超高強度鋼在汽車底盤零部件中的設計應用

田歡樂 胡洪 陳海 陳志洋 葉家富

摘 要：在汽車底盤零部件輕量化設計過程中，通過輕量化解決方案中的新材料應用和結構優化設計兩個主要途徑進行研究，以汽車底盤前懸擺臂輕量化設計為例，在同等工況條件下，一方面提出了采用高強度鋼和超高強度鋼的材料應用方案;另一方面提出以結構優化設計的雙片扣合式和單片式的結構方式進行結構設計，建立高強度鋼與雙片扣合式、超高強度鋼與單片式數學仿真模型。然后采用CAE方法對前懸擺臂L1、L2級工況進行分析對比。仿真結果表明：采用超高強度鋼與單片式方案比高強度鋼與雙片扣合式方案具有更好的結構優化空間，更好體現出零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化。采用超高強度鋼方案輕量化方案較高強度鋼減輕21%，輕量化解決方案效果明顯。

關鍵詞：超高強度鋼;輕量化;底盤;前懸擺臂;雙片式;單片式

Abstract： In the process of lightweight design of automotive chassis components， the application of new materials in lightweight solutions and structural optimization design are studied. Taking the lightweight design of front cantilever of automotive chassis as an example， under the same working conditions， on the one hand， the material of using high strength steel and ultra-high strength steel is proposed. On the other hand， it is proposed that the structural design should be carried out in the way of double-slice fastening and single-slice fastening， and the mathematical simulation models of high strength steel and double-slice fastening， ultra-high strength steel and single-slice are established. Then the CAE method is used to analyze and compare the L1 and L2 working conditions of the front cantilever. The simulation results show that the ultra-high strength steel and monolithic scheme have better structure optimization space than the high strength steel and double-piece buckle scheme， and better reflect the thin-walled， hollow， miniaturized and composite parts. The lightweight scheme of ultra-high strength steel is 21% less than that of high strength steel， and the lightweight solution has obvious effect.

1 引言

在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性能，減少燃料消耗，降低排氣污染。據相關數據統計整車重量減少100Kg相應油耗降低0.4L/100Km，CO2排量降低-10g/100km，因此輕量化已經成為世界汽車發展的潮流和趨勢[1]。

汽車輕量化技術是設計、材料與制造技術的集成應用，實現汽車輕量化主要途徑主要有兩個途徑：（1）新材料應用：主要采用輕量化材料和輕量化材料成型技術，以達到減輕零部件重量的目的。（2）結構優化設計：使零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化以及對零部件進行結構和工藝改進等。其中材料輕量化包括高強鋼、鎂合金、鋁合金、工程塑料及其復合材料和陶瓷材料等應用[2]。

本文主要從材料輕量化（高強度鋼）和結構優化設計兩個方面探討高強鋼在汽車底盤零部件方面的設計與應用，從而實現整車的輕量化。

2 超高強度在汽車零部件應用概述

隨著汽車材料技術的飛速發展，現代汽車制造材料的構成也在不斷發生變化。以現代轎車用材為例，按照重量換算，鋼材占汽車自重的55%～60% ，鑄鐵占5%～12%，有色金屬占6%～10%，塑料占8%～12%，橡膠占4%，玻璃占3%，其他材料（油漆、各種液體等）占6%～12%。汽車應用材料比例如圖1所示。

由于鋼鐵材料在強度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優越，其在汽車材料中的主導地位仍是不可動搖的。但高強度鋼和超高強度鋼的應用，如汽車車身、底盤、懸架、轉向等零部件上，將繼續有較大增長。據相關數據統計，高強度鋼在汽車底盤件上應用相對于普通鋼材減重約30%，相對鋁合金成本約低于30%。

高強度鋼在汽車零部件應用優勢主要體現在兩個方面：（1）采用高強度鋼板可以達到減薄車身用板的厚度和重量的目的， 在輕量化的同時，增加了安全性能。據相關資料數據表明，當鋼板厚度分別減小0.05mm、0.01mm和0.15mm時，車身減重分別為6%、12%和18%。（2）高強度鋼一般是指冷軋340MPa、熱軋490MPa以上的鋼，這些新型高強度鋼板具有較低的屈強比、較好的應變分布能力和較高的應變硬化特性，同時高強度鋼板的力學性能更加均勻，從而具有更好的碰撞特性和更高的疲勞壽命。

高強鋼可分為傳統高強鋼（CHSS）和先進高強（AHSS。常用的先進高強度鋼主要有復相（CP）鋼、雙相（DP）鋼、相變誘發塑性（TRIP）鋼和孿生誘發塑性（TWIP）鋼等幾種。傳統的高強鋼多是通過固溶處理和晶粒細化達到強化效果的。目前常用的傳統高強鋼為：高強度 IF 鋼（HSIF）、烘烤硬化（BH）鋼、冷軋各向同性（IS）鋼、冷軋高強度含 P 鋼和高強度低合金（HSLA）鋼。

