汽車結構輕量化的研究

汽車結構輕量化是各大主機廠和研究機構低碳化研究的主題之一，本文總結了國際上車身、座椅和底盤零部件輕量化結構研究的最新成果。

1 車身結構輕量化

1.1 Tshwane技術大學用復合材料開發冷藏車輕質保溫車體[1]

這項研究的概念是通過輕質隔熱面板降低冷藏車輛的能耗，因為這種介質可以有效減少整車的載荷。在這項工作中取得的部分進展是為了使用纖維負載和取向作為制造參數來開發五種不同的用于絕緣板的復合覆蓋板，并且結果表明與未取向的復合覆蓋板相比，取向的增強復合材料提供顯著的重量減輕。這些新材料的面板重量是使用冷藏車輛的所有概念參數估計的，并且結果表明，用10%重量的纖維在基體中30°取向，對于50mm和100mm的絕緣厚度，分別提供5.238 kg/m2和6.738 kg/m2的最佳面板。

用于開發這些復合片材的材料是ampreg21環氧樹脂及其相應的硬化劑。增強纖維是e-玻璃，并使用PVA樹脂作為脫模劑以確保從模具中充分和有效地復合脫模。顯示了增強纖維和樹脂的物理和熱性能，并且這些特性有時在復合密度中起主要作用，復合密度是考慮中的主要因素。

這項研究工作開發了5張不同程度的纖維復合板。

增強和制造參數是基于不同的纖維負載和方向。用3種不同的纖維負載量（10,20和30wt%）將這些復合片材顯影，它們分別表示為：G 10 E，G 20 E和G 30 E，全部在0°取向，玻璃纖維相對于也由G 20 E 30和G 20 E 60表示的增強基礎纖維（30°和60°）以兩（2）種不同的纖維取向排列。

這些復合材料在30°和60°取向的纖維分別為10和20%的重量。按照數據表中的規定，聚合物復合材料的單個鑄件在從模具中取出之前在室溫下在40kg的載荷下固化24小時。隨后進行后固化處理，其中使每個鑄件在室溫下再固化24小時。

Fig. 3. Degree of panel weight using(i)oriented composite materials and metallic sheet as insulation cover,and(ii)using different proportion of five composite materials as insulation cover

這個實驗研究已經能夠減輕車重，這在面板重量分析中很明顯，與金屬板相比最多可以降低50%的重量（文中Fig.3）。這項研究同樣顯示了定向增強復合材料在減輕重量方面的影響，這是一種按照冷藏車輛的隔熱面板有效載荷減少能量的新方法。如果采用定向增強復合板作為絕緣板蓋板，本研究取得的部分進展是降低能耗的前景。

1.2 用于鋁框架結構開發輕型汽車[2]

馬來西亞的UniMAP大學設計并制造了使用太陽能來為其電池充電的電動車。該設計考慮使用輕質材料和部件，因為重量是車輛在節能方面的重要因素。車輛主體結構使用厚度為3.14mm的38mm鋁制空心管制造。其他使用的組件如車輪、彈簧懸架、轉向裝置和座椅是現有的通用部件。

該車使用最大轉速為3000轉/分鐘的48V直流（DC）永磁電機。后輪的擺臂設計成可以在垂直方向上自由移動。在前輪和后擺臂上使用四個摩托車彈簧阻尼器懸架單元。后輪由兩個70英寸的輪胎組成，它們連接在一起以支撐擺臂上的直流電機的重量。左前輪和右前輪由21英寸輪胎和鋁制運動輪輞組成。

開發了三輪輕型電動汽車全車模型（見文中Figure 1）和駕駛員三自由度模型，并結合研究了被動懸架系統衰減通過路面駝峰時的振動的性能。模擬結果表明懸架能夠減少振動水平。實驗結果也與模擬結果非常吻合。因此，當車輛在不同類型的路況下行駛時，可以進一步使用模型來選擇用于懸架系統的最佳參數。仿真分析為設計人員選擇提供了很大的優勢，并在實施完成之前確定車輛的最有效系統和參數(見文中 Table2)。

