（车辆工程专业论文）汽车发动机、底盘零部件轻量化技术路线研究.pdf

摘要 摘要 随着世界汽车数量的迅速增加，汽车轻量化问题受到各国政府及各大汽车 生产制造商的关注，汽车轻量化技术的研究在世界范围内迅速开展起来。我国 的车型自主开发尚处于初级阶段，在这方面的研究还比较少。但是随着中国汽 车工业的蓬勃发展，自主开发质量轻、节能、环保的汽车必将成为未来发展的 趋势。本论文依托上汽总公司汽车工程研究院与上海同济大学合作开展的汽车 轻量化技术研究项目，展开了对汽车发动机、底盘零部件轻量化技术路线的研 究。 本文首先提出发动机、底盘零部件轻量化设计的要求和方法：然后通过收 集国内外相关文献、资料、专利，对发动机、底盘中一些典型零部件的轻量化 进行实例分析，希望通过这样的分析，进一步了解国内外汽车底盘和发动机轻 量化研究方面所取得的成果和达到的技术水平。总结已有的轻量化经验，本文 确定将优化结构设计和采用轻量化材料作为轻量化设计的主要方法。 为了获得一条切实可行的轻量化技术路线，本文将以典型底盘零部件“扭 杆梁悬架”为例，在m s c p a t r a n a s t r a n 计算机模拟环境中进行分析计算。本文 首先建立了大众p a s s a tb 5 悬架的精确有限元模型、并通过实验验证证实了模型 的可靠性；在此模型基础上，设计了三种轻量化结构方案和三种轻量化材料方 案，并确定安全系数、静刚度、一阶模态频率作为轻量化设计的性能评价指标。 根据这三项指标，对比不同的结构、材料组合方案，最后获得最优的扭杆梁悬 架轻量化方案。 关键词：轻量化，材料，发动机，底盘，扭杆梁悬架，优化 i i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef a s ti n c r e a s eo ft h en u m b e ro fa u t o m o b i l eo nt h ew o r l d sr o a d s ，t h e g o v e r n m e n to fm a n yc o u n t r i e sa n da u t o m a k e r sb e g a nt op a yc l o s ea t t e n t i o nt ot h e l i g h tw e i g h to fa u t o m o b i l e n er e s e a r c ho f t h el i g h tw e i g h tt e c h n o l o g yo fa u t o m o b i l e h a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yw o r l d w i d e i n d e p e n d e n td e v e l o p m e n to fa u t o m o b il e i n o u rc o u n t r yi ss t i l la tp r i m a r ys t a g e ，a n dt h e r ei sr e l a t i v e l yl i t t l er e s e a r c hi nt h i sa r e a b u tw i t ht h e f l o u r i s h i n gd e v e l o p m e n to fc h i n e s e a u t o i n d u s t r y , p r o d u c i n g e n e r g y - c o n s e r v a t i o n a l ，e n v i r o n m e n tf r i e n d l yl i g h tw e i g h ta u t o m o b i l ei st h et r e n do f f u t u r e t h i sa r t i c l ei sp a r to fl i g h tw e i g h tt e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o j e c t , w h i c hi sa c o o p e r a t i v ep r o j e c tl a u n c h e db ya u t o m o b i l ee n g i n e e r i n gi n s t i t u t eo fs a i ca n d s h a n g h a it o n g j i u n i v e r s i t y n ea i mo ft h i sa r t i c l ei st or e s e a r c ht h el i g h tw e i g h t t e c h n o l o g yo f t h ep a r t so fe n g i n ea n dc h a s s i s f i r s t l y , t h i sa r t i c l ep u t sf