 向2050N,负Y 向1140N;工况2,上车工况,踏步踩踏位置YZ 平面内,与Z 轴夹角18°方向施加负1500N。
模态:踏步装置的安装模态分析为右侧安装的踏步状态,约束白车身四个悬置全部自由度,计算50Hz 内的上车踏步整体状态。


图4

3.5 分析结果
图5 踏步本体强度分析结果

图6 踏步支架强度分析结果

3.6 分析结果汇总
优化后的各部件最大应力峰值:
表3

踏步装置轻量化后的整体工况分析:
表4

踏步装置优化前后的强度对比:
表5

结论:通过轻量化后的上车工况、极限工况的刚强度等,轻量化后的踏步满足设计强度要求。踏步装置减重3.15kg,成本基本不增加的情况下实现重量降低。


4 商用车车身内外饰轻量化目前阶段面临的问题
轻量化制造技术的发展过程不尽相同,但是实现的目标只有一个,就是轻量化,并保证安全性,实现成本和效益的最佳化。内外饰件轻量化面临的主要问题是技术瓶颈和成本压力;例如玻纤填充的复合材料支架类的运用,饰件装置减重高达40~50%,但是成本增加50%,现状:钣金支架较为常用,铸铝件、纤维填充注塑材质的支架可以互换,能够随时可实施。
外饰件SMC 材质中的玻纤材质更换采用碳纤维,强度是2.5 倍/-3倍,密度能减少1/3。但是工艺复杂:需要约30 道工序。另外外观件材料品质的稳定性、加工技术及制造体系的稳定性都无法比现有工艺作比较。SMC 等热固性的材料、纤维填充材质在可降解、可回收、环保等面临更大的挑战。另外如何推动材料、工艺与设计三者之间的高效沟通等等,都是主机厂、供应商、原材料等等进行协调开发与配合。因此在轻量化实施的路途上,需要汽车主机厂+零部件供应商+材料供应商联合起来,共同研发、共同制造,共同为我国的商用车内外饰的轻量化工作贡献力量!




发表于 2020-12-2 11:58:56 | 显示全部楼层
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