汽車踏板輕量化解決方案研究與應(yīng)用

楊啟民 趙智 姜云山 張波 巨智杰 田立勝

（東風(fēng)（十堰）車身部件有限責(zé)任公司，十堰 442000）

1 前言

汽車的輕量化就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。試驗(yàn)證明，若汽車整車質(zhì)量減輕10%，燃油效率可提高6%~8%；汽車整備質(zhì)量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3~0.6 L；汽車質(zhì)量減輕1%，油耗可降低0.7%[1]。

2 輕量化迫切趨勢

2021 年2 月20 日，由工業(yè)和信息化部組織制定的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 19578—2021《乘用車燃料消耗量限值》由國家市場監(jiān)督管理總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)發(fā)布，于2021 年7 月1 日起正式實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了燃用汽油或柴油燃料、最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不超過3 500 kg 的M1 類車輛的燃料消耗量限值要求，是我國汽車節(jié)能管理的重要支撐標(biāo)準(zhǔn)之一。在該標(biāo)準(zhǔn)要求下，整車輕量化是每個主機(jī)廠提升競爭力必經(jīng)之路，同時零部件生產(chǎn)企業(yè)作為汽車工業(yè)重要環(huán)節(jié)，應(yīng)該在輕量化零部件研發(fā)起到主導(dǎo)性作用[2]。

汽車的離合器踏板、制動踏板作為汽車五大操縱機(jī)構(gòu)總成之一。制動離合踏板作為安全保安件是汽車駕駛實(shí)現(xiàn)車速行駛狀態(tài)的控制直接操縱總成。汽車踏板有著嚴(yán)格質(zhì)量要求，在QC/T788 中對踏板彈性變形、永久變形、耐久等有著嚴(yán)格技術(shù)要求。作為專業(yè)的踏板研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)如何在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下給顧客提供質(zhì)量更輕、成本更低、質(zhì)量更優(yōu)的產(chǎn)品，不斷提升研發(fā)手段、固化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、拓展研發(fā)視野、優(yōu)化升級工藝等手段，通過新材料應(yīng)用、新技術(shù)應(yīng)用、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將踏板性價比做到更優(yōu)，從而完成主機(jī)廠每個產(chǎn)品的減重率的要求。

3 新材料應(yīng)用

近年來隨著科技的革新以及新材料的不斷誕生,從汽車結(jié)構(gòu)來說，新型輕量化材料分為兩類：一類是低密度的輕質(zhì)材料，如合金，塑料、復(fù)合材料；一類是高強(qiáng)度材料。

通過對國內(nèi)汽車行業(yè)踏板使用材料調(diào)查，發(fā)現(xiàn)主要使用材料有三大系列：黑色金屬、有色金屬、非金屬（圖1）。

圖1 踏板材料分布

其中，非金屬材料基本全部使用了短玻纖增強(qiáng)尼龍（PA66+GF40）,黑色金屬主要使用Q235-DL510 系列汽車鈑金沖壓。

3.1 PP+LGF40的應(yīng)用

“以塑代鋼”是實(shí)現(xiàn)輕量化的最有效的方式之一，長波纖增強(qiáng)塑料（PP+LGF）是指以熱塑性樹脂為基材，以長度在10~15 mm 的增強(qiáng)玻璃纖維為骨架而混合生產(chǎn)成的塑料顆粒，具有密度低、強(qiáng)度高、模量高、尺寸穩(wěn)定、低親水性等特點(diǎn)，近年來在汽車零部件上應(yīng)用越來越廣泛[3]。PP+LGF 在歐洲汽車品牌中的應(yīng)用如表1 所示。

表1 PP+LGF在歐洲汽車品牌中的應(yīng)用

汽車制動踏板作為架構(gòu)安全件，在PP+LGF 使用時不但要利用好其優(yōu)越材料性能，做好減重的輕量化方案設(shè)計(jì)。同時由于長玻璃纖維在注塑的材料極易產(chǎn)生玻纖堆積，致使整體支架內(nèi)玻纖分部不均，踏板支架整體受力下降。需要開展專業(yè)結(jié)構(gòu)CAE 模擬、模流分析、試驗(yàn)驗(yàn)證和燃燒試驗(yàn)。如圖2 所示，對某項(xiàng)目踏板的分析全過程。

圖2 某項(xiàng)目PP+LGF應(yīng)用分析過程

該踏板PP+LGF 較原來結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少700 g，減重率達(dá)到了33%，同時成本降低6%，所有試驗(yàn)性能優(yōu)于原沖焊件結(jié)構(gòu)。

3.2 鋁合金、鎂合金的應(yīng)用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近三十幾年來美、日、德等國汽車龍頭企業(yè)，其車輛使用鋁合金用量5 kg 到現(xiàn)在的280 kg，鎂合金用量也達(dá)到了50 kg 以上。