o r w a r dt h er e q u i r e m e n ta n dm e t h o d so fd e s i g n i n gl i g h t w e i g h ta u t o m o b il ep a r t s s e c o n d l y , b yc o l l e c t i n gr e l e v a n td o m e s t i ca n df o r e i g n d o c u m e n t s ，m a t e r i a l s ，p a t e n t ，e t c ，s o m et y p i c a li n s t a n c e so fl i g h tw e i g h tp a n so f e n g i n ea n dc h a s s i sa r ea n a l y z e d t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，w ec a nb e t t e ru n d e r s t a n dt h e p r o g r e s st h a th a sb e e na c h i e v e da n dt h ee n g i n e e r i n gl e v e lt h a th a sb e e nr e a c h e di n t h i sa r e ab o t hh o m ea n da b r o a d s u m m a r i z i n ge x i s t i n g l i g h tw e i g h td e s i g n i n g e x p e r i e n c e ，o p t i m i z i n gt h es t r u c t u r a ld e s i g na n ds u b s t i t u t i n gt r a d i t i o n a lm a t e r i a l sw i t h l i g h tw e i g h tm a t e r i a l sa r er e g a r d e da st w om a i nm e t h o d si nd e s i g n i n gli g h tw e i g h t a u t o m o b i l e t h i r d l y , i np r o c e s so fr e s e a r c h i n gas e to ff e a s i b l el i g h tw e i g h tt e c h n o l o g y , t w i s t b e a ms u s p e n s i o n ，w h i c hi sat y p i c a lc h a s s i s sp a r t s ，i sa n a l y z e da sa ne x a m p l e ，a n d t h em o d e li sc a l c u l a t e di ns o f t w a r em s c p a t r a n n a s t r a n a nf i n i t ee l e m e n tm o d e lo f p a s s a tb 5s u s p e n s i o ni sb u i l ta tf i r s t ，a n di t i sp r o v e dt ob ea c c u r a t et h r o u g ht h e e x p e r i m e n t o nt h eb a s i so ft h i sm o d e l ，t h r e es c h e m e so fs t r u c t u r ea n dt h r e es c h e m e s o fm a t e r i a la r ed e s i g n e d m e a n w h i l e ，s a f e t yc o e f f i c i e n t , r i g i d i t y , f i r s ts t e po fn o r m a l m o d ea r ec o n s i d e r e da si n d e xf o ra u t o m o b i l ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n a c c o r d i n gt o t h e s et h r e ei n d e x e s ，d i f f e r e n ts t r u c t u r ea n dm a t e r i a ls c h e m e sa r ec o m p a r e d ，a n d f i n a l l yt h eb e s ts c h e m eo fo p t i m u ml i g h tw e i g h tt w i s tb e a ms u s p e n s i o ni sc h o s e n k e yw o r d s ：l i g h tw e i g h t , m a t e r i a l ，e n g i n e ，c h a s s i s ，t w i s tb e a ms u s p e n s i o n ，o p t i m i z e l v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 第一章绪论 1 1 研究的意义和工程背景 第一章绪论 本课题来源于上汽总公司汽车工程研究院与上海同济大学合作开展的汽车轻 量化技术研究项目。