Figure 1.Lightweight electric car

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2 輕質夾層座椅輕量化設計減重57%[3]

德國Chemnitz技術大學開發了一種具有夾層結構的輕型車輛前座椅，該座椅由玻璃纖維增強熱塑性預浸料制成的表層和由填充有聚氨酯泡沫的間隔織物組成。座椅結構的強度測試模擬使用有限元分析方法進行。結果驗證了車輛座椅在靜態載荷下具有足夠強度的新型夾層設計。憑借創新的輕量化設計，與傳統批量生產的參考座椅相比，座椅質量減少了57%。

夾層結構，即雙殼結構可以更自由地設計，以便將不同的車身尺寸與內殼分別匹配，而外殼的設計則滿足強度要求并確保安裝到車輛上。期望具有夾層結構的座椅的優化的能量吸收提高了乘員的安全性和舒適性。

在這種設計中，座椅殼體主要具有平面形狀而沒有任何增強結構，因此可以在一次沖壓過程中容易地制造。每個內殼和外殼的厚度均為2mm。夾層芯填充內殼和外殼之間的空腔，厚度可以從座椅靠背和座墊之間的過渡區域的邊界處的4mm到大約50mm處可變地調節。

最初，在測試模型中分析標準載荷情況，以便可以實施具有增強結構的合適材料。根據聯合國歐洲經濟委員會（UNECE）的歐洲防撞規定“ECE R 17”設計規范，該規范是一個統一的車輛設計法規體系，以便于國際貿易定義強度測試（見文中Figure 2）。在靠背的上部，向后的縱向力施加在靠背的后部。

Figure 2: Test of strength of theseat back[1]and simplified beam model

在座位參考點（R）周圍產生530 N·m的扭矩。R點是由汽車制造商為每個就座位置定義的設計點，它是相對于三維參考系的軀干和大腿的樞軸中心。

在這項工作中，開發了一種夾層結構的車輛前座，該車可以節省高達57%的城市車的重量。這項技術可以方便地轉移到大規模生產中，從最新的研究到汽車行業帶來輕量級的多材料設計。

根據目前的研究，需要開發一體化發泡注塑成型的沖壓工藝。最初，兩個熱塑性預浸料片材需要在限定的溫度下預熱。然后，工具將被關閉，內殼和外殼分開形成。成形過程完成后，工具將被打開，借助旋轉板將兩個殼體一起放入一個空腔中。在插入3D紡織品之后，殼體將通過注入泡沫連接并最終從模具中取出。

3 底盤零部件優化設計減重潛力巨大

底盤被認為是汽車最重要的組成部分，在不同情況下確保車輛強度和穩定性。底盤是任何車輛的結構支柱，底盤車架必須承受所產生的應力和變形在有限的范圍內。底盤零部件常用的材料是低碳鋼，隨著技術的發展，復合材料應用在板簧的研究中、懸架中的復合材料彈簧、灰鑄鐵制動盤設計和分體式懸架設計等取得了一定進展。

3.1 復合材料的重型車輛底盤進行結構分析[4]

使用復合材料（如碳素環氧樹脂，E玻璃環氧樹脂，S2玻璃環氧樹脂）作為材料的底盤進行分析。由于復合材料重量輕、強度高，在許多工程應用中取代傳統金屬，為復合材料在結構工程應用中的應用奠定了基礎。結構分析處理承受機械和熱負荷的工程結構中的應力、應變和變形。與傳統材料相比，復合材料具有高強度和延展性，以及與彎曲和膜相關的機械性能，改善的斷裂韌性，更長的疲勞壽命和優異的抗沖擊性。分析結果可用于選擇底盤的最佳材料。需要對底盤進行疲勞分析，以承受底盤的動態負載和總壽命。

