汽车底盘零部件轻量化设计：新材料应用与结构优化的研究

摘要：在汽车底盘零部件轻量化设计过程中，研究新材料及结构优化设计在轻量化解决方案中的应用。以汽车底盘前悬架臂轻量化设计为例，在相同工况条件下，一方面提出高强度钢与超高强度钢的材料应用方案；另一方面提出采用结构优化设计的双片扣式及单片结构进行结构设计，并建立了高强度钢与双片扣式、超高强度钢与单片式的数学仿真模型。然后采用CAE方法对前悬架臂的L1、L2工况进行分析对比。仿真结果表明，超高强度钢与单片方案比高强度钢与双片扣式方案具有更好的结构优化空间，更能体现零件的薄壁化、空心化、小型化及复合材料化。 采用超高强度钢方案的轻量化解决方案，比高强度钢重量减轻21%，轻量化解决方案效果明显。

关键词：超高强度钢；轻量化；底盘；前悬架臂；双片式；单片式

1 简介

在保证车辆强度、安全性的前提下，应尽可能减轻车辆整备质量，从而提高车辆的动力性，降低燃油消耗，减少尾气污染。据有关统计，汽车重量减轻100kg，燃油消耗可减少0.4L/100km，CO2排放量可减少-10g/100km。因此，轻量化已成为世界汽车发展的潮流和趋势[1]。

汽车轻量化技术是设计、材料和制造技术的综合应用。实现汽车轻量化主要有两种途径：（1）新材料的应用：主要利用轻量化材料及轻量化材料成型技术，达到减轻零件重量的目的。（2）结构优化设计：使零件薄壁化、空心化、小型化、复合化，改进零件的结构和工艺性。其中材料轻量化包括高强度钢、镁合金、铝合金、工程塑料及其复合材料、陶瓷材料的应用[2]。

本文主要从材料轻量化(高强钢)和结构优化设计两个方面探讨高强钢在汽车底盘部件中的设计应用，从而实现整车的轻量化。

2 超高强度在汽车零部件中的应用概述

随着汽车材料技术的飞速发展，现代汽车制造材料的组成也在不断变化。以现代汽车材料为例，按重量换算，钢材占汽车重量的55%~60%，铸铁占5%~12%，有色金属占6%~10%，塑料占8%~12%，橡胶占4%，玻璃占3%，其他材料（油漆、各种液体等）占6%~12%。汽车应用材料占比如图1所示。

图1 汽车应用材料占比

由于钢铁材料在强度、塑性、抗冲击性、回收利用、低成本等方面的综合优势，其在汽车材料中的主导地位依然不可动摇。不过，高强度钢和超高强度钢在汽车车身、底盘、悬架、转向等部位的应用仍将大幅增长。据相关统计，高强度钢在汽车底盘部件中的应用比普通钢材减重约30%，成本比铝合金低30%左右。

高强度钢在汽车零部件应用中的优势主要体现在两个方面：（1）使用高强度钢板可以达到减少车身板厚、减轻重量的目的，同时达到减轻重量、增加安全性能的目的。据有关资料显示，当钢板厚度分别减少0.05mm、0.01mm、0.15mm时，车身重量分别减轻6%、12%、18%。（2）高强度钢一般是指冷轧强度为340MPa、热轧强度为490MPa以上的钢材。这些新型高强度钢板具有更低的屈强比、更好的应变分布能力和更高的应变硬化特性。同时，高强度钢板的力学性能更加均匀，因而具有更优的碰撞特性和更高的疲劳寿命。

高强度钢可分为常规高强度钢（CHSS）和先进高强度钢（AHSS）。常用的先进高强度钢有复相（CP）钢、双相（DP）钢、相变诱导塑性（TRIP）钢和孪生诱导塑性（TWIP）钢。常规高强度钢多采用固溶处理和细晶强化。目前常用的常规高强度钢有：高强度IF钢（HSIF）、烘烤硬化（BH）钢、冷轧各向同性（IS）钢、冷轧高强度P钢和高强度低合金（HSLA）钢。

3 超高强度钢底盘部件轻量化设计及应用

超高强度钢在汽车底盘部件中应用十分广泛，以复杂工况的前悬架摆臂设计为例，某车型前摆臂设计CAE性能以L1、L2工况为输入条件，L1、L2工况分别如表1、表2所示。

表1 前悬架摆臂L1工况要求

表2 前悬架摆臂L2工况要求

在前悬架摆臂设计过程中，可以通过选择不同的材料，然后采用不同的结构设计方法来设计摆臂体，以满足L1和L2工况的要求[3]。下面对采用高强度钢和超强度钢的前悬架摆臂体进行不同的结构设计研究，设计思路如表3所示：