作为该研究项目的子课题，本课题主要研究发动机、底盘等 汽车动态零部件的轻量化技术路线。 随着世界汽车数量的迅速增加，汽车轻量化问题受到各国及各大汽车生产制 造商的关注，并加速开展了汽车轻量化技术的研究。世界汽车轻量化技术的研究 蓬勃开展的主要原因有下面三个方面： ( 1 ) 能源问题。目前行驶在各国的几亿车汽车，主要燃料仍然是汽油、柴油 等石油产品，年消耗石油一百多亿桶，占世界石油年总消耗量的5 0 左右， m k h u b b e r 等预测，原油产量在1 9 9 5 年左右达到最高峰，以后逐年下降，到2 0 8 5 年前后可能枯竭。所以降低燃料消耗成为汽车技术进步的紧迫课题之一。而减轻 汽车质量以是降低燃料消耗最有效的措施之一。 ( 2 ) 地球环境问题。燃料消耗与废气排放密切相关，汽车排放中的以c 0 z c o n o xh c 等造成空气污染的重要原因。减轻汽车质量，是提高汽车的燃油经济性， 降低排放的有效措施。 ( 3 ) 汽车先进装置的增多，使汽车的总质量增加，为了抵消这些附加装备增 加的质量，也需要加紧研究汽车基本组成部分的轻量化技术。 表1 i 影响因素变化1 时，轿车的燃油消耗变化 质量惯性 0 2 o 3 轿车质量 滚动阻力 0 1 0 2 o 6 1 o 适当的齿轮比 o 3 o 5 轮胎滚动阻力 0 1 o 2 空气动力阻力 0 1 0 2 发动机摩擦了阻力 o 2 o 3 汽车减重使汽车的滚动阻力、加速阻力、爬坡阻力减小，这些都可以降低燃 料消耗，表1l 列出了轿牟中各影响因素每变化t 时燃料消耗的变化。从袁可知， 轿车每减重1 ，可降低燃油消耗0 哦l _ 0 9 6 。 以国内来算，目前我国各类汽车保有量为1 8 0 0 万辆，若每辆车每年行使2 万 公里，那么所有车的行使历程之和为3 6 0 0 亿公里。按照汽车自身质量每减轻l o o k g ， 燃油消耗量减少05 l 计算，我国每年即可节省燃油1 8 亿升。可见无论从经挤 效益，还是从环保角度，汽车轻量化所产生的意义都是非常大的。 一辆轿车各部分的质量比如图li 所示。 错静 札等动 元l8 悬肇12 车轮，轮胎7 图1t 轿车各部分的质量比例 其中比例最大的是白车身占轿车总质量的2 0 ，其次是发动机等动力单元 占轿车总质量的1 8 悬架、车轮等底盘零部件总共占1 9 “1 。所以对于轿车来 说，发动机和底盘的轻量化十分重要。 由于组成汽车的底盘和发动机的零部件很多对其中任何一个零件进行减重 改造，往往需要相应作出数十处，乃至数百处改动，耗费大量的试验费和设备投 资费。所以在进行发动机和底盘的轻量化改造时，需要结合相应的标准和实际需 要而作主要轻量化零部件的选择。本课题首先收集了大量的国内外底盘及发动机 系统轻量化技术资料在分析研究这些资料的基础上，给合典型底盘零部件“扭 杆粱悬架”进行轻量化技术路线的研究，具有重要的社会意义和经济价值。 第一章绪论 1 2 国内外研究发展动态 在过去几十年里，轿车轻量化已取得了很大的进步。以美国为例，1 9 7 0 年轿 车平均自身质量还高达1 5 8 5 k g ，1 9 8 0 年已降至1 3 7 5 k g ，减幅为1 3 2 ，每年平均 减少0 8 。至1 9 9 0 年，轿车平均自身质量又下降至1 3 1 2 k g ；至1 9 9 5 年降为1 2 7 0 k g 。 1 9 8 5 年 - - 1 9 9 5 年间，轿车自身质量平均每年下降0 9 。其中中型轿车八十年代初 平均自身质量为1 5 2 0 k g ，至九十年代初降为1 4 7 5 k g ，降幅为3 ，九十年代末，又 进一步降至1 2 3 0 k g ，下降幅度高达1 6 6 。美国中型轿车中长期减轻质量目标是 将轿车自身质量减至1 0 0 0 k g 以下，据分析预测，至二十一世纪初，美国轿车平均 自身质量还将进一步减轻到1 2 2 0 k g 左右口1 。 与国外相比，由于我国的车型自主开发尚处于初级阶段，所以汽车轻量化方 面的研究也刚刚起步。这些年来，我们国家的汽车工业一直在走着一条引进开发 的路子。可以说目前国内市场上畅销的轿车的所有车型都是引进的。虽然，在引 进技术的过程中我们也做了大量的国产化工作，但是，材料以及它所带来的汽车 轻量化问题一直以来都没有引起足够的重视，对此的实质性研究几乎处于停滞状 态。