為了驗證底盤的仿真和實驗分析，已經使用了動態相關技術和有限元工具的應用。實驗結果與有限元結合使用來預測卡車底盤的動態特性，如自然頻率和相應的模態形狀。固有頻率和振型是機箱設計的重要參數。操作期間，如果叉車底盤在共振時被激發，可能會造成損壞。因此，基于有限元分析的結果。通過底盤進一步增強了當前的底盤，以提高其剛度并降低振動水平。與重型車輛底盤相同的承載能力的復合材料，減重73%-40%。聚合物復合重型車輛底盤的自然頻率比鋼底盤高32%-54%，比鋼底盤高66-78%。在結構分析中，改進后的模型的應力、位移和應變得到了改善。疲勞結果表明，與現有模型相比，修改后的模型損傷百分比較低。

3.2 灰鑄鐵應用于重型車輛制動盤設計[5]

鑄鐵制動盤通常用于汽車工業，并且需要更好地了解制動過程中發生的熱和機械現象。制動時的高熱機械負荷來自制動盤和制動襯片之間的相互作用。摩擦加熱通常以帶狀或熱點形式產生具有不均勻空間分布的高溫，這些現象會導致材料疲勞和磨損，并可能導致開裂，先進的校準材料模型的使用是重要的。

在本研究中，采用了Gurson-Tvergaard-Needleman型的材料模型，該模型考慮了拉伸和壓縮的不對稱屈服、運動硬化效應、粘塑性響應和溫度依賴性。使用單軸循環加載下測試的樣本對材料模型進行校準，溫度范圍從室溫到650C。遵循特殊的測試協議，旨在激活材料模型的不同特征。通過使用拉伸試驗和熱機械實驗來驗證模型。使用商業有限元代碼Abaqus分析制動盤的扇區。

采用了基于Seifert和Riedel以及Metzger和Seifert先前工作的材料模型，并且它解釋了非線性彈性、塑性、粘塑性、運動硬化、產生拉伸和壓縮的不對稱以及由空隙成核引入的孔隙率。該模型通過使用從非標準應變獲得的實驗數據來校準，所述非標準應變歷史被設計為包括具有不同應變幅度和不同應變的循環速率以及不同應變時期（停留時間）。目的是激活材料模型的不同特征。此外，材料模型使用受控的單軸試樣的熱機械疲勞（TMF）測試來驗證溫度與受控機械應變。該模型在Fortran中實現，并可以鏈接到商業有限元（FE）軟件Abaqus。

目前工作的目的是實現一個材料模型，可以模擬灰鑄鐵在熱機械加載下的循環行為。用于校準修改后的GTN材料模型的等溫應變控制測試旨在激活模型的不同特征。對于0.3%的應變，該協議被認為是良好的，最高達500℃，對于0.2%的應變，該協議可滿足650℃。

實驗表明，對于溫度低于300°C的較短制動，可忽略粘性影響。使用TMF測試進行驗證表明，材料模型可以令人滿意地預測高達0.3%的機械應變應力。盡管事實上TMF實驗是在50℃和700℃之間循環進行的，而校準只進行到650℃，外推材料參數高達700℃。結果表明，對現有模型提出的模型進行了簡化。

3.3 KTH概念車的輕質懸架系統與材料測試[6]

該項目為皇家技術研究所概念車（KTH-RCV）設計彈簧、阻尼器和懸架的可能性系統。該項目還研究未來在車輛中使用該系統的可能性。

這個項目的目標是設計和構建一個工作組合，包括用于KTH-RCV的減振器和懸架系統，在本文中稱為橫向板簧。該項目的另一個目標是利用構建KTHRCV系統所獲得的知識，預測汽車行業大規模生產中復合懸架系統的未來使用情況。

該方法包括為解決復合懸架系統的設計和構造而構建初始多個解決方案。使用“要求和限制”部分中的系統定義對解決方案進行分析和評估。進行的分析和數值（FEM）計算是為了驗證解決方案是否符合實際考慮。對于設計數據，使用表格材料特性和測試材料特性來構建假設的穩健性。

由于該項目的重點在于車輛的懸架系統，因此有必要熟悉當今車輛中存在的不同懸架系統。有許多不同的解決方案可以使駕駛室更加舒適和安全。KTH-RCV目前使用雙橫臂懸掛系統，對使用推桿彈簧和阻尼器連接進行了修改。

