电动汽车车架及电池箱轻量化设计（含三维图SW及CAD图纸）
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电动汽车车架及电池箱轻量化设计（含三维图SW及CAD图纸）,电动汽车,车架,电池,量化,设计,三维,SW,CAD,图纸
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工程材料与结构的疲劳与断裂 基于在疲劳极限以下的加强低幅载荷的影响后进行车辆零部件的轻量化设计摘要：一种新的汽车零部件轻量化设计方法是基于在疲劳极限以下的低幅载荷加强后的影响下提出的。新的方法在技术上是基于加强强度特性和破坏载荷谱下的车辆组件，而动态强度方程的车辆部件的剩余强度结合。它进行了最大程度对材料强度潜力的探索，充分意识到汽车零件的轻量化设计是低成本的设计。作为新轻量化设计方法的一个应用，轻型货车的前轴进行了重新设计。首先用疲劳和四点弯曲的静强度试验估计前轴轻量化的潜力。然后通过有限元分析和实验结果进行轻量化设计。该前桥重量减少了5.5公斤。关键词：轻量化设计；剩余强度；加固；车辆部件命名 =最低强化载荷 =最大强化载荷 =最大残余强度=原始强度=负载变化 =与slal特性的最小负荷 =与slal特征最大负荷 =临界载荷随着slal特点 =初始静力强度 =剩余静力强度=标准试验的载荷幅值 =临界载荷的疲劳寿命是次周期循环，类似于车辆的部件或零件的疲劳极限，同时将静力强度维持任何周期常数n =周期 =平均应力的修正系数 =载荷幅值=材料系数引言能源和资源消耗的快速增长迫使人们对车辆燃油经济性更严格的要求，这需要在一定程度上改善车辆成轻量化的结构。（1-2）用一个新的轻质材料来替换是实现汽车轻量化的设计最直接和简单的方法。应用这些新轻型材料的最大障碍是成本。（3-4）因此，探索一个一个新的由传统的低成本材料制造的车辆组件的轻量化设计方法是很有必要的。为了设计轻型车辆组件或部分需要综合考虑工作负载，材料性质，几何，制造技术和成本之间的相互作用。这些相互作用确定车辆组件或零件的强度和耐久性。有各种方法和技术的轻型车辆设计，如几何结构的轻量化设计，制造技术的轻量化的设计以及用材料替代进行轻量化设计。（5-6）在现有的疲劳损伤理论中，加强一些低于疲劳极限的小负载的影响是没有被考虑。（7-9）即使运用了新轻型材料和优化方法，组件或部件的强度潜力仍不能充分利用。实现的更加轻量化的车辆组件或部分的可能性仍然存在。实验结果表明，机械性能（包括疲劳强度，静强度，屈服强度，和汽车组件或部件，如前轴，传动装置，驱动轴的疲劳寿命）是可以通过加大低于疲劳极限(SLAL)的低载荷幅值来明显提高和改善的。（10-13）这个加强的现象也称为应力不足或劝说的效果。14日至15日实验结果还显示，只有能够应变时效的金属材料，如钢铁、SLAL的现象。15本文质量减少通过使用钢铁工业的进步(黑色金属材料)，因为它们的主要材料(一个典型的家庭汽车的64%)，形成结构的关键元素对绝大多数的车辆，和低成本的材料基础，熟悉该行业的广泛经验。16 SLAL是新的轻量化设计方法的核心技术与低成本钢铁零件和结构。新的轻量化的对象设计方法是利用尽可能多的材料的强度潜力。设计理论和方法强度加强低于疲劳极限的低载荷幅值的加强现象被Smith从上个世纪初开始研究。（17）至今，关于SLAL背后的现象和机制仍在研究中。（10-13）（18-20）然而，SLAL的工程应用，如轻量化设计，没有公开报道，除了传动齿轮的磨合规范首次被提出并成功应用。（11）为了完全考虑负载在传统疲劳理论的加强和破坏特征，除了千兆周疲劳还有三个被研究的作者定义的加载区域在结构强度和可靠性设计的过程。他们破坏的区域包括加强区域和无用的区域。这些不同的负载区域及其加强或者破坏特征如图1a所示。强度变化在不同负荷和生活中的特征如图1b所示。在图1中，介绍了传统S-N曲线和疲劳极限。疲劳寿命大于次的超高周疲劳行为不被考虑在内。，和分别是最低加强负荷、最大强化载荷和最大残余强度。和S分别是初始强度和负载变量。该区域S是加强区域，S 是破坏的区域。根据黑色材料和结构的实验结果，作者还提出了部分和结构在不同的疲劳载荷，包括静强度、抗拉强度、疲劳强度和残余强度的强度特性，图2所示。在图2中，是初始强度。，和是有SLAL特点的最小负载，最大载荷和临界载荷。临界载荷的意思是最大负载情况下强度在无限循环或周期不改变。图2的曲线在不同的加载下疲劳过程的强度变化。当然不包括吉赫疲劳，因为结构或部分实验时的频率非常低。在加强区域，如果低于疲劳极限的低载荷幅值在特定时间反复受到，材料或组件的强度可以明显增加。