率先开展汽车轻量化技术研究和积累工作，对提高我国轿车发展技术水平具 有十分重要意义。 当前减轻汽车自身质量的主要方法有两种：优化结构设计和采用轻量化材料。 在车辆上尽可能多地采用轻量化材料，是世界汽车轻量化研究的主要方向。目前 以开发出的强度高、质量轻的钢板和密度相对较低的轻质材料，有铝、镁、塑料 以及复合材料等。这里所说的轻量化材料并不一定是指密度低，质量轻的材料， 高强度钢虽然密度并不低，但由于强度高，可以减小零部件的壁厚或者尺寸，同 样可起到减轻质量的作用，因此也可归入轻量化材料。近2 0 多年来，这些轻量化 材料在汽车整个用料中的比例逐年上升。而优化结构设计也是减轻汽车自身质量 的重要方法。如何在不影响结构性能的条件下，优化汽车结构、减小零件体积， 减轻车身质量，已成为工程师在汽车设计时所特别关心的问题，也是各大汽车公 司在汽车轻量化大趋势下，要重点解决的研究课题。 由美国政府与三大汽车公司合作进行的新一代汽车合作伙伴计划( t h e p a r t n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s ，p n g v ) 已经开展了超过十年。 该汁划旨在推动美国汽车的技术革命，减少燃油消耗，改善生活环境品质。p n g v 计划中明确提出选用新材料( 包括高强度钢、铝、镁、钛合金、塑料及复合材料 第一章绪论 等) 来实现减小汽车自身质量的目的，并把先进的轻质材料作为急需开发的技术 领域。福特汽车公司按p n g v 计划所开发的p 2 0 0 0 车及最新开发的p r o d i g y 复合动力 家用轿车，由于采用了铝、镁、钛合金和各种复合材料，其车身和底盘减小质量 达5 0 n 引。通用汽车公司p n g v 计划的概念车p r e c e p t 于2 0 0 0 年在美国底特律展出， 该车车身采用铝空间构架，其车身质量比相同结构钢的车身小4 5 。p r e c e p t 底盘 仅为1 9 5 k g ，而通常的家庭轿车底盘为4 5 0 k g 。p r e c e p t 车底盘大多采用铝和复合材 料，其中碳纤维复合材料的用量达2 0 k g n 引。戴姆勒克莱斯勒汽车公司最新开发 的p n g v 车型e x s 3 ，由于采用了铝的动力传动系统( 全铝1 5 l 柴油发动机) 、座椅 框架和底盘，因此整车质量大幅度减小n 刀。 同时，铝、镁轻合金的优越性与竞争力迫使钢铁企业迅速发展高强度材料， 于是引发了一场“金属材料之战”钢铁业、铝业、镁业都纷纷制定出为汽车减小 质量的计划。国际钢铁协会( i n t e r n a t i o n a li r o na n ds t e e li n s t i t u t e ) 相继开展了几个 超轻钢项目，包括超轻钢汽车车身( u l t r a l i g h ts t e e la u t ob o d y ) 项目，简称u l s a b ， 超轻钢汽车悬架( u l t r a l i g h ts t e e la u t os u s p e n s i o n ) 项目，简称u l s a s ，等。参加 这些项目的有来自5 大洲1 8 个国家的3 5 家国际著名钢铁企业。世界各大铝业公 司也结成了汽车铝材联盟( a u t o a l u m i n u ma l l i a n c e ) ，其中包括铝协的汽车及轻卡 集团、美国汽车材料合作伙伴( u s a u t o m o t i v em a t e r i a l sp a r t n e r s h i p ，简称 i i s a m p ) 。 1 。3 研究的主要内容 本文将在熟悉国内外轿车底盘和发动机轻量化研究方面的成果和达到的技术 水平的基础上，对发动机、底盘零部件轻量化技术路线进行研究。主要以大众汽 车扭杆梁悬架为例，分析具有代表性的结构设计方案，分析典型材料的应用及其 与不同结构方案的组合。最后得出最优的轻量化设计方案、通过归纳和总结获得 一条切实可行的轻量化技术路线。其中，轻量化设计评价指标的确定为不同方案 的比较确定了标准。 4 第二章汽车零部件轻量化设计原则和方法 2 1 前言 第二章汽车零部件轻量化设计原则和方法 汽车零部件轻量化设计作为汽车设计的一部分内容，必须从整车性能要求出 发，遵循一定的设计原则进行设计。本章首先分析了汽车零部件的轻量化设计要 求，归纳了轻量化设计过程，然后提出了面向产品开发过程的轻量化设计原则。 轻量化设计既可以是对原有设计的改进，也可以是一次以轻量化为目标的全新的 设计。无论是前者还是后者，都有结构轻量化和材料轻量化两种方法。本章将在 讨论这两种方法的基础上，分析一些典型结构形式的轻量化方法，和几种主要的 轻量化材料，最后还将列举一些轻量化设计中常用的联接方法。 2 2 轻量化设计原则 2 2 1 轻量化设计要求 轻量化是一门涉及多个科学领域的交叉学科，它的实现需要丰富的知识和综 合的能力。在实际中，要使轻量化的零部件具有可加工性、实用性和经济性，设 计阶段开始就必须考虑产品所必须满足的要求，这些要求包括结构的合理性、零 件的质量、可加工制造性、安全性、成本以及环保等，图2 1 较为全面的概括了 汽车零部件的轻量化设计要求。 