基于輕量化設計方法的某車型后牽引裝置結構的優化設計

龔侃　馮立軍　汪沛偉　張鐵　宋瀚

摘 要：車身牽引裝置是一種安全保護裝置，方便車體進入危險環境損壞后，借助外力走出困境。本文先介紹輕量化設計基本方法，然后以某車型開發為例，在滿足車身剛度和模態基本不變的前提下， 以車身后牽引裝置重量減輕為目標，優化其結構。對優化后的結構進行強度和后部碰撞的模擬計算和對比分析， 以驗證優化設計結果的可行性，達到優化設計的目的。

關鍵詞：后牽引裝置；輕量化；優化設計

中圖分類號：U463.91+2 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）06-0018-05

Abstract： Traction device is a kind of safety protection devices for getting the car out of dangerous situation.This paper first introduced the basic methods of lightweight design， and then taked an example of vehicle development， optimizing the structure of rear traction device on one vehicle， lightening the weight as the objective and remaining the body stiffness and modal unchanged.Accroding to the simulation calculation and comparison analysis of the structure strength and the rear collision， verified the validity of the optimization design and achieved the purpose of lightweight design.

Key Words： rear traction device； lightweight； optimization design

隨著我國對節能減排和環境保護越來越重視，汽車的輕量化設計變得越來越重要，目前輕量化設計的方向主要在新能源汽車，先進發動機技術以及汽車輕量化三個方面。

目前新能源汽車和先進發動機技術都存在開發周期長、開發難度大等特點，其在技術上已經比較成熟，但普遍存在一定的瓶頸。而輕量化技術是節能減排最直接有效的措施，轎車質量每減輕10%，燃油消耗量可降低6%～8%，碳排放量降低4%[1]。但直接減輕零件重量不是輕量化技術的根本，而是在綜合考慮整車重量、性能、功能、用戶感知、成本等因素，實現產品的優化設計。所以輕量化設計方法以及如何對輕量化設計進行評價是主要研究對象。

車身牽引裝置是一種為方便車體進入危險環境損壞后，借助外力走出困境的安全保護裝置，如果牽引裝置及其安裝點強度不足，除了引起車身零件的損壞外，也會給人身帶來直接或間接的傷害[2] ，但通常為了保證牽引性能會導致牽引結構尺寸過大，增加車身后部重量。

所以對牽引裝置進行輕量化結構優化，在減重的同時，保證整車及后牽引裝置部件性能，就具有一定的現實意義和價值。

1 后牽引裝置輕量化設計方法

對后牽引裝置優化設計的目標在于實現減重的同時，不影響整車性能的同時，后牽引裝置性能達標，本章結合輕量化設計方法，結合對后牽引裝置的性能要求，建立后牽引裝置優化設計思路。

1.1 輕量化一般設計方法

車身重量通常占整車重量的30～40%，車身輕量化設計主要從材料（使用低密度高強度材料）、結構（形狀尺寸優化）、制造工藝（激光焊接等）、連接工藝（鉚接，膠接等）這四個方面考慮，通過輕量化一般設計方法，以車身主要性能項剛度，強度，碰撞和耐久等性能要求為設計和校核目標；通過對車身進行結構優化，選擇最合適的結構形狀和材料分布，使材料用量達到最少同時保證結構功能要求，然后給出輕量化的評價指數，最后對輕量化的車身進行性能校核，這樣不斷循環達到輕量化優化設計目標，如圖1所示[3]：

1.2 輕量化一般評價方法

在車身設計方面的輕量化技術指標能給予車身開發一個方向性的指導，目前對輕量化技術水平評價比較常用的評價指標是車身輕量化系數。下面就對車身輕量化系數進行介紹。

車身輕量化系數L是用來表示車身靜態剛度和減輕車身質量的關系[4]，如公式1所示：

根據上面公式所列輕量化系數L的影響因子，輕量化系數L數值越小輕量化水平越高。同級別車的車身投影面積A通常差距不大，所以保證車身靜態剛度CT的同時，實現車身重量M的下降是此次后牽引裝置輕量化優化設計的方向。

1.3 后牽引裝置的性能要求

1.3.1 后牽引裝置強度

1.3.2 后部碰撞性能

因后牽引裝置位于后部碰撞的傳力路徑上，因此輕量化設計后的后牽引裝置還需滿足后部低速碰撞法規GB 17354要求與后部碰撞安全性法規GB 20072要求。

2 某車型后牽引裝置輕量化設計實例

在滿足車身剛度和模態基本不變的前提下，以后牽引裝置減重為目標，采用布置調整，形狀優化，尺寸優化，性能校核等方法及手段，優化后牽引裝置原結構。對優化后的結構進行強度和碰撞的模擬計算和對比分析，以驗證優化設計結果的可行性。

2.1 原后牽引裝置的結構分析

基礎車后牽引裝置結構如圖3所示，采用鈑金零件拼焊成牽引鉤，焊接在后地板縱梁上。該牽引裝置為實現牽引功能，既要預留一定的牽引空間，又要保證足夠的強度，導致鈑金尺寸過大，既增加車身后端重量，又影響車輛整體美觀，所以需要對該后牽引裝置結構進行優化設計。endprint