車輛懸架的一個重要部分是使用橫向穩定桿。橫向穩定桿傳統上是一種金屬管，安裝在汽車左右兩側。它的工作原理是，如果懸架的一側被壓縮，則桿將載荷傳遞到車輛的另一側，從而基本上使得壓縮的懸架側更硬并且禁止側傾。如果兩個車輪同時被壓縮，防側傾桿不會增加剛度。

市場上和今天的研究都是使用復合材料的懸架系統材料替代傳統螺旋彈簧。不同的懸架組件可以用復合材料制造，主要是按順序以減少車輛的質量。特別在減輕重量的賽車運動中（Preston，2010）尤為突出，其中大部分懸架系統部件均由復合材料制成。在公共汽車行業中，沒有任何復合材料部件被用于承載懸架部件。然而，包含復合彈簧技術的不同懸架系統正在開發和使用中。一些解決方案結合了常規螺旋彈簧的復合替代（Composite World，2014）。其他結合下面進一步介紹的復合板簧的不同解決方案。

從1963年開始，通用的雪佛蘭克爾維特使用橫向復合材料葉片彈簧，最初是后部，后來是前部和后部懸架，沃爾沃960旅行車中可以找到復合橫向鋼板彈簧系統。

復合材料葉片彈簧有許多優點，首先該系統重量更輕，重量減少將近70%。減少重量不僅降低了車輛的整體重量，而且還降低了懸架系統的非簧載質量，從而導致更加靈敏的駕駛。此外，復合材料本身具有高度耐腐蝕性，其耐久性是史無前例的。這意味著彈簧不會像傳統的螺旋彈簧一樣磨損;實驗室測試表明，復合材料鋼板彈簧的壽命超過了800萬次，從最大偏轉到最小偏轉，而鋼卷相當于75000次（Car Bibles，2013）。彈簧的包裝允許較低的重心以及空間保守，允許變成較小汽車。橫向彈簧裝置的另一大優點是，在轉彎時，當外輪要壓縮懸架并且內輪要拉伸懸架時。橫向彈簧的作用在一定程度上禁止橫向穩定桿產生相同的動作。橫向彈簧不一定會承受所有這些滾動力，但會限制常規系統的橫向穩定桿所需的尺寸，從而進一步減輕重量。

KTH-RCV的橫向穩定桿

KTH-RCV在懸掛系統中沒有配備橫向穩定桿，而是將懸掛系統調整得稍微硬一些，以防止車輛側傾。模擬KTH-RCV的防側傾桿，以協助處理汽車的整體特性。單輪壓縮剛度增加16.5%將有非常積極的結果，在轉彎時可減少1.5°，并且平衡性更好。如果橫向穩定桿的剛度增加，＞16.5%，則懸架特性會進一步改善。對于后懸架，不需要橫向穩定桿（Nybacka，ADAMS在KTH-RCV的橫向穩定桿研究中，2014）。由于橫向鋼板彈簧本身具有抗側傾特性，如3.4.4橫向復合鋼板彈簧-橫向穩定桿特性所述，在設計中加入防傾桿特性是很自然的。為前懸架選擇20%橫向穩定桿的目標，為后部選擇0%橫向穩定桿。

KTH-RCV中的粘性阻尼

目前汽車減振器的溫度依賴性是可以忽略的。因此，此次不會調研材料的粘性阻尼的溫度依賴性。然而，時間效應對于未來聚合材料阻尼器的設計非常重要。應該調查蠕變，松弛和老化，但由于時間限制不包括在這個項目中。在該項目中，為了符合KTHRCV的所需阻尼特性，將研究加載頻率（和伴隨應變率）。此外，還將研究材料可能的預加載特性。

粘彈性材料的測試

測試三種不同的粘彈性材料的拉伸和剪切粘彈性特點。測試的主要目的是找到彈性（拉伸和拉伸）剪切）在有限元模擬中使用的材料的模量。應變（和應力）所用的拉伸試驗機是Instron5567帶5kN稱重傳感器。

