前門環(huán)框架輕量化設(shè)計(jì)方法研究

王松 王立成 湯湧

摘 要：文章以某車型為例，針對(duì)車身前門環(huán)框架，主要介紹了一種車身前門環(huán)框架輕量化的設(shè)計(jì)方法。即通過選取合理的零件材料和料厚設(shè)計(jì)滿足汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及輕量化的需求。這種輕量化設(shè)計(jì)方法能夠降低開發(fā)成本，提升車身品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：車身;前門環(huán)框架;輕量化

中圖分類號(hào)：U462.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-74-03

The Study on the Lightweight Design Method of The Front Knocker Frame

Wang Song， Wang Licheng， Tang Yong

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute， Liaoning Shenyang 110141）

Abstract： A design method of light weight for front knocker frame is introduced in this paper， taking an example of a vehicle in our company as an example. That is to say， by selecting reasonable material and thickness design to meet the needs of vehicle structure strength and lightweight， the lightweight design method for front knocker frame is elaborated in detail. This lightweight design can realize the lightweight of the body， reduce the development cost and improve the quality of the body.

Keywords： Car Body; The Front Knocker Frame; Lightweight

CLC NO.： U462.1? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-74-03

前言

現(xiàn)階段，汽車工業(yè)的發(fā)展亟需解決三大問題：油耗、環(huán)保和安全，因此采用汽車輕量化技術(shù)，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，是未來汽車的發(fā)展方向[1]。輕量化的設(shè)計(jì)方法在保證汽車結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度前提下，還可以降低零部件的自身重量，從而達(dá)到節(jié)能減排，滿足日益嚴(yán)苛的法規(guī)要求[2]。前門環(huán)框架作為車身結(jié)構(gòu)的重要零部件總成，研究一種輕量化的前門環(huán)框架設(shè)計(jì)方法，以滿足車身碰撞安全和剛度需求，同時(shí)降低車身重量。

1 高強(qiáng)鋼應(yīng)用技術(shù)

高強(qiáng)鋼應(yīng)用技術(shù)作為輕量化的主要途徑之一，在國(guó)內(nèi)外車身上的應(yīng)用越來越普遍。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示國(guó)外車型上高強(qiáng)鋼的平均應(yīng)用比例已經(jīng)達(dá)到69%，國(guó)內(nèi)車型的高強(qiáng)鋼的平均應(yīng)用比例也已經(jīng)達(dá)到64%，其中寶鋼BCB的車身高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例竟高達(dá)77%。故高強(qiáng)鋼設(shè)計(jì)的零件強(qiáng)度提高后，在保證性能不變的前提下，可通過減小料厚達(dá)到減重的目的。

以我公司某項(xiàng)目為例，基于車型定義，根據(jù)等強(qiáng)度替換公式，對(duì)基礎(chǔ)車型的高強(qiáng)鋼零件的材料及料厚進(jìn)行替換。以滿足車身輕量化設(shè)計(jì)要求。

1.1 抗變形等強(qiáng)度替代公式

抗變形等強(qiáng)度替代公式如下：

（1）

式中：

R1為被替換零件的屈服強(qiáng)度;

t1為被替換零件的料厚;

R2為替換零件的屈服強(qiáng)度;

t2為替換零件的料厚。

根據(jù)上述公式推導(dǎo)得替換零件料厚：

（2）

利用抗變形等強(qiáng)度替代公式對(duì)駕駛室區(qū)域零件進(jìn)行計(jì)算，求得所應(yīng)用高強(qiáng)鋼零件的料厚。以上公式同時(shí)適用于熱成型零件的料厚換算。

1.2 吸能等強(qiáng)度替代公式

吸能等強(qiáng)度替代公式如下：

（3）

式中：

S1為被替換零件的屈服強(qiáng)度;

t1為被替換零件的料厚;

S2為替換零件的屈服強(qiáng)度;

t2為替換零件的料厚。

根據(jù)上述公式推導(dǎo)得替換零件料厚：

（4）

利用吸能等強(qiáng)度替代公式對(duì)碰撞吸能區(qū)域零件進(jìn)行計(jì)算，求得所應(yīng)用高強(qiáng)鋼零件的料厚。以上公式同時(shí)適用于熱成型零件的料厚換算。

2 熱成型技術(shù)的應(yīng)用

近年來，國(guó)內(nèi)自主車型也越來越多地應(yīng)用熱成形鋼板。熱成型技術(shù)是將鋼板在加熱爐中加熱到一個(gè)合適的溫度，保溫使鋼板完全奧氏體化，再通過機(jī)械手等設(shè)備將加熱后的鋼板取出放進(jìn)具有冷卻水道的熱沖壓模具中，最終完成鋼板的沖壓成型和保壓淬火的過程，使零件形成均勻的馬氏體組織，從而獲得良好的尺寸精度和機(jī)械性能。熱成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了組織轉(zhuǎn)變與零件成型同步，解決了超高強(qiáng)鋼的成型問題，抗拉強(qiáng)度達(dá)1500MPa。如圖2所示，同時(shí)，熱成型零件具有優(yōu)良可靠的安全性能、塑形好、回彈小等特點(diǎn)。