2.2 后牽引裝置結構的優化設計

新車型后地板大體沿用基礎車，通過引入前文提到的后牽引裝置結構優化設計方法。優化思路重點放在零件料厚減薄，縮小板件尺寸以及布置調整上。

因還存在外漏影響美觀問題，減薄板件料厚不可行。而縮小板件尺寸影響牽引操作空間不可行。決定調整后牽引裝置布置形式，利用防撞梁本體上增加螺紋管實現后牽引功能的實現。

具體優化過程及方案如下：

第一步：將原基礎車構成牽引鉤的板件取消，用后縱梁連接板替換以實現后地板與后圍的連接，同時為后防撞梁提供安裝。該方案使后牽引裝置結構減重2.2kg；如圖4所示：

第二步：更改牽引裝置布置位置，增加螺紋管與加強件與車身后防撞梁焊接以實現后牽引功能，提高牽引載荷集中區域結構強度。該方案使后牽引裝置結構增重0.332kg，如圖5所示：

新車型后牽引裝置優化后采用螺紋管和拖車環裝配式結構如圖6所示，將螺紋管，加強件與車身后防撞梁焊接，用帶螺紋的拖鉤柄旋入螺紋管里實現牽引功能。整個更改實現牽引裝置減重1.9kg。

2.3 輕量化評價

對優化后的車身結構進行車身的剛度和模態進行計算，校核優化后的后牽引裝置是否對剛度和模態產生影響[5]。對車身剛度進行分析，如表1所示，優化方案對車身整體彎扭剛度影響極小。

后牽引裝置結構優化前的車身一階扭轉模態與彎曲模態分別為31.4Hz，46.8Hz，優化后的車身一階扭轉模態與彎曲模態分別為31.4Hz，46.6Hz，各階模態振型無改變，如圖7所示：

從上表可以看出，優化前后各個約束條件的變化率最大不超過1%，可以近似認為整車的剛度和模態沒有發生變化，而后牽引裝置結構重量減小1.9kg。由此可以看出在滿足車身剛度和模態基本不變的前提下，后牽引裝置結構重量實現了減輕，符合輕量化設計目標。

2.4 后牽引裝置結構的性能校核

對優化后的牽引裝置進行強度和碰撞的模擬計算和對比分析，以驗證優化設計可行性。

2.4.1 后牽引裝置強度校核

對優化化后的后牽引裝置進行強度校核，得到直拉工況與斜拉工況下的塑性應變云圖，如圖8所示。從圖中可以看出經過優化的后牽引裝置各工況下的塑性應變有所增大，但各工況的最大塑性應變均小于目標值2%，滿足強度要求。

2.4.2 后牽引裝置碰撞校核

對優化后的后牽引裝置進行后部低速碰撞分析。在中心碰撞，橫向偏置碰撞和60°角度碰撞三種工況下，碰撞侵入量相對優化前增大。優化前車身后圍最大塑性應變分別為0.011%，0.016%，0.032%；優化后車身后圍最大塑性應變分別為0.028%，0.019%，0.023%，如表3所示：

后圍塑性應變變化較小，車身得到有效保護；同時信號裝置避開了與后圍碰撞接觸，信號裝置得到保護。綜合分析結果，優化后的后牽引裝置滿足后部低速碰撞法規GB 17354要求。

優化后的后牽引裝置進行后部碰撞安全性仿真分析，得到燃油箱與燃油管的塑性應變云圖如圖9所示，優化前燃油箱與進油膠管的最大塑性應變分別為0.3%，0.4%；優化后的燃油箱與進油膠管的最大塑性應變分別為0.28%，0.42%，判斷不會發生燃油泄漏，滿足后部碰撞安全性法規GB 20072要求。

綜上，對優化后的后牽引裝置進行性能校核，自身強度以及后部碰撞性能均滿足性能要求，結構可行。

3 結論

本文通過對輕量化設計和評價方法進行介紹并結合對后牽引裝置的性能要求，歸納出后牽引裝置結構優化的思路，運用于對某車型后牽引裝置結構的設計中，既減輕了基礎車后牽引裝置的重量，又解決了車輛整體美觀的問題，性能目標也滿足要求，有一定的實用價值和經濟價值，同時本文的車身輕量化設計的思路對于后續項目的車身優化設計有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]王智文. 汽車輕量化技術及發展初探[J]. 汽車工藝與材料， 2009（2）：1-5，15.

[2]韓冬雪， 丁曉明.汽車牽引鉤仿真分析及優化設計研究[J].企業科技與發展， 2014.5：28-29.

[3]韓旭， 朱平， 余海東， 郭永進， 林忠欽， 高新華， 顧鐳， 楊晉， 徐有忠.基于剛度和模態性能的轎車車身輕量化研究[J].汽車工程， 2007.7：545-546.

[4]羊軍， 葉永亮， 汪侃磊. 車身輕量化系數的決定因素及其優化[J].汽車技術， 2010.2：28-29.

[5]石海明， 胡安中， 彭淑仙.基于剛強度校核的某車型后牽引鉤總成輕量化設計[A].2012重慶汽車工程學會年會論文集[C]， 2012.endprint