图2 1 中所提出的要求，在设计过程中不可能全部满足，有些要求还是互相 矛盾的。成功的轻量化设计就是在它们中间取得平衡。 图2 2 是汽车零部件的成本和轻量化程度之间的曲线图，图中三根虚线分别 代表材料成本、生产制造成本以及设备成本，实线代表三者的总成本。由图可见， 轻量化程度越高，总成本越高，阴影部分是成本与轻量化程度之间达到最佳平衡 的区域，在这个区域中，代表材料成本、生产成本、设备成本的三根曲线相交于 一点。 5 第h 二章汽车零部件轻量化设计原则和方法 f 紧 图2 1 轻量化设计要求 图2 z 汽车零部件成本和轻量化程度曲线图n 町 由此可见，汽车零部件的轻量化不是一味的减轻零部件重量，而是要在最合 适的位置，以最合适的价格使用最合适的材料，从而达到轻量化的目的。在这个 过程中，不仅要考虑生产制造成本，还要在零件的承载能力与材料的厚度之间， 产品的经济性和安全性之间，产品的多样性和可生产制造性之间取得平衡。 2 2 2 轻量化设计过程 汽车零部件的开发，从下达设计任务到产品投产，要经历一个漫长的过程。 这其中包括根据设计任务制定详细的要求说明书，然后根据设计要求对零部件的 结构、用材、几何参数、功能尺寸、加工方法等进行具体的设计。设计完成后进 6 第二章汽车零部件轻量化设计原则和方法 入产品试制阶段，产品试制( 也称原型制造) 是在零部件投入大批量生产前制造 用于实验的样品，设计师会根据实验的结果对设计进行优化和改进。当零部件的 设计被进一步确认后，就可以编制工艺文件投入生产了。图2 3 的框图描述了汽 车零部件的开发过程。 在零部件的开发过程中，轻量化设计主要集中在产品开发的设计阶段。轻量 化设计可以分为概念设计、具体设计和精确设计三个阶段，如图2 3 中灰色框图 所示。由于轻量化设计的要求不同，各个设计阶段的具体内容也不同。在概念设 计阶段，首先要根据轻量化要求设计零部件的轻量化结构，选择材料和相应的联 接技术，并确定几何形状、功能参数以及主要尺寸，与此同时还要充分考虑本文 在1 1 节中所提到的各种轻量化设计要求，如产品的经济性、环保性等。轻量化 设计的目的不仅要使零部件满足所需要的功能，而且要能够投入批量生产。因此 在具体设计阶段，零部件的几何和功能参数将进一步确定，并在此后的精确设计 阶段转化为加工尺寸和参数，而设计的最后一个环节就是为零件的生产制造设计 图2 3 汽车零部件轻量化设计过程 相较于传统设计，以轻量化为目标的汽车零部件设计更依赖于计算机模拟等 7 第二章汽车零部件轻置化设计原则和方法 辅助手段。轻量化设计往往会将最新的技术、大胆的创意运用到设计中，为了要 在设计阶段改进并优化这些设计，进一步验证零部件的承载能力，保证设计的可 靠性，计算机模拟技术将贯穿设计的始终，如图2 4 所示。 图2 4 计算机辅助设计 2 2 3 轻量化设计原则 根据轻量化设计要求，面向产品开发过程，从产品的功能使用、生产制造、 循环回收、物流销售等四个方面提出轻量化设计原则，归纳如表2 1 所示。 表2 1 面向产品开发的轻量化设计原则 功能使用方面生产制造方面 满足零部件的功能要求 可实现原型制造 便于维护和保养良好的成形性 具有足够的承载能力良好的可涂装性 足够的强度良好的可联接性 良好的耐磨性半成品、毛坯制作简单 良好的耐腐蚀性 循环回收方面 良好的稳定性 便于拆卸 符合劳动保护和环境保护的要求 零件数量少，容易分离，采用标准件、通用 满足经济性、轻量化要求 件，紧固件、加强件便于拆卸 节省材料 可再循环利用 节省能源 选择的材料能再生利用 成本低 物流销售方面 便于仓储管理 便于运输 具有良好的销售前景 上述的轻量化设计原则，足面向整个产品开发过程的。汽车零部件在使用中 由于长期承载，会产生各种形式的损伤与破坏。因此在设计过程中，尤其是在对 零部件进行薄壁化、轻量化结构设计，或是用轻质材料替代传统材料的过程中， 保证零部件的强度、刚度和振动特性是轻量化设计的首要原则。 要保证零部件具有足够的强度、刚度和稳定性，以及良好的振动特性，主要 采取以下手段： 3 第二章汽车零部件轻量化设计原则和方法 ( 1 ) 采用新结构和新制造方法 ( 2 ) 发掘轻质材料的潜力 ( 3 ) 提高尺寸精度 ( 4 ) 零部件可靠性证明( 计算机模拟技术) 以下章节将根据轻量化的设计原则，从结构、材料等方面进一步探讨轻量化 解决方案。 2 3 结构轻量化 2 3 1 汽车零部件轻量化结构设计 汽车零部件的结构设计一般是根据零件的功能和使用环境，同时考虑零件可 能出现的失效形式，来确定它的结构形状和主要尺寸n 引轻量化结构设计以轻量 化为目标，区别于传统的零部件结构设计，它主要分为两种类型，一种是在原有 材料基础上的结构轻量化，一种是采用新材料、新工艺后的结构轻量化。 在原有材料基础上，对汽车零部件进行轻量化结构设计实际上就是对零部件 进行小型化、薄壁化设计。显然，这样的轻量化程度是有限的，因为已有的设计 大多已充分利用了材料的潜力。