汽車零部件輕量化的設計參考

趙 冰

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

前言

產品不斷進行輕量化，是各實體行業競相實現的目標。成功的輕量化產品往往也會成為賣點，為企業贏得更大的市場。本文從結構設計角度，立足于汽車行業，列舉輕量化設計時應注意的一些事項。

1 基礎學科的應用

輕量化設計，尤其是承載件的輕量化設計，可以綜合應用多種學科理論，尋找輕量化的方向。

1.1 工程材料

結構設計師，常常注重結構的設計，而忽視材料的選取。很多產品在批量生產或者市場推廣時會產生一些問題，如刀具壽命，結構開裂等。幾經試驗才發現換個材料就可以解決實際問題。

所以，根據結構的受力和工作條件，選取滿足成本及符合加工工藝需求的材料，是結構設計人員的重要課題。如結構對缺陷是否敏感，工作時是否受到沖擊，是否有交變應力，工作的溫度范圍，表面是否要求耐磨，切削性能和焊接性能有無要求，達到屈服還是抗拉強度即為結構失效，有無耐腐蝕要求等等。

1.2 理論力學

結構件受力正確的簡化模型對結構的優化方向有決定性的影響。受拉還是受壓，有無剪切應力，有無摩擦副，是否存在翻轉力矩，作用力屬于機構內部可相互抵消的內力，還是屬于需要承受的外部作用力等等。

目前有限元分析軟件發展的很成熟，但目前大多數汽車零部件企業僅停留在校核設計師的結構是否滿足使用需求，而沒有達到通過軟件進行自動結構優化的水平。所以結構設計師選對結構的優化方向，可大幅度減少CAE工程師的工作量，縮短設計周期。

1.3 材料力學

危險截面的概念，容易理解，卻很難靈活應用。眾所周知，結構的薄弱點出現在危險截面，危險截面的應力決定了結構的最終壽命。

結構件的危險截面強度不足時，一些設計師常常采用增加壁厚或者增加加強筋的處理方式，但實際上通過更改截面尺寸的效果會更加理想。如采用大截面加小壁厚的方案優于小截面加大壁厚的方案，不僅提升了結構強度，而且加大了降重的空間。

從截面的角度處理結構強度不足，不止是清楚如何優化危險截面，還有如何處理連續結構的截面。相鄰結構過強也需要進行同步處理，有時不斷地加材料不如合理地減材料。另外還要注意截面的細節處理，如圓角和倒角的連續變化，壁厚的連續變化，對于增大截面，減少應力集中，增加結構強度都有顯著的幫助。

2 輕量化結構參考點

基于基礎學科的理論基礎,下文給出了一些輕量化的設計參考。

2.1 材料

2.1.1 脆裂敏感性

可用材料的屈服強度與抗拉強度比值來評價。結構件受沖擊，且有耐磨需求時，需要特別注意此比值。一般有耐磨需求時，通過對材料進行表面處理，如滲碳、碳氮共滲、感應淬火等，增加表面材料硬度，提高其耐磨性能。但此時往往會忽略對耐沖擊的要求，所以要注意原始材料的選用，及熱處理后屈服強度的變化，避免結構對脆裂過于敏感。

2.1.2 碳當量計算

材料碳當量對于預測鋼的焊接性能有重要意義。碳當量計算公式已有多個版本，可以根據材料的分類和結構的用途，選擇適合的碳當量計算公式。對于汽車零部件，本文推薦采用美國金屬學會提出的用于評定淬火碳鋼和低合金鋼的焊接性碳當量公式：

評價如下：

當w＜0.4%～0.6%時，鋼的焊接性良好，應考慮預熱

當w=0.4%～0.6%時，鋼的焊接性相對較差

當 w＞0.4%～0.6%時，鋼的焊接性很不好，必須預熱到較高溫度

（3）性價比。結構件受材料成本影響很大，但采用高強度的材料時又可以適當減小結構體積。所以結構設計時，應綜合考慮材料成本與結構件體積，從而得到最佳方案。

2.2 承載

2.2.1 構件集成化

盡可能減少零件數量，一方面減少連接工作和材料體積，另一方面還提供了更大的設計自由度，更容易實現極限輕量化。如采用焊接式推力桿支架的橋殼比采用螺栓聯接式的橋殼輕，而鑄造橋殼由于支架與橋殼可一體化設計，比采用焊接支架的橋殼更輕。

2.2.2 承載結構

設計時應盡可能避免偏轉，避免造成如翻轉力矩等載荷的產生，即盡可能簡化主承載結構的受力情況。力及力矩的導入，應直接由主承載結構承受。

2.2.3 曲率的應用

合理的曲率可以提供更強的自然支承。向上隆起的彎板比直板的抗壓能力更強。薄板無法直立，而彎曲的薄板不僅可以直立還可以承受一定的載荷。

2.3 截面

2.3.1 面積慣性矩

以最小的體積實現最大的承載，重要的一步是看哪些材料可以去除。除了優化外部結構，還要看內部截面。空心型材的面積慣性矩通常高于實心型材的面積慣性矩。閉口截面比開口截面承載能力要強。

2.3.2 合理的減重槽

減重槽應開在載荷較小的區域，提高結構在主承載方向上的剛度。采用均勻分布的小減重槽，支承剛性比實心的支撐結構也能高出許多。應用最為經典的結構是制動盤，內外兩側的壁厚中間是呈蜂窩狀的加強筋，這種結構比實心制動盤強度好，而且良好的加強筋結構還可以加快散熱，提升制動器性能。

3 結束語

結構輕量化，應同時關注本行業及上下游行業的發展。材料的發展、新結構的應用，細分市場的變化、標準及法規的更新對產品的結構優化都具有一定的指導意義。