測試材料是：

·天然橡膠含量高的軟橡膠（Para橡膠）

·硬天然橡膠

·粘彈性（慢恢復SR 60）泡沫，SR 60特性不是

可以在網上查詢，參見（SR 65中）。

復合材料

分析概念中使用的材料是完全各向同性的。使用各向同性材料對于橫向彈簧性能不一定是最佳的，但是在初始分析計算中為簡單起見而選擇。在FEM設計計算中，選擇正交異性材料特性以進行更徹底的模擬。

粘彈性材料

選擇用于KTH-1型橫向板簧設計的粘彈性材料，RCV是硬質橡膠，橡膠的材料特性可以從中找到材料測試的定義粘彈性材料的測試結果。

3.4 基于模型的輕型車輛分體式車輪懸架設計[7]

將輕量化的施工方法應用于未來電動車的設計中，可減輕車身和底盤的重量。但是，與簧下質量相比，簧上質量的百分比減少的趨勢更大。因此，可能會出現在道路接觸和道路控制之間始終需要找到的妥協的不利后果。這需要額外的安排以達到最先進的傳統車輛的性能。本文提出了一種可能的設計方案。輪架分為兩部分，從而能夠相應地調整頻率響應參考車輛。除了技術解決方案之外，還介紹了所提出的懸架系統的Modelica建模以及車輛動力學和平順性評估。

下面介紹的解決方案是將輪架分成兩部分-輪轂和車身本身-彼此導向和懸掛（文中Figure4.）。就這樣非懸掛部分下部由車輪、輪胎、制動盤和支撐輪轂軸承和制動鉗的支架組成。拆分簧下質量塊的上部包含連接懸掛連桿安裝件和輪轂架其余部分的部件。額外的彈簧元件假定為橡膠襯套元件或襯套元件和輔助件的組合。

Figure 4: Technical Solution of thesplit wheel carrier

為了實現上述方案，檢查了幾個技術解決方案。最后，選擇了具有線性滑動機構的解決方案。它由兩個密封的直線滑動軸承（圖中淺灰色部分）與輪轂（紫色）牢固連接，并通過支撐輪架結構（米色）引導。這種設計類似于摩托車前懸架的傳統伸縮叉的機構。這些優點是簡單，密封且經過長時間驗證的標準化部件的設計和可用性，從而實現相對便宜的生產和組裝。而且，這樣的設計提供了抵抗外力和扭矩，剛度較高。

輪架支撐結構在圖中更詳細地示出。它由具有集成滑動軸承的支撐管（圖中的D部分，黃色）和

橡膠密封（E部分，綠色/黑色/橙色）。輪轂（紫色）連同制動鉗（圖中未示出）依次連接到浸沒管僅在輪架的部件之間提供垂直偏轉。

分離輪架的垂直運動通過橡膠襯套元件（深灰色）與支撐螺旋彈簧（C部分，紅色/橙色）放在一個管內（淺灰色）。負載彈簧由帶螺紋頭帽（F部分，淺紅色）支撐，便于更換和調節彈簧預緊力。非線性阻尼裝置（B部分，粉紅色）可以選擇性地安裝在其中一個浸入管中，以改善主軸襯元件的阻尼性能。

提出了一種懸架設計方案，以補償輕型電動車輛中對乘坐舒適性和輪胎/道路接觸的不利影響。該建議的機械設計引入了輪轂與輪架的分離，從而允許兩個部件之間的垂直相對運動。利用兩個直線滑動軸承來容納輔助懸架元件-類似于摩托車前叉的設計。

對這種懸架設計對乘坐舒適性和輪胎/道路接觸的影響進行了全面的研究。仿真結果表明，乘坐舒適度可以顯著提高，而對車輛動力學的影響可以忽略不計。當系統在普通駕駛條件下運行時，引入分離輪架棱柱接頭中的相對撓度約為幾毫米。

4 小結

（1）汽車輕量化潛力巨大，包括復合材料、鋁框架結構、座椅輕量化。

（2）底盤輕量化包括輕質懸架材料、復合材料葉片彈簧等零部件。

（3）設計方法實現輕量化潛力巨大。

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