因此，目前的轻量化结构设计，是指设计或者改 进零部件结构，使之适应新材料、新工艺和新的制造方法，以达到减轻质量的目 的。归纳起来，轻量化结构设计一般有以下几个方面： ( 1 ) 设计满足应力条件的壁厚和截面积优化设计 ( 2 ) 采用辅助强化或加固结构元素( 加固筋、卷边等) ( 3 ) 模块化、分组化设计 其中对零部件壁厚和截面积进行优化设计，以满足零部件强度、刚度等性能 要求是轻量化结构设计的第一步。在采用新材料以后，一般要根据材料不同的强 度极限，适当增加或者减薄壁厚。例如原来使用钢材的零部件改用铝合金制造， 设计时就要根据铝合金的强度极限，增加零部件的壁厚。由于铝合金的密度是钢 材的1 1 3 ，即使增加一倍的壁厚，零件整体质量还是降低了1 3 ，而零件的强度、 刚度、疲劳特性等仍然维持在原来的水平上。如图2 5 是连杆杆部断面的形状， 当采用高强度钢或其他高强度材料时，采用i 字型断面，尽量减少断面的面积， 以减轻质量。而当采用铝合金、钛合金等轻质材料时，为弥补材料在强度、刚度 9 第二章汽车零部件轻量化设计原则和方法 上的不足，就要采用图中的h 形断面，在轻量化的同时保证发动机的性能。 耔小头 闷 连杆杼部断面 形状队- a 剐面： 扦大头 图2 5 连杆的断面形状 为了能在保证零部件性能的前提下最大程度的减小零部件的质量，除了对零 部件进行壁厚和截面的优化设计，还可以采用一些辅助结构元素，如加强筋、卷 边设计、凹槽设计等。如图2 6 所示是加入凹槽的汽车板件，这种设计可以大大 加强板件的结构刚度，节省材料。 图2 6 加强板件结构刚度的凹槽设计 零部件的模块化设计是指为开发具有多种功能的不同产品，精心设计出多种 模块，将其经过不同方式的组合来构成不同产品，以解决产品品种、规格与设计 制造周期、成本之间的矛盾。其中模块是指一组具有同一功能和接合要素( 指联 接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等) ，但性能、规格或结构不同却能 互换的单元呦1 。作为轻量化设计的一部分内容，模块化设计可以降低生产制造成 本，增加零部件的互换性，使零部件易于拆卸，易于维修，同时也易于回收。是 满足轻量化设计要求的一项重要手段之一。 l o 第二章汽车零部件轻量化设计原则和方法 2 3 2 典型结构形式的轻量化方法 汽车零部件按照制造技术的不同有三种典型结构方式，分别为分离式结构、整 体式结构和混合式结构n 町。表2 2 分别列举了这三种结构方式及其特点。 表2 2 汽车零部件三种结构方式 分离式结构整体式结构混合式结构 结 廖7 乞 么构 矿 霹彤、 形 形一 式 是由许多单个的联 单个零件数量最少 集中了分离式结构和 接件组成的 整体式设计整体式结构的优点 功能分离 功能集成 可调整零件相关性能 特 可以混合不同的材 只能使用同种材料包括： 料 模具制造成本高切口应力集中 点 可以防止裂纹扩大 无法防止裂纹扩大裂纹扩大 易于维修 互换性差耐腐蚀性 容易引起应力集中 有较好的互换性 耐腐蚀性差 损坏后易修复 对于分离式和整体式这两种不同的结构方法，对应的轻量化方法也不同。 分离式结构零部件的制造，是利用各种先进的联接技术，如激光焊接、铆接 等把单个部件联接在一起。这些单个部件可以采用不同的材料、不同的壁厚，因 此可以根据零部件不同部位的受力情况，进行优化设计。同时还可以根据需要增 加或者减少单个部件的数量，改进设计，采用加强筋等方法提高零部件的整体刚 度和强度。 整体式结构的零部件一般是整体铸造或冲压而成，设计合理的截面积，优化 零件壁厚是关键。此外，还可以设计卷边等辅助结构元素使得零部件整体性能得 到提高。 第二章汽车零部件轻量化设计原则和方法 2 4 材料轻量化 2 4 1 汽车零部件对材料的要求 汽车在行驶过程中，各个零部件均会受到外力的作用，不同的零件所承受的 外力是不同的。因此在汽车轻量化设计过程中要正确、合理地选用材料，使零件 具有承受各种载荷的能力。 汽车零部件对材料的要求涉及如图2 8 所示的几个方面。 图z 8 汽车零部件对材料的要求 归纳起来，对于零部件的要求有：( 1 ) 密度小；( 2 ) 强度特性好，即有较高 的屈服点a ，或较高的抗拉强度o 。；( 3 ) 弹性模量高；( 4 ) 疲劳强度和断裂韧性值 高；( 5 ) 对于温度、时间、媒介的变化，材料机械参数有相对较好的稳定性；( 6 ) 热膨胀系数小；( 7 ) 成型加工性好；( 8 ) 焊接性好；( 9 ) 价格低廉。 优良的材料特性可以使轻量化获得理想的效果，但没有一种材料能够满足所 有的要求，因此在选择材料时不得不在各种材料特性中作妥协，根据当前零部件 使用环境和功能要求选择经济效益最高的材料。当然，目前新材料的开发趋势是 使它们能够获得我们想要的材料特性，比如纤维增强材料，复合材料等，这也使 得未来的汽车轻量化具有更大的发展空间。 2 4 2 材料的轻量化设计参数 汽车零部件的材料在承受载荷作用后表现为尺寸和形状上的变化，即产生变 1 2 第二章汽车零部件轻量化设计原则和方法 形。