新能源汽車產(chǎn)品減重方案的實(shí)施過程

白耀明

摘要：我國于2020年9月22日，在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”目前新能源汽車發(fā)展的瓶頸主要是續(xù)駛里程焦慮，解決這一難題主要是有三種途徑：一是提高電池密度增加電池容量，提高續(xù)駛里程；二是優(yōu)化電池電控參數(shù)減少耗電量；三是減輕整車質(zhì)量減少耗電量。重點(diǎn)對減重方案措施實(shí)施過程及方法進(jìn)行研究，拓寬產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計思路，確保質(zhì)量目標(biāo)的達(dá)成。

主題詞：碳中和；新能源；汽車；輕量化

汽車產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的重要目標(biāo)包含性能、成本、質(zhì)量和周期。開發(fā)一款成功的產(chǎn)品，上述目標(biāo)都要達(dá)成。本文重點(diǎn)研究質(zhì)量目標(biāo)達(dá)成過程或降低產(chǎn)品質(zhì)量的措施。以某新能源全尺寸越野車型后橋短縱拉桿減重過程進(jìn)行說明。

項(xiàng)目介紹

根據(jù)項(xiàng)目組的要求，對一款非承載式車身結(jié)構(gòu)的全尺寸越野車型進(jìn)行減重活動，以提高產(chǎn)品競爭力。動力總成為插電混合動力型，前橋電動機(jī)驅(qū)動，后橋發(fā)動機(jī)驅(qū)動。后懸架為五連桿整體橋結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

目前項(xiàng)目處于數(shù)據(jù)凍結(jié)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)確定階段，該產(chǎn)品已經(jīng)完成首次產(chǎn)品結(jié)構(gòu)確定，并且完成仿真分析及臺架試驗(yàn)，產(chǎn)品性能滿足目標(biāo)要求。為了提高產(chǎn)品競爭力現(xiàn)在根據(jù)項(xiàng)目組要求，保證在不提高產(chǎn)品成本的前提下，質(zhì)量再降低10%；同時需要考慮在確保整車項(xiàng)目周期不延期的情況下制作產(chǎn)品減重方案。

該項(xiàng)目主要減重對象是后懸架中的短縱拉桿，其安裝位置如圖2所示。

圖2 短縱拉桿安裝位置示意

通過焊接將兩個套管與拉桿本體兩端焊接，兩端焊接的套管為壁厚3mm的35無縫鋼管，拉桿本體為外直徑23mm、壁厚4mm（35鋼）冷拔無縫鋼管，如圖3所示。

圖3 短縱拉桿結(jié)構(gòu)

方案制定

根據(jù)減重任務(wù)，組織相關(guān)人員（涉及項(xiàng)目、總布置、產(chǎn)品、仿真分析、試驗(yàn)、工藝及采購等相關(guān)部門人員）采用頭腦風(fēng)暴的方式進(jìn)行方案制定，然后對所有方案逐一分析，最終確定最佳方案。

經(jīng)過研討確定四種減重方案（具體見表1），并且從結(jié)構(gòu)、材料、成本及質(zhì)量等方面進(jìn)行了對比分析。

表1 短縱拉桿減重方案

方案 本體結(jié)構(gòu)/mm 材料 成本/元 質(zhì)量/kg

原方案 φ23×壁厚4 35鋼 7.26 0.562

方案1 φ25×壁厚2 35鋼 5.97 0.340

方案2 φ15圓棒 35鋼 6.16 0.416

方案3 φ12圓棒 35鋼 5.38 0.266

方案4 φ12圓棒 45鋼 5.20 0.266

下面對以上方案逐一分析，以便確定最優(yōu)方案。

1）方案1，基于總布置以及整車運(yùn)動校核分析，短縱拉桿本體外直徑23mm已經(jīng)為最大邊界，不能再加大，因此否決該方案。

2）方案2，本體結(jié)構(gòu)由無縫冷拔管結(jié)構(gòu)調(diào)整為圓棒結(jié)構(gòu)，外直徑由23mm調(diào)整為15mm；成本降低1.1元，質(zhì)量降低0.146kg（降低26%）。

