汽車車門輕量化設計研究現(xiàn)狀及其技術(shù)措施

李永湘 許天輝 王光艷

摘 要：為降低汽車車門重量，解決汽車經(jīng)濟性和節(jié)能環(huán)保問題，分析了汽車車門輕量化設計研究現(xiàn)狀，給出了車門輕量化技術(shù)措施，通過采用合理的整車布局、優(yōu)化車門結(jié)構(gòu)、選擇新材料和新的制造技術(shù)可以實現(xiàn)車門輕量化，并改善國內(nèi)汽車綜合性能。

關(guān)鍵詞：汽車車門;輕量化設計;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.022

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車作為民眾出行的一種普通交通工具逐漸進入我國普通家庭。汽車的經(jīng)濟性和節(jié)能環(huán)保問題受到人們越來越多的關(guān)注。汽車輕量化設計是提高汽車經(jīng)濟性、節(jié)省能耗和降低污染物排放的一個重要舉措。由于車身和底盤是汽車主要受力結(jié)構(gòu)件，直接關(guān)系到汽車的工作性能和安全性，不容易減少其重量。而汽車車門輕量化設計可行性比較好，對解決汽車經(jīng)濟性和節(jié)能環(huán)保問題具有重要意義。

1 汽車車門輕量化設計研究現(xiàn)狀

汽車類型多種多樣，不同車型的汽車車門也有所區(qū)別，一些學者主要從整車輕量化技術(shù)、車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化和車門材料技術(shù)三個角度研究了汽車車門輕量化問題。

在整車輕量化技術(shù)研究方面，德州學院王林林等對小型乘用車車身覆蓋件進行虛擬建模仿真研究，優(yōu)化了設計參數(shù)[1]。吉林大學葉輝等研究了車身剛度、模態(tài)與板厚之間的關(guān)系，求解了最小車身重量，并進行了碰撞仿真試驗[2]。上海交通大學劉釗等研究了車身多學科優(yōu)化問題，并將粒子群算法進行改進后運用于轎車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[3]。

在車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究方面，揚州大學華琰等基于HyperMesh對汽車車門防撞梁進行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設計了一種W形狀的車門防撞梁結(jié)構(gòu)[4]。首鋼技術(shù)研究院魏福林等采用NSGA-Ⅱ算法從強度、剛度、安全性等多個方面優(yōu)化了汽車車門外板結(jié)構(gòu)[5]。陜西重型汽車有限公司車紅江等從車門關(guān)閉力角度優(yōu)化了重型卡車車門結(jié)構(gòu)[6]。

在車門材料技術(shù)研究方面，眾泰汽車研究院冀鵬研究了HC300/500DP材料應用于汽車車門外板的力學性能[7]。上海理工大學高大威等研究了超高強度鋼22MnB5用于汽車車門防撞桿的力學性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8]。中鋁材料應用研究院任毅斌等研究了5182鋁合金在車身材料連接中應用[9]。

2 車門輕量化技術(shù)措施

綜合上述研究工作，要實現(xiàn)車門輕量化，可從整車布局、車門機構(gòu)、材料選擇和制造技術(shù)四個方面采取措施。如圖1所示。

2.1 采用合理的整車布局

利用CAE等工具建立汽車整車分析模型，進行整車的靜力學分析、動力學分析、振動分析、穩(wěn)定性分析、碰撞分析等，構(gòu)建尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、多學科設計優(yōu)化數(shù)學模型，對整車布局進行優(yōu)化設計。

2.2 優(yōu)化車門結(jié)構(gòu)

車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化重點需要合理布置車門上的各部分結(jié)構(gòu)，例如車門與其周邊結(jié)構(gòu)件之間的關(guān)系、門鎖的安裝、鉸鏈的位置、窗口框架結(jié)構(gòu)、玻璃及其升降器的設計、密封部件設計等等，車門結(jié)構(gòu)設計涉及的因素多，可將遺傳算法、粒子群算法、多目標學科優(yōu)化方法等進行改進引入到車門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，求解車門結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)值或次優(yōu)值。

2.3 選擇新材料

一些新材料的應用、復合材料的選用和不同材料的組合使用可減少車門的總體重量，不同材料有不同的性能，可根據(jù)車門不同部位的要求選擇合適的材料，例如，高強度鋼可用于制造車門外殼等，而球墨鑄鐵密度比鋼的密度要小，所以在恰當?shù)牟课挥们蚰T鐵代替鋼可以減少車門重量。低密度金屬鋁合金、鈦合金、鎂及鎂合金的使用也可大大減少車門重量。部分地方還可使用塑料和陶瓷材料代替鋼。碳纖維增強材料、玻璃纖維增強材料等復合材料也可作為汽車車門部分結(jié)構(gòu)件材料。合理地選擇、組合和使用材料，可提高汽車車門的綜合性能，并減少車門重量。

2.4 應用新的制造技術(shù)

制造技術(shù)直接影響汽車車門的性能，國內(nèi)部分汽車企業(yè)的鈑金模具精度低，車門成型質(zhì)量差。需要不斷提高模具精度，錘煉制造技術(shù)，研究新工藝，改進工藝參數(shù)，提高沖壓、焊接、膠合、裝配技術(shù)水平，從而提高車門成型質(zhì)量，降低車門重量。

3 結(jié)束語

當前國內(nèi)汽車總體處于中低檔水平，汽車車門所用材料以鋁合金和高強度鋼應用比較多，國內(nèi)汽車質(zhì)量比歐日系汽車要低，通過采用合理的整車布局、優(yōu)化車門結(jié)構(gòu)、選擇新材料和新的制造技術(shù)可以實現(xiàn)車門輕量化，并改善國內(nèi)汽車綜合性能。

參考文獻：

[1]王林林，劉世達，陳照青.基于汽車輕量化車身覆蓋件的建模優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2018（02）：94-96.

[2]葉輝，胡平，申國哲，孫宏圖，劉波，周定陸.基于靈敏度和碰撞仿真的汽車車身輕量化優(yōu)化設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2010（10）：18-22，27.

[3]劉釗，李晗，朱平.基于粒子群算法的轎車車身多學科優(yōu)化設計 [J].汽車工程，2018（03）：251-258.

[4]華琰，徐晶，陳新文，單金良，李磊，謝顯晨.汽車車門防撞梁結(jié)構(gòu)改進與安全性分析[J].機械工程與自動化，2017（06）：1-2.

[5]魏福林，李春光，劉立現(xiàn)，王彥超，張偉.基于NSGA-Ⅱ的汽車車門外板多目標結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].汽車零部件，2017（08）：3-8.

[6]車紅江，樊敏鋒，杜濤，薛增斌.某重型卡車車門關(guān)閉力分析優(yōu)化[J].汽車實用技術(shù)，2018（18）：57-59.

[7]冀鵬.HC300/500DP在汽車車門外板應用驗證[J].汽車實用技術(shù)， 2018（02）：84-86.

[8]高大威，鄧有志，高云凱.超高強度鋼車門防撞桿結(jié)構(gòu)多學科優(yōu)化[J].公路交通科技，2012（06）：144-149.

[9]任毅斌，吳少朋，汪偉.5182鋁合金柔性包邊連接在鋁合金車身上的應用[J].汽車工藝與材料，2017（10）：48-50，56.