由于零部件所承受的载荷方式的不同，变形的形式也不同，具体可分为拉伸、 压缩、剪切、扭转、弯曲等扭。不同的材料有不同的承受载荷的能力，这种能力 可以表现为各种材料参数，比如零部件的极限应力r ，抗变形能力等等。同时，由 于汽车上的许多零部件使用环境复杂，而且处于长时间负载的状况，受到长期应 力、应变的影响。因此还必须考虑材料的另一个重要特性蠕变特性。下面将 进一步讨论关于材料的强度特性和蠕变特性这两部分内容。 1 4 2 1 材料的强度特性 在进行材料轻量化设计的过程中，我们所考虑的轻量化参数是和质量相关的 参数。这些参数在选择材料时可以作为评价的标准，在设计结构时是重要的设计 参数。根据材料的性能，下面提出几个比较重要的轻量化参数，它们分别是许用 应力 o 、密度p ，弹性模量e 。 对于单纯受拉、压的杆件，有如下的公式， 盯= 【i o 】 ( 1 1 ) 盯= 一s lk ll ， 彳 。 其中 o 是材料的许用应力。在强度计算中，把极限应力r 除以一个大于“1 的系数1 1 ，即为许用应力 o 。n 称为安全系数。 b 】：墨：( r ) ( 1 2 ) 若已知杆件的尺寸和材料的许用应力，则材料受到最大的力为 = a 纠 ( 1 3 ) 同样，若已知杆件所用的材料和所受的载荷，则可以求出杆件的最小截面积， 彳嘶2 网f ( 1 4 ) 对于两种不同材料的杆件，在长度都为常数l 的情况下，质量大小分别如式1 ， 式2 所示， 小t 。a ! l - 角2 南 q 5 ) 刊2 小舻南。仍 ( 1 6 比较式( 王5 ) 和式( 1 6 ) ，得到 1 3 第二章汽车零部件轻量化设计原则和方法 ( 1 。7 ) 式( 1 7 ) 显示，要使零部件质量轻，必须选用密度低、强度高的材料。 以上仅考虑杆件的应力状况，如果考虑到杆件的变形特性，那么就必须引入材 料弹性模量这个参数。作为虎克定律的另一种表达形式 口= e 或e ：!( i 8 ) 式中的比例常数e 就是材料的弹性模量，是表示材料弹性性质的一个常数，其 值随材料而异。 对于单纯受拉、压的杆件，有如下的公式 占= 墨= 去【1 6 】 ( 1 9 ) 占= = 一s i ll ， ea e | 若己知杆件所用的材料和所受的载荷，则杆件的最小截面积是 钆n2 南 q - 1 0 ) 对于两种不同材料的杆件，在长度都为常数1 的情况下，质量大小分别如式 ( 1 1 1 ) ，式( 1 1 2 ) 所示 m t 刊- 帅- = 端 ( 1 1 1 ) 叩州佑糍 ( 1 i1 2 ) 盟：旦鱼 ( 1 1 3 ) 一= 一 、1 1 - 】j m 2p 2e l 式( 1 1 3 ) 显示，要使零部件质量轻，必须选用密度低、弹性模量高的材料。 由以上分析可知，在对零部件进行材料替换时，材料的密度、抗拉强度、弹性 模量是重要的设计参数。表2 3 列出了几种主要材料的参数值。其中表格最后两 列列出的是两个质量相关参数，夕沤表示材料的刚度要求，p 石表示材料的 强度要求，这两项参数钢材的取值为1 ，铝合金和镁合金的数值是和钢材相比取得 1 4 互l 风一见 f i 生忱 第二章汽车零部件轻量化设计原则和方法 的相关值从数值上可以直接比较各种材料的刚度、强度要求。 由表2 3 可知，钢材具有强度高、弹性模量高的特点，但密度大。如果改用铝 合金、镁合金等材料，密度减小超过1 1 3 ，但弹性模量、抗拉强度都降低很多。而 其中列出的6 f k 材料是热塑性塑料，兼具质量轻、弹性模量高和抗拉强度高等优 点。当然，并不是这些参数都达到要求了，就是符合要求的材料，塑料由于其他 方面的局限性，在汽车上许多重要部位仍然不能作为主要材料使用。 表2 3 材料参数比较 密度p 弹性模量e抗拉强度o 质量相关参数( 以钢为基准) 材料 ( k g m 3 ) ( n r a m 2 )( n m - 2 ) pf 派p | 5 钢材 7 8 52 0 6 0 0 03 7 0ll ( 1 4 0 3 号钢) 铝合金 2 77 0 0 0 03 1 50 4 9 30 3 7 3 ( h l m g s i l ) 镁合金 ( h z 3 ) 1 84 3 0 0 02 2 80 3 8 70 2 9 2 热固性塑料 1 9 54 5 0 0 01 2 0 00 4 1 20 1 3 8 ( g f ku d ) 1 4 2 2 材料的蠕变特性 材料在汽车上的使用环境比较复杂，高温和持久应力、应变的影响使材料的强 度特性发生了改变，因此在选择材料时还必须考虑影响材料在高温下的性态的最 重要的因素蠕变特性。蠕变是指材料在高温下受到大小不变的静态应力，随 时间推移，变形连续增加的特性。一些材料，如铝及些有色金属和合金，即使 在室温下也会产生蠕变。 温度越高，由蠕变产生的变形增长越快。有时即使应力低于室温下的强度极限， 甚至低于室温下的比例极限，但在高温下经过足够长的时间不断增加的变形也会 使一个构件破坏。 材料的蠕变是一种不可逆( 永久性) 的变形，也可以看成是缓慢地屈服。在 很多情况下( 特别是复杂应力状态下) ，由于蠕变产生的塑性变形不仅使应力值发 生变化，而且会使应力在零件内部重新分布。