3）方案3，本體結(jié)構(gòu)由無縫冷拔管結(jié)構(gòu)調(diào)整為圓棒結(jié)構(gòu)，外直徑由23mm調(diào)整為12mm；成本降低1.88元，質(zhì)量降低0.296kg（降低53%）。

4）方案4，本體結(jié)構(gòu)由無縫冷拔管結(jié)構(gòu)調(diào)整為圓棒結(jié)構(gòu)，外直徑由23mm調(diào)整為12mm；材料由35鋼調(diào)整為45鋼，成本降低2.06元，質(zhì)量降低0.296kg；經(jīng)工藝工程師評估45鋼焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)焊接裂紋，不建議采用45鋼，或者增加焊接后退火處理以降低焊接裂紋風(fēng)險。

根據(jù)上述所有方案的分析并且結(jié)合項(xiàng)目總監(jiān)意見，最終選擇方案2，方案3作為可實(shí)施方案繼續(xù)推進(jìn)。

仿真分析

委托仿真分析部門對優(yōu)化方案2、方案3進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)力仿真分析，這里僅選取四種典型工況進(jìn)行說明（見表2）。

表2 短縱拉桿減重方案CAE分析結(jié)果

工況 工況1 工況2 工況3 工況4

原方案 應(yīng)力分布

最大應(yīng)力/MPa 49 34 84 186

方案2 最大應(yīng)力/MPa 52 36 81 191

增幅/% +6.1 +5.8 -3.5 +2.7

方案3 最大應(yīng)力/MPa 60 57 87 239

增幅/% 22.4 +67.6 +3.5 +28.5

經(jīng)仿真分析結(jié)果與原方案對比，方案2最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度（191MPa＜315Pa），整體工況應(yīng)力最大增幅為+6.1%＜10%，該方案可行；方案3最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度（239MPa＜315Pa），整體工況應(yīng)力最大增幅為+67.6%＞10%，且三種工況應(yīng)力增幅超過10%，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷應(yīng)力增幅較大，該方案有風(fēng)險，不可行。

樣件制作

1.產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)確定

經(jīng)減重降本VAVE小組共同確認(rèn)選用方案3作為最終方案實(shí)施。由產(chǎn)品工程師確定技術(shù)狀態(tài)，將技術(shù)文件傳遞至供應(yīng)商和采購工程師，開啟樣件生產(chǎn)制作。

2.樣件交付及確認(rèn)

為確保項(xiàng)目順利推進(jìn)實(shí)施，由采購工程師跟蹤樣件制作進(jìn)展，由產(chǎn)品工程師及時處理技術(shù)問題。

3.產(chǎn)品質(zhì)量確認(rèn)