当负载定位无用的区域，它既不产生加强的影响也不产生危害的影响。这些负载可能因此在加载谱分析和处理中被忽略。它与现有准则SLAL的不考虑的省略的小负载省略有一个本质区别。（22-23）在破坏地区的负载高于疲劳极限。组件或部分在重复周期循环达到一定时间后就会失败。在这个地区，破坏线是仍需要研究的，这也是一个从Schlitz开始的几十年来的谜。（24）加强材料或组件的特点是一个新的车辆轻量化的设计的前提，主要包括一部分的负载强化和周期强化，优化 负载强化和周期强化，加强三维方程。这是可以通过一系列的疲劳实验和加强实验完成的。SLAL调查对象之一是确定强化效应和确定加强不同材料的边界以及热处理工艺。通过疲劳试验和数据处理，加强前轴的低强度钢和传动装置由高强度钢的典型三维表面图3所示（11-13）。在图3中，负载强化和周期强化是独立变量，验证寿命（SLAL过载后的疲劳寿命）是这些变量的函数。如果验证寿命远远高于原始S-N过载的疲劳寿命曲线则加强影响将表现出来。根据SLAL的特点，众所周知，材料的强度潜力在车辆组件或部件的强度设计合理时可以利用尽可能多的被发掘。也就是说，如果设计压力被控制在一定加载区域内，随着时间的流逝，车辆的静强度和组件或部分的疲劳强度都可能因为SLAL而加强和改进。动态强度方程 车辆组件或部分必须在静强度和疲劳寿命在不同标准的测试规范由实验结果进行评估。然而，因为车辆组件的剩余强度或部分标准测试并不是完全限制在这些标准规格中，所以设计水平和轻量化的程度并不是使用这些规范评估。为了指导轻量化设计包括车辆组件或部分的强度变化和残余强度，因此需要完成在深度和合理限制的标准试验装置测试下进行研究。当产品完成后该产品测试规范的测试后，而产品不是断裂的，有三种不同的剩余静强度条件如下:1、剩余静强度等于原始静强度。2、剩余静强度大于原始静强度。3、剩余静强度小于原始静强度。 如果在标准测试已经完成后车辆组件或部件的剩余静强度增加，这个相对较高幅度的测试负载相比汽车组件或部件的原始强度仍然是一个小负荷。最理性的条件是，在标准测试已经完成，最初增加然后减去剩余静强度的峰值，这等于测试负载。然而，如果强度是一个很大的盈余，测试负载比初始静强度更小而且标准的测试已经完成后剩余静强度保持不变。在这种情况下，力量并没有加强，也就是说，它在过程中并没有增加和减少，而这就是大的轻量化设计的能力。为了在车辆组件或部分标准的测试已经完成后获得理想的剩余静强度，初始的力量必须被谨慎地设计和理性地限制。应该建立包括加强和破坏性强度变化的方程。根据一些疲劳，加强测试的结果，两个经验动态强度方程（强度增加和强度减弱）是这项研究的作者提出的另一个轻量化的设计评估水平的基本原则。动态强度方程利用材料和零部件的瞬时估计强度，表达是由（1）和（2）.强度增加的方程强度减弱的方程参数(1)和(2)在表1中给出。表一 (1)和(2)的参数参数 意义 初始静力强度 剩余静力强度 标准试验的载荷幅值 临界载荷的疲劳寿命是次周期循环，类似于车辆的部件或零 件的疲劳极限，同时将静力强度维持任何周期常数n 周期 平均应力的修正系数 载荷幅值 材料系数 虽然两个经验动态强度方程需要深入调查和证明，车辆组件或部分的静态强度的变化可以定量预测。强度增加的方程中，初始强度在测试负载在n周期振幅后会从增加至，以及静强度，车辆组件或部件的疲劳荷载和周期之间建立了定量关系。使用动态强度(1)和(2)以及剩余静强度的实验结果可以定量评估的轻量化设计的水平，而且可以在一定程度上意识到新的轻量化设计。轻量化设计的方法新的轻量化设计方法，从技术上而言是基于结合动态强度方程与车辆组件或部件的强度试验中强度的加强和减弱特性。新的轻量化设计基础是由动态方程计算得出的组件的临界载荷，它作为轻量化的设计对象。然而如果新汽车组件或部件没有足够的强度实验数据，临界载荷的特性也可由SLAL估计得出。在新的设计方法中，其他的设计特点如振动、模式、结构优化，保留其现有技术和处理技术。基于SLAL新的轻量化设计的过程示意图如图4所示。在新的轻量化设计方法，车辆组件或部分的可靠性和安全性都可以满足，以及可以利用尽可能多的潜在的力量。设计和制造的成本不增加。此外，车辆组件或零件疲劳寿命是有限的，不像传统强度设计中的无限疲劳寿命。一个设计案例强度测试使用新的轻量化设计方法，轻型货车TY1105的前轴进行重新设计。由YTO集团公司制造的前轴是随机选择的。前轴的材料是45锻钢，它经过热处理过程是淬火和退火。前轴的横截面是工字型轴。材料的化学成分和机械性能分别在表2和3中给出。强度设计的基本参数如表4所示。 中国汽车行业标准是在前轴的强度试验中得到的。