隨著輕量化需求的日益強(qiáng)烈，等厚板熱成型也無法滿足現(xiàn)有需求。近兩年，隨著技術(shù)的發(fā)展，激光拼焊板TWB、差厚軋制板TRB、補(bǔ)丁板PB和軟硬區(qū)Soft Zone等與熱成型相結(jié)合的技術(shù)逐漸開發(fā)出來。圖3為一款合資品牌的B柱外板示意圖，B柱外板為熱成型零件，在上下部分別設(shè)計(jì)紅、藍(lán)色區(qū)域，其中上部的高強(qiáng)度區(qū)，保證整車側(cè)碰時(shí)候的抗變形能力;下部的低強(qiáng)度區(qū)，在整車的側(cè)碰過程中獲得良好的吸能效果。

3 超高強(qiáng)鋼輥壓成型技術(shù)的應(yīng)用

超高強(qiáng)鋼輥壓成型技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了同平臺(tái)相同斷面的門檻可應(yīng)用一套輥壓設(shè)備完成零件成型（如圖4），提高材料利用率，達(dá)到降低項(xiàng)目投資及零件單件成本的目的。同時(shí)運(yùn)用超高強(qiáng)度鋼板成型，在保證較高的前提下對(duì)材料厚度進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕档?，從而達(dá)到減重的目的。這種先進(jìn)的制造工藝是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化最有效的途徑之一。

4 前門環(huán)框架輕量化設(shè)計(jì)

A柱下外板承擔(dān)前門鉸鏈及限位器的安裝。B柱外板承擔(dān)前門鎖扣、后門鉸鏈及限位器的安裝。A柱上外板貫通前后門上部，連接A柱下外板、B柱外板;門檻外板貫通前后門下部，連接A柱外板、B柱外板，它們與頂蓋邊梁外板是前門環(huán)框架的主要構(gòu)成零件（如圖5）;與頂蓋邊梁內(nèi)板焊接組成頂蓋邊梁，分布在頂蓋左右兩側(cè)，構(gòu)成車身主體框架，承擔(dān)整車扭轉(zhuǎn)及彎曲;在車身相關(guān)試驗(yàn)中，尤其在正面、側(cè)面碰撞及車頂側(cè)壓時(shí)，是能量的主要傳遞路徑，對(duì)有效減少駕駛艙變形，保護(hù)駕乘人員的安全，? 起到至關(guān)重要的作用。

熱成型后的零件具有特高強(qiáng)度，考慮零件功能與性能，故A柱下外板、A柱上外板和B柱外板采用B1500HS的熱成型材料;頂蓋邊梁外板采用HC420/780DP高強(qiáng)鋼?？紤]成本，同平臺(tái)的車型在項(xiàng)目開發(fā)前期將門檻外板設(shè)計(jì)為等截面結(jié)構(gòu)，故門檻外板采用HC820/1180DP超高強(qiáng)度鋼板，應(yīng)用輥壓工藝成型。

根據(jù)以上定義好的材料零件，應(yīng)用等強(qiáng)度公式1.1和1.2進(jìn)行計(jì)算，獲得相對(duì)應(yīng)零件材料的料厚。再將零件材料及料厚輸入CAE進(jìn)行性能驗(yàn)證，針對(duì)性能變化對(duì)零件料厚進(jìn)行微調(diào)，確認(rèn)替換零件的最終料厚。從而降低零件材料厚度，以達(dá)到輕量化的目的。以上輕量化設(shè)計(jì)方法的綜合應(yīng)用，使得前門環(huán)框架可以實(shí)現(xiàn)減重10%。

5 結(jié)論

本文以綜合使用高強(qiáng)鋼應(yīng)用技術(shù)、熱成型技術(shù)、超高強(qiáng)鋼輥壓成型技術(shù)作為輕量化設(shè)計(jì)思路，結(jié)合零件所需的功能及性能，確定了零件材料的定義范圍，應(yīng)用等強(qiáng)度替代公式獲得零件材料的料厚，并結(jié)合CAE性能分析，確認(rèn)替換零件的最終料厚，以達(dá)到輕量化的目的。

“針對(duì)不同功能的零件選擇合適的制造工藝及材料”是實(shí)現(xiàn)具有高性價(jià)比的輕量化設(shè)計(jì)方法，這種結(jié)合性能和成本的輕量化設(shè)計(jì)既可應(yīng)用于量產(chǎn)車型的降本，也為后續(xù)開發(fā)新車型提供了方向，將是未來汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓維建.汽車材料及輕量化趨勢(shì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[2]張軍.汽車節(jié)能技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.