3 超高強度鋼底盤零部件輕量化設計應用

超高強度鋼在汽車底盤零部件中的應用是比較廣泛的，以汽車前懸架中工況較復雜的前懸架擺臂設計為例。某車型前擺臂方案設計CAE性能分別以L1和L2級工況為輸入條件，L1和L2級工況分別見表1、表2。

前懸架擺臂設計過程中擺臂本體可以通過選擇不同的材料進而采用不同的結構設計方法，滿足L1和L2級工況要求[3]。以下對前懸架擺臂本體分別采用高強度鋼、超綱強度鋼進行不同的結構設計進行研究，設計思路見表3：

以下針對兩種思路分別進行設計分析研究：

（1）思路一：前懸架擺臂本體材料常用的高強度剛SAPH370、SAPH400、SAPH440、QStE360、QStE380、QStE420、QStE460，經過性能、成本、工藝等因素綜合要求[5][6]，選取材料QStE460及雙片扣合結構形式經CAE分析滿足要求[7]，CAE仿真分析如下。

L1級工況分析如下：

根據CAE仿真選取前懸架擺臂在L1級工況下，選取Fx、Fy、Fz、MZ_LE、MZ_TE、nFZ各個方向塑性變形最大值與L1級工況塑性應變應要求對比分析結果如表4所示。

根據CAE仿真選取前懸架擺臂在L2級工況下，選取Fx、Fy、Fz、nFZ各個方向應力最大值與應力要求對比分析結果如表5所示。

前懸架擺臂本體采用材料QStE460及雙片扣合結構形式在滿足L1、L2級工況下，結構圖示及設計重量見表6：

（2）思路二：前懸架擺臂本體材料常用的超高強度剛SAPH590、SAPH780、SAPH440、QStE550、QStE600、780HB，經過性能、成本、工藝等因素綜合要求，選取材料780HB及單片式的結構形式經CAE分析滿足要求，經雙片式結構分析可以看出風險工況為L1、L2級工況Fx、Fy向，現將風險工況仿真分析結果例舉如下。

L1級工況分析如下：

根據CAE仿真選取前懸架擺臂在L1級工況下，風險工況方向Fx、Fy各個方向塑性變形最大值與L1級工況塑性應變應要求對比分析結果如表7所示。

L2級工況分析如下：

根據CAE仿真選取前懸架擺臂在L2級工況下，選取風險工況方向Fx、Fy各個方向最大應力與要求值對比分析結果如表8所示。

前懸架擺臂本體采用材料780HB及單片式的結構形式在滿足L1、L2級工況下，結構圖示及設計重量見表9：

4 CAE仿真結果分析

在同等工況及重量要求下，分別采用高強度鋼和超高強度鋼對某車型前擺臂進行設計與分析得出以下結果：

（1）采用高強度鋼QStE460和超高強度鋼780HB進行結構設計分析均可以滿足L1、L2級工況要求;

（2）采用高強度鋼時需要采用上、下兩個片體進行設計，應力集中及塑性變形強的區域還需要局部增加加強件等措施，而采用超高強度鋼進行設計時則直接采用單片式的結構設計，在應力集中及塑性變形強的區域只需要修改該區域曲面造型增強強度即可。

（3）采用超高強度鋼設計前懸架擺臂重量比采用高強度鋼設計后的重量要減輕約21.2%，提升了底盤件在輕量化設計的應用。

5 結論

（1）同等工況下，超高強度鋼與高強度鋼在前懸架擺臂設計上更好體現出零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化以及對零部件進行結構和工藝改進更能實現。

（2）同等條件下，超高強度鋼與高強度鋼在不同結構優化之下，前者設計重量能夠比后者減輕21.2%，提供了高強度鋼在底盤件上的輕量化解決方案。

（3）根據材料本身性能相比而言，超高強度鋼延伸率不及高強度鋼。因此在沖壓成型時拉延深度比較大的零部件容易出現開裂等缺陷，因此采用超高強度鋼在產品設計之初就需要更加關注沖壓CAE成形分析。

參考文獻

[1] 王蘭，陳秀娟，等.汽車輕量化的方向[J].汽車觀察.2019（07）：90.

[2] 白彩盛，趙立杰等.金屬材料在汽車輕量化中的應用探討[J].世界? ?有色金屬.2019（13）：291-293.

[3] 趙云云，商乃鉅，譚文崢，楊勁飛等.底盤后縱臂輕量化設計思路[J].汽車實用技術.2019（16）：98-100.

[4] 賈明萌.汽車輕量化材料及制造工藝研究現狀[J]裝備維修技術. 2019（03）：25.

[5] 楊勁飛，韋榮興，覃家騰，陳德深.底盤下控制臂輕量化解決方案[J].汽車實用技術.2019（15）：（130-132）.

[6] 鐘全能.汽車結構設計的輕量化設計探討[J].汽車實用技術.2019 （15）：（153-154+168）.

[7] 趙國偉.有限單元法在汽車產品輕量化設計中的應用研究[J].時代農機，2019 （ 05）： 67 -68.