表3 前悬架摆臂设计思路

下面分别设计并分析两种思路：

（1）思路一：前悬架摆臂常用的高强度钢材料有SAPH370、SAPH400、SAPH440、QStE360、QStE380、QStE420、QStE460。综合考虑性能、成本、工艺要求[5][6]后，通过CAE分析[7]，选定材料QStE460，采用双片扣合结构，满足要求。CAE仿真分析如下。

L1工况分析如下：

图2 L1载荷作用下Fx方向塑性应变云图

图3 L1载荷作用下Fy方向塑性应变云图

图4 L1载荷作用下Fz方向塑性应变云图

图5 L1水平荷载作用下MZ_LE方向塑性应变云图

图6 L1载荷作用下MZ_TE方向塑性应变云图

图7 L1水平荷载作用下nFZ方向塑性应变云图

根据CAE仿真，选取L1工况下前悬架摆臂，选取Fx、Fy、Fz、MZ_LE、MZ_TE、nFZ各方向最大塑性变形量，并与L1工况塑性应变要求进行对比，分析结果如表4所示。

表4 L1工况塑性应变分析结果

L2工况分析如下：

图8 L2级载荷Fx应力云图

图9 L2级载荷作用下Fy方向应力云图

图10 L2水平载荷作用下Fz方向应力云图

图11 L2级载荷nFZ应力云图

根据CAE仿真，选取L2工况下前悬架摆臂，选取Fx、Fy、Fz、nFZ各方向最大应力值并与应力要求进行对比，结果如表5所示。

表5 L2工况应力分析结果

前悬架摆臂采用QStE460材料、双片扣式结构，满足L1、L2工况，结构简图及设计重量见表6：

表6 前悬架摆臂中高强度钢的应用

（2）思路二：前悬架摆臂常用的超高强钢材料有SAPH590、SAPH780、SAPH440、QStE550、QStE600、780HB，综合考虑性能、成本、工艺等因素，最终选用材料780HB，采用单件结构，CAE分析表明双件结构满足要求，风险工况为Fx、Fy方向的L1、L2，风险工况仿真分析结果如下。

L1工况分析如下：

图12 L1载荷作用下Fx方向塑性应变云图

图 13 L1载荷作用下Fy方向塑性应变云图

经CAE仿真，前悬架摆臂按L1工况选定，风险工况Fx、Fy各方向最大塑性变形与L1工况塑性应变要求对比分析如表7。

表7 L1工况塑性应变分析结果

L2工况分析如下：

图14 L2级载荷Fx应力云图

图15 L2级载荷作用下Fy方向应力云图

根据CAE仿真，选取L2工况下前悬架摆臂，选取风险工况Fx、Fy各方向最大应力并与要求值进行对比，分析结果如表8所示。

表8 L2工况应力分析结果

前悬架摆臂采用780HB材料，一体式结构，满足L1、L2工况时，结构图及设计重量如表9所示：

表9 超高强度钢在前悬架摆臂中的应用

4 CAE仿真结果分析

在相同工况和重量要求下，采用高强度钢和超高强度钢对某车型前摆臂进行了设计分析，得到以下结果：

（1）采用高强度钢QStE460和超高强度钢780HB进行结构设计与分析，可满足L1、L2工况要求；

（2）采用高强度钢进行设计时，需对上、下板进行设计，在应力集中和塑性变形较强的区域，需增加局部补强措施。采用超高强度钢进行设计时，直接采用单片结构设计，在应力集中和塑性变形较强的区域，只需修改该区域的表面形状，即可增强强度。

（3）采用超高强度钢设计的前悬架摆臂重量较高强度钢设计的前悬架摆臂减轻约21.2%，提升了底盘零部件轻量化设计的应用。

5 结论

（1）在同等工况条件下，超高强度钢与高强度钢在前悬架臂设计中更能体现部件的薄壁化、空心化、小型化和复合材料化，也能使对部件的结构和工艺改进更加切实可行。

（2）在同等条件下，不同结构优化条件下超高强钢与高强钢的设计重量较后者可减轻21.2%，为底盘零部件高强钢应用提供了轻量化解决方案。

（3）与材料性能相比，超高强度钢的延伸率不如高强度钢，因此拉深深度较大的零件在冲压时容易产生开裂等缺陷，因此在使用超高强度钢时，在产品设计之初应更加重视冲压CAE成形分析。