輕量化前下防護(hù)的設(shè)計(jì)研究

梅相全,宋小寧,董野峰

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽合肥 230601)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源短缺、環(huán)境污染等問題日益明顯，而汽車數(shù)量猛增使得問題日益嚴(yán)重，節(jié)能減排成為各主機(jī)廠努力的目標(biāo)。據(jù)調(diào)查顯示：目前我國商用車保有量約占全部汽車保有量的23%，油耗卻占到整個汽車用油量的70%[1],因此汽車降能耗聚焦商用車的節(jié)能降耗。據(jù)國外數(shù)據(jù)顯示，汽車整車質(zhì)量每降低100 kg，油耗可降低0.3～0.6 L/hkm,汽車整備質(zhì)量每減少10%，油耗可降低5%～8%[2]。據(jù)國內(nèi)某車型實(shí)驗(yàn)分析，某商用車減輕10%,油耗降低4.75%[3]。因此輕量化對于消費(fèi)者、企業(yè)、社會、環(huán)境都有重要意義。

1 商用車前下防護(hù)現(xiàn)狀

商用車前下防護(hù)裝置是指專門的前下部防護(hù)裝置或者依靠自身的外形和特性能夠具有前下部防護(hù)功能的車輛的車體、車架部件或其他部件。前下防護(hù)通常由橫向構(gòu)件組成，安裝在車架或者其他結(jié)構(gòu)件上。現(xiàn)有市場上的N2/N3類商用車前下部防護(hù)多采用鈑金(常用材料B510L，料厚5 mm)沖壓、焊接而成，存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易開裂、較重、裝配困難的缺陷。其常見結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 商用車前下部防護(hù)結(jié)構(gòu)

2 前下防護(hù)輕量化思路

文中主要從材料、工藝、結(jié)構(gòu)方面入手，提出“以塑代鋼”的方案，對前下防護(hù)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并從性能、質(zhì)量兩方面加以分析驗(yàn)證。

基于某項(xiàng)目前下防護(hù)降重30%的目標(biāo)，采取方案為：(1)材料上：防撞梁橫梁材料由鈑金改為PP-GF50，增加1個T型鈑金件，T型鈑金件材料為強(qiáng)度510 MPa的B510L，安裝支座改為注塑，材料為PP-GF50；(2)結(jié)構(gòu)上對橫梁、T型鈑金件、支座重新設(shè)計(jì)；(3)工藝上：將T型鈑金件與塑料橫梁通過注塑成形連接，保證兩者的連接強(qiáng)度。

之所以選用加玻璃纖維50%聚丙烯(PP-GF50)是因?yàn)椋?1)密度在1.33～1.34 g/cm3之間，是很輕的塑料；(2)具有耐低溫沖擊、高剛度、高強(qiáng)度，良好的抗蠕變性能，優(yōu)異的耐磨和耐疲勞性；(3)優(yōu)異注塑成型性能。其與鈑金材料B50L物理屬性對比見表1。

表1 鈑金B(yǎng)50L與PP-GF物理屬性對比表

3 輕量化前下防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 材料選擇

材料選用較為明確：低密度，高流動性、高韌性、高強(qiáng)度和高剛性。文中前下防護(hù)橫梁和安裝支座材料選PP-GF50，T型鈑金件選B510L。

3.2 前下防護(hù)性能要求

按照商用車前下部防護(hù)法規(guī)GB26511—2011要求，必須要有足夠的阻擋力以抵抗車輛碰撞，同時要滿足環(huán)境(如高溫、高寒、振動、鹽霧腐蝕等)特殊要求，其位置和尺寸如圖2所示。

圖2 前下防護(hù)位置和尺寸示意

3.3 輕量化前下防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嘗試新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，爆炸圖如圖4所示。

圖3 輕量化前下部防護(hù)結(jié)構(gòu)示意

圖4 新型前下部防護(hù)裝置爆炸結(jié)構(gòu)示意

輕量化前下防護(hù)結(jié)構(gòu)包括：T型鈑金件、塑料橫梁和內(nèi)嵌螺栓、支座。此結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)明顯：(1)T型鈑金件與塑料橫梁一體注塑成形(圖5)，結(jié)構(gòu)簡單、連接可靠；(2)T型鈑金件設(shè)置在塑料橫梁一側(cè)，碰撞時T型鈑金件可以提供有效的碰撞接觸點(diǎn)，保護(hù)塑料橫梁，避免塑料橫梁碰撞損壞；(3)內(nèi)嵌螺栓直接注塑在塑料橫梁內(nèi)，簡化了安裝結(jié)構(gòu)，方便安裝。

圖5 T型鈑金件與塑料橫梁的裝配結(jié)構(gòu)示意

4 前下防護(hù)橫梁模流分析

為滿足生產(chǎn)需要及產(chǎn)品品質(zhì)要求，對產(chǎn)品進(jìn)行模流分析。此設(shè)計(jì)中重點(diǎn)分析橫梁的成型性，其澆注系統(tǒng)設(shè)置如圖6所示，注塑成型變形分析如圖7所示，鎖模力分析如圖8所示。