為保證產(chǎn)品驗(yàn)證有效，需要從以下幾方面對產(chǎn)品樣件狀態(tài)及質(zhì)量進(jìn)行確認(rèn)。

1）產(chǎn)品材料化學(xué)元素分析見表3，檢測結(jié)果合格。

表3 化學(xué)元素成分分析? ? （質(zhì)量分?jǐn)?shù)：%）

元素 C Si Mn P

標(biāo)準(zhǔn)值 0.32～0.39 0.17～0.37 0.50～0.80 ≤0.025

檢測值 0.36 0.22 0.59 0.65

元素 S Cu Cr Ni

標(biāo)準(zhǔn)值 ≤0.020 ≤0.25 ≤0.25 ≤0.30

檢測值 0.002 0.01 0.03 0.01

2）材料機(jī)械性能檢測見表4，結(jié)果合格。

表4 機(jī)械性能分析

機(jī)械性能 抗拉強(qiáng)度

/MPa 屈服強(qiáng)度

/MPa 斷后伸長率

/%

標(biāo)準(zhǔn)值 ＞530 ＞315 ＞20

短縱拉桿本體 726 508 27

3）硬度檢測結(jié)果見表5，結(jié)論為合格。

表5 硬度分析? ? ?（單位：HRC）

維氏硬度 點(diǎn)1 點(diǎn)2 點(diǎn)3

標(biāo)準(zhǔn)值 ＞18.0

穩(wěn)定桿支架 17.2 17.4 17.2

4）材料金相分析結(jié)果如圖4所示。

檢測金相組織為鐵素體+珠光體，組織比較均勻，邊緣未發(fā)生脫碳，金相組織正常。

5）焊道檢測。經(jīng)檢查交付樣件焊角高度合格，焊縫長度合格且飽滿，未發(fā)現(xiàn)氣孔、咬邊、焊偏等缺陷。

同批次檢測焊縫熔深，焊喉合格，且無內(nèi)部缺陷。

6）產(chǎn)品磁粉探傷檢測。對短縱拉桿本體及焊縫進(jìn)行磁粉探傷檢測，表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

7）產(chǎn)品尺寸檢測。檢測短縱拉桿本體直徑合格，目標(biāo)要求φ15mm±0.1mm，實(shí)際檢測為φ15.04mm、φ15.02mm、φ15.04mm和φ15.06mm。

結(jié)論：經(jīng)以上產(chǎn)品檢測，各項(xiàng)指標(biāo)均合格，可以開展試驗(yàn)。

組織實(shí)施驗(yàn)證

1.系統(tǒng)臺架耐久試驗(yàn)

按照整車姿態(tài)搭建系統(tǒng)臺架試驗(yàn)，按照以下試驗(yàn)工況開展試驗(yàn)，見表6。

2.整車耐久試驗(yàn)

經(jīng)與項(xiàng)目組協(xié)調(diào)確認(rèn)，有年度改款車型需要開展

3萬km綜合耐久試驗(yàn)，共兩臺試驗(yàn)車。即刻決定搭載耐久試驗(yàn)車驗(yàn)證。

經(jīng)過4個月試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)順利結(jié)束，短縱拉桿產(chǎn)品無任何失效問題，產(chǎn)品合格。

產(chǎn)品切換

經(jīng)以上產(chǎn)品方案制定、方案論證、仿真分析、系統(tǒng)臺架試驗(yàn)以及整車綜合耐久試驗(yàn)，最終確認(rèn)產(chǎn)品方案可行，可靠性高，產(chǎn)品質(zhì)量減重目標(biāo)達(dá)成，并且成本降低，該方案可以實(shí)施。

結(jié)語

通過對本案例實(shí)施過程進(jìn)行總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，降重改善方案要快速、穩(wěn)妥地實(shí)施，要從需求出發(fā)制定合理目標(biāo)，方案分析以及驗(yàn)證過程至關(guān)重要。重點(diǎn)分析現(xiàn)有方案，通過對比分析，仿真驗(yàn)證等措施制定行之有效，確定可實(shí)施性強(qiáng)的方案。通過試驗(yàn)前產(chǎn)品狀態(tài)確認(rèn)，保證樣品狀態(tài)滿足設(shè)計要求。該案例的成功實(shí)施對以后新能源產(chǎn)品降低質(zhì)量的方案制定以及驗(yàn)證實(shí)施過程有指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] 閔海濤，王建華.汽車設(shè)計[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021.

[3] 李慶利.淺析VAVE在新能源汽車行業(yè)的運(yùn)用[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2021（16）：165-168.

[4] 孫繼元.現(xiàn)代成本管理[M].上海：上海財經(jīng)大學(xué)出版社，2007.

[5] 賀巍，何壽芳，田忠達(dá).淺談價值工程及價值分析在汽車行業(yè)中的運(yùn)用方法[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2021，（17）：189-194.

[6] 朱平，秦玉彬，吳頌，等.汽車底盤后懸位置零部件臺架試驗(yàn)方法應(yīng)用研究[J].裝備制造技術(shù)，2022，（10）：80-83，92.