中国的前轴疲劳试验标准(QC / T 513 - 1999)在表5中给出。四点弯曲实验由株式会社的WT-30疲劳试验机在洛阳拖拉机研究所的结构强度实验室完成的。5赫兹频率的正弦波形信号用于恒应力幅值控制，且应力比是0.15。重复周期直至前轴断裂是其疲劳寿命。(残余)静强度达到最大值时前轴断裂。当前轴的重复周期超过周期时测试也停止了。在这种情况下，前轴被认为有无限寿命。测试区域和试样如图5和图6所示。图5 前轴的测试区域图6 前轴的试样整个实验过程首先是四点弯曲的静态强度测试。第二，根据我们的标准测试规范执行疲劳实验。第三，使用无裂缝的前轴在疲劳实验完成后进行剩余静强度测试。在前轴的轻量化的设计中，一些静强度和疲劳强度试验是根据我们的标准测试规范进行。初始静强度是三个试样的平均值。剩余静强度是五个试样在标准测试规范下完成疲劳实验下的平均值。此时在前轴在标准测试负载下疲劳寿命不小于800000次。然而，在我们的实验中，当标准测试的数量达到周期时剩余静强度也要被测量。前轴的实验结果如表6所示。 表6显示了前轴的剩余静强度从276.0增加到276.0 kN，约12%的增加速度，标准测试规范下完成疲劳试验。基于动态强度方程和实验结果，可以确定前轴的临界载荷，即约52.52 kN。这意味着前轴能够承受52.52 kN任何长周期的荷载振幅而不受到伤害。因为测试负载小于临界载荷，原始设计的前轴是无限疲劳寿命。因此，减少前轴的重量是新的轻量化的设计方法，这是一个伟大的能力。在我们的标准，当荷载振幅时48.0 kN时前轴的疲劳寿命是不少于800 000周期。在海外公司标准中，荷载振幅时32.0 kN时平均疲劳寿命不少于周期。因此，轻量化的改进前轴有很大的空间即使使用严格的评价标准。轻量化的设计 减重的第一步，前轴应该只承受荷载振幅48.0 kN，而不是52.52 kN，超过800000的周期和维持恒定的力量。高应力水平下需要建立负载为48.0 kN的前轴振幅。减重的目标也许重新设计基于减少临界载荷从52.52到48.0 kN的前轴在新的设计中。危险点的应力应在前轴的四点弯曲计算和测量。因为前轴在工作中大约在工作平面弯曲，在有限元分析软件中剖析施加的平面荷载，两个支承点的垂直位移和两个加载点是限制而其他自由度是不受限制的。测量位置如图7所示。测量和分析结果如表7。 从表7和图7，位置6显示为危险点，其应力值成为设计的参考标准。在表7中，前轴的载荷和应力之间的关系是由有限元分析的，其表明在危险点100 kN加载对应320.2 MPa压力。 对于原始结构，位置6临界荷载是52.52 kN压力则是168.2 MPa，这是用负荷和压力之间的关系计算出的。在最危险点的负载是48.0 kN疲劳测试下初始应力是 153.7 MPa。 在新的轻量化设计中，临界载荷为48.0 kN。临界载荷可以减少通过减少原始结构的强度来降低成本，因为可以利用低强度材料来替代材料。同样，截面的降维会导致组件的重量减少以及实现轻量化的设计。轻量化设计后，负载48.0 kN下最危险点在疲劳测试中应力应该增加从153.7到168.2 MPa。应用负载和响应之间的新关系应该为350.4 MPa和100 kN。前轴的减少维度是实现轻量化的设计的主要的方法，其中可以增加压力。作为一个安全组件，前桥的轻量化设计必须满足结构耐久性要求。此外，前轴应有足够的刚度在，包括垂直，纵向和横向刚度。迭代计算后，减少中间柱截面尺寸是3毫米，3毫米的上下肢宽度，和2毫米的高度。最危险点的应力计算在新的轻量化设计应为347.75 MPa。从与理论分析的350.34 MPa几乎没有差异。在新的轻量化前桥的设计移出了约5.5公斤重量。减少前轴的尺寸时，静态强度和剩余静强度的结果可以在疲劳试验完成后预测，如表8所示。在表8中，前轴的静强度在标准测试规范下疲劳试验完成后将保持不变或略有增加。虽然轻量化设计需要在工程、轻效果上证明结果，如所显示的5.5公斤减少的重量是非常引人注目。结果与讨论 非常显著的轻量化的结果也意味着这项研究的产品设计在某种程度上是很有能力实现进一步的轻量化的设计。其主要原因可能是，目前的设计方法是类似的体验设计和相似的设计。大安全系数选择的设计可以确保安全性和可靠性。在发达国家，汽车设计从体验设计发展到相似设计、强度和可靠性设计到当前的轻量化的设计。设计水平非常高但也可能是预测进一步轻量化功能设计仍然存在，因为SLAL不被认为是现有设计理论的强度和可靠性。此外，材料强度可能仍然被SLAL探索利用。
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