圖6 澆注設(shè)置

圖7 塑料橫梁注塑成型變形分析

圖8 橫梁鎖模力分析

塑料橫梁采用1個澆口進(jìn)膠，T型梁放在公模處方便成型，分析顯示：橫梁成型最大變形為4.4 mm，變形較小；橫梁鎖模力為17 804 kN，相對適中。產(chǎn)品整體充填平衡，無遲滯和短射現(xiàn)象；結(jié)合線結(jié)合溫度較高，痕跡不明顯，結(jié)合質(zhì)量好，產(chǎn)品整體收縮均勻，產(chǎn)品可以滿足生產(chǎn)制造要求。

5 前下防護(hù)載荷及位移分析

為了對比傳統(tǒng)前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)性能，根據(jù)GB 26511—2011的要求，基于CAE在P1、P2、P3點(diǎn)分別做載荷和位移模擬分析，加載位置如圖2所示。

5.1 傳統(tǒng)前下防護(hù)性能分析

基于此項(xiàng)目，車型最大總質(zhì)量12 t，在P1、P2、P3，施加58.8 kN、117.6 kN、58.8 kN載荷,且持續(xù)0.02 s以上，其結(jié)構(gòu)如圖9所示，結(jié)構(gòu)屬性見表2，材料屬性見表3。傳統(tǒng)前下防護(hù)載荷和位移分析結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖9 傳統(tǒng)前下防護(hù)結(jié)構(gòu)

表2 前下防護(hù)結(jié)構(gòu)屬性

表3 B510L材料屬性

由圖可知，P1點(diǎn)加載過程中，傳統(tǒng)前下防護(hù)塑性變形未超出延伸率，最大支撐力達(dá)到60 kN且加載器位移為24 mm小于400 mm；P2點(diǎn)塑性變形較小，未超出延伸率，最大支撐力達(dá)到120 kN且加載器位移18 mm小于法規(guī)要求的400 mm；P3點(diǎn)變形較好，塑性變形很小，支撐力達(dá)到59 kN時位移為3.9 mm，均滿足法規(guī)要求。

圖10 傳統(tǒng)前下防護(hù)P1、P2、P3點(diǎn)加載過程塑變云圖

圖11 傳統(tǒng)前下防護(hù)P1、P2、P3點(diǎn)加載位移曲線

5.2 輕量化前下防護(hù)性能分析

同樣的工況下，對輕量化前下防護(hù)加載，其載荷和位移分析結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 輕量化前下防護(hù)P1、P2、P3點(diǎn)過程塑變云圖

圖13 輕量化前下防護(hù)P1、P2、P3點(diǎn)加載位移云圖

由圖可知，P1點(diǎn)加載過程中，輕量化前下防護(hù)橫梁塑性變形未超出延伸率，最大支撐力達(dá)到60 kN且加載器位移為12.66 mm小于400 mm；P2點(diǎn)塑性變形較小，未超出延伸率，最大支撐力達(dá)到120 kN且加載器位移7.99 mm小于法規(guī)要求的400 mm；P3點(diǎn)變形較好，塑性變形很小，支撐力達(dá)到59 kN時位移為4.92 mm，均滿足法規(guī)要求。

5.3 傳統(tǒng)前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)性能對比

傳統(tǒng)鈑金前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)載荷和位移分析對比見表4。

表4 傳統(tǒng)鈑金前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)載荷和位移分析對比表

由表4可以得出：

(1)傳統(tǒng)前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)都存在局部應(yīng)力較大區(qū)域，主要在安裝點(diǎn)處，可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)弱化；

(2)傳統(tǒng)前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)P1、P2、P3點(diǎn)加載位移都小于400，滿足法規(guī)要求，且輕量化前下防護(hù)變形更小，比原鈑金方案略好。

綜上可知，注塑+T型鋼方案性能與原鈑金方案相當(dāng),可行性較高。

5.4 傳統(tǒng)前下防護(hù)和輕量化前下防護(hù)質(zhì)量對比

對比傳統(tǒng)前下防護(hù)和新型前下防護(hù)兩種方案，結(jié)果見表5。由表可知，輕量化前下防護(hù)降重35.9%，超出預(yù)期目標(biāo)。

表5 傳統(tǒng)前下防護(hù)和新型前下防護(hù)的對比

6 結(jié)束語

文中主要闡述了“以塑代鋼”的前下防護(hù)輕量化設(shè)計(jì)方案，考察了其性能和生產(chǎn)制造可行性，得出其在滿足性能前提下，質(zhì)量下降35.9%，產(chǎn)品滿足生產(chǎn)制造要求，體現(xiàn)了優(yōu)勢。同時，前下防護(hù)輕量化設(shè)計(jì)，離不開理論，更離不開實(shí)際驗(yàn)證，理論和實(shí)際相結(jié)合是后續(xù)工作的一個重要方向。