当加载时物体承受的弹性变形随时 间延续而减小，此时开始出现塑性变形，并逐渐增大。与此同时零件的应力下降。 这种由于塑性变形的逐渐增长而弹性应力下降的现象称为应力松弛。材料变形的 增加和应力的下降见图2 9 。 1 5 第二二章汽车零部件轻量化设计原则和方法 o t e o o a 0 l 应力躬：弛 卜 卸载 、 、 界于两者之问，变截面矩 形横梁形式的扭杆梁悬架( 镁合金材料) 三者中相对不理想 表6 2 2 优化后的三种结构下悬架性能、减重量与原有性能比较 安全系静刚度一阶固有实际重量 相对减重 结构名称材料 数 ( n m o 频率( h z )( k g ) ( ) 半圆形截面横粱形式 高强钢1 4 51 4 5 2 21 7 9 82 5 的扭杆梁悬架 弹簧盘和减振器支座 高强钢 1 4 01 6 42 41 5 4 83 6 一体式扭杆梁悬架 变截而矩形横梁式扭 镁合金 1 2 82 1 27 25 1 2 37 9 杆梁悬架 “v ”字型横梁的扭杆 5 t 3 7 钢1 - 2 71 5 21 7 0 82 4 01 0 0 梁悬架 从制造成本分析，与原结构相比，半圆形截面横梁形式的扭杆梁悬架只将“v 字型横梁改成半圆形横梁：弹簧盘和减振器支座一体式扭杆梁悬架改变的是弹簧 盘，与原结构相比，将原横梁上的加强筋省去了，使结构更加简洁；第三种是变 结构横梁，制造工艺复杂。所以，从制造上分析认为：弹簧盘和减振器支座一体 式扭杆梁悬架最好，半圆形截面横梁形式的扭杆梁悬架为中，变截面矩形横梁形 式的扭杆梁悬架为一般。 一 袭6 2 3 综合轻量化分析列表 半圆形截面横梁形弹簧盘减振器支座变截面矩形横粱 比较项目内容式的扭杆梁悬架一体式扭杆梁悬架 式扭杆梁悬架( 镁 ( 高强钢材料)( 高强钢材料)合金材料) 性能指 安全系数好中一般 静刚度 中 好一般 标 一阶固有频率好中 一般 制造成本中好一般 材料成本好好一般 减重效采 一般 中好 综合轻量化最优级 弹簧盘减振器支座一体式扭杆梁悬架( 高强钢材料) 材料成本分析，前两种结构均采用高强钢，后者采用镁合金，高强钢的成本 比镁合金成本低。 从减重效果分析，变截面矩形横梁式扭杆梁悬架( 镁合金材料) 效果最好， 弹簧盘减振器支座一体式扭杆梁悬架( 高强钢材料) 为中，半圆形截面横梁形式 9 i 第a 章扭# 辈最槊k t 化方章白勺n 析丑化 的扭秆梁悬架( 高强钢材料) 一般。 从性能、制造、材料、减重效果几个方面综合考虑综合轻量化优先级为： 弹簧盘减振器支座一体式扭杼粱悬架( 高强钢材料) 最好，半圆形截面横粱形式 的扭杆粱悬架( 高强钢材料) 为中等，变截面矩形横粱形式的扭杆粱悬架( 镁台 金材料) 最差。 最后确定的方案为弹簧盘和减振器点座一体式扭杆粱悬架( 高强钢材料) 方 案。轻量化效果可减重3 6 。 图62 2 轻量化优化悬架结构方案图 本章首先将不同的材料方案分别应用亍：半圆形截面横梁式、弹簧盘和减振器 支座一体式、变截面矩形横梁式等三种结构方案中，根据轻量化性能评价指标 各自选出一种蛀优的材料、结构组合方案。然后从性能指标、制造成本、材料成 本、减重敕粜等方两综合评价这三种方案，虽后得到用高强度材料制造的弹簧盘 和减振器支庄一体式扭杆粱悬架足最佳轻量化悬架方案。 第七章总结和展望 第七章总结和展望 “汽车发动机、底盘零部件轻量化技术路线研究”来源于上汽总公司汽车工 程研究院与上海同济大学合作开展的“汽车轻量化技术研究项目 。由同济大学承 担的课题包括两部分内容，一部分是汽车底盘和发动机系统主要部件的轻量化知 识库建立，另一部分是典型零部件扭杆梁悬架的轻量化技术路线研究。作者结合 这两部分内容，撰写了本论文。由于理论功底以及实际工作经验的不足，和时间、 精力上的限制，论文中可能存在一些不足、谬误和局限性，恳请专家指正。 7 1 主要研究结论 1 面对汽车工业蓬勃发展，汽车迅速普及，而石油储量逐渐减少，终将枯竭 的严峻前景和汽车排故严重破坏地球环境的现实威胁，努力减轻汽车质 量、节约燃耗，减少排放污染已成为汽车技术进步的重要而紧迫的课题。 2 汽车轻量化的基本要求是在减轻质量；降低燃耗、减少排放污染的同时， 必须保证其汽车性能不受影响或有所提高。同时，必须使轻量化后的价格 具有商业竞争能力。 3 汽车发动机、底盘零部件的轻量化具有很大的潜力，轻量化的主要途径是 利用c a d 、c a e 等技术进行结构优化设计，以轻量化材料替换传统的钢铁 材料；革新制造工艺等。 4 本文将安全系数、静态扭转刚度、一阶模态频率这三个参数作为扭杆梁悬 架轻量化设计的性能评价指标。 5 扭杆梁悬架可以在成本比原悬架增加不多的情况下，通过改进结构和采用 轻量化材料，减轻重量超过3 0 。 6 对扭杆梁悬架进行轻量化设计，是一个从几何建模到选出最优轻量化方案 的完整的过程。在此过程中，经过总结和分析，得出以下轻量化技术路线： 第七章总结和展望 扭杆梁悬架 i ”“”7 “。广一 设定轻量化目标 硅择靥詈兰3 n l _ll 成本尽可能低 f 试验