鋁及鋁合金作為零件材料有許多顯著的優(yōu)點(diǎn),在滿足相同機(jī)械性能的條件下質(zhì)量比鋼材降低60%左右，且在碰撞過程中比鋼多吸收50%的能量。鎂及鎂合金相對于鋼材、鋁材的強(qiáng)度、剛度都是最高的，其密度為1.8 g/cm3，僅是鋼的1/5，鋁的2/3，其優(yōu)勢顯而易見。

鋁合金、鎂合金在汽車踏板支架可以有效地做到輕量化、低成本和高品質(zhì)，但是要做到壓鑄分析和防腐的重點(diǎn)關(guān)注。如圖3 所示，為已在開發(fā)量產(chǎn)的鋁合金和鎂合金踏板。

圖3 鋁合金和鎂合金踏板

新型材料的應(yīng)用充分體現(xiàn)了作為踏板專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，在汽車輕量化、低成本、節(jié)能環(huán)保發(fā)展的趨勢下提供更好更專業(yè)服務(wù)，通過技術(shù)創(chuàng)新與技術(shù)引用等方式，為主機(jī)廠每個零部件減重率做好最優(yōu)的方案。

4 新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)是指通過采用先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段，在滿足永久變形、彈性變形、模態(tài)、碰撞安全性等諸多方面的性能要求，以及相關(guān)的法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，使用部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化實(shí)現(xiàn)輕量化。利用CAD、CAE 技術(shù)，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車身實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)，相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程分析和永久變形、彈性變形計(jì)算。

4.1 踏板臂輕量化

傳統(tǒng)的踏板臂一般采用8~10 mm 厚的中高強(qiáng)度板沖壓件，很適合汽車部件薄壁化的要求，將8 mm 厚的板料優(yōu)化成厚為2.0 mm 高強(qiáng)度板，采用中控化之后，將踏板臂整體厚度控制在14~16 mm，這樣大大降低了踏板左右側(cè)向彈性變形量，同時零件自身減重率可以達(dá)到45%左右。材料用量減少，單件成本降低，做到輕量化提質(zhì)降本三方面優(yōu)化。圖4 所示為某車型的對扣式空心踏板臂結(jié)構(gòu)。

圖4 對扣式空心踏板臂

由于對扣式空心踏板臂厚度較原來增加2 倍，按照QC/T788 中側(cè)向彈性變形測試中較原單一厚板料大大提高，如圖5 所示，踏板臂空心化前后側(cè)向彈性變形比較。

圖5 踏板臂空心化前后側(cè)向彈性變形比較

4.2 踏板支架輕量化

踏板支架一般采用底板、左支架、右支架、開關(guān)支架4 個件焊接組合，但是所有子件沖壓總工序較長，且各子件通過焊接聯(lián)接。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，沖壓ATUOFROM 模擬分析，將底板、左支架和右支架合成一個件（圖6）。一體式支架大大提高材料利用率，縮短了沖壓工序，取消了焊接工序。不但降低制造成本，提升尺寸穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也大幅提升。

圖6 分體式支架總成與一體式支架對比

4.3 其他零部件輕量化

制動離合踏板支架總成中，不但主體件有輕量化解決方案，同時各個零部件都有輕量化解決方案，如中心軸采用空心管替代，踏板片增加結(jié)構(gòu)造型減薄料厚，中心軸螺母擰緊采用中空鉚接軸鉚接，高強(qiáng)度板應(yīng)用等，每一個件都有減重空間可挖（圖7）。

5 輕量化效果驗(yàn)證

產(chǎn)品輕量化是基于對材料特性、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品性能要求、CAE 分析、工藝保證能力及試驗(yàn)驗(yàn)證保證能力提升基礎(chǔ)上，關(guān)鍵核心要求是保證產(chǎn)品品質(zhì)不降低甚至得到相應(yīng)的提升。如表2 所示，輕量化結(jié)構(gòu)CAE 分析結(jié)果對比。

表2 踏板輕量化前后CAE比較 mm

從CAE 分析結(jié)果比較看踏板使用新材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化輕量化后，踏板的各項(xiàng)性能指標(biāo)并沒有得到犧牲，而且有部分參數(shù)得到了提升。并且在實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證和顧客駕駛車輛的踏板質(zhì)感都有所提升。

制動離合踏板踏板運(yùn)用新材料和新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化，同時簡化加工工藝，每個踏板成本較原來降低5%以上，為顧客創(chuàng)造收益和零部件供應(yīng)商的競爭能力。

6 結(jié)束語

汽車輕量化技術(shù)要以創(chuàng)新需求為紐帶，以獲取汽車輕量化核心技術(shù)為長期戰(zhàn)略目標(biāo)，大力發(fā)展新材料、新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，汽車結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化已逐步發(fā)展成熟并得到廣泛應(yīng)用，但汽車結(jié)構(gòu)的多學(xué)科、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

制動離合踏板運(yùn)用增強(qiáng)塑料、對扣空心踏板臂、鋁合金一體化壓鑄的的輕量化解決方案，可以很好的在其他零部件上借鑒，如鋁合金的商用車懸置、鎂合金保險(xiǎn)杠、長波纖水箱支架等，汽車零件輕量化可以相互借鑒和促進(jìn)作用。