輕量化材料在底盤結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

陳敬玉 胡志剛 辛慶鋒 李航 徐梅梅 王歡歡

浙江吉利控股集團(tuán) 浙江吉智新能源汽車科技有限公司 浙江省杭州市 310014

1 前言

電動真空泵是純電動車的制動系統(tǒng)必不可少的部件，其作用是抽取真空系統(tǒng)中的空氣，保持系統(tǒng)具有一定的真空壓差，達(dá)到助力的效果，一般真空泵的固定支架是由鈑金沖壓、焊接而成，重量較重。而且產(chǎn)品由鋼板經(jīng)落料、成型、沖孔和焊接，相應(yīng)的模具和焊接夾具都較多。如果該支架能鑄塑成型，可以節(jié)約非常多的模具成本，還可以將重量降低。在降低自身成本的同時(shí)還能為節(jié)能減排作出相應(yīng)貢獻(xiàn)。本文以電動真空泵支架的以塑代鋼為背景，通過其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、空間布置、成本和重量對標(biāo)分析，確定了方案的可行性，為底盤結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。

2 電動真空泵支架以塑代鋼的可行性分析

2.1 工程塑料材料市場應(yīng)用的可行性

工程塑料的雛形是尼龍66 樹脂，在1939 年已研制成功并投入生產(chǎn)，最初主要用來制造合成纖維。經(jīng)過十年的發(fā)展以及注塑機(jī)的普及，工程塑料突破了傳統(tǒng)用途。因其具有高耐熱、耐腐蝕能力，機(jī)械性能良好，逐步在汽車行業(yè)中應(yīng)用，比如汽車底盤部件中的加速踏板已經(jīng)全部采用了工程塑料，制動踏板的底座采用工程塑料的占比在逐年加大。目前某高端車型的電動真空泵固定支架采用了工程塑料替代鋼材已經(jīng)在批量配套，重量較原鈑金方案降低50%，而工程塑料的隔振能力強(qiáng)，對乘客的主觀感受提升也有非常好的效果。電動真空泵固定支架的原理和電動真空泵固定支架類似，將工程塑料的應(yīng)用擴(kuò)展至某車型的電動真空泵支架具備條件。

圖1 鈑金電動真空泵安裝支架結(jié)構(gòu)示意

圖2 工程塑料電動真空泵安裝支架結(jié)構(gòu)示意

2.2 空間布置與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可行性

鋼結(jié)構(gòu)材料因其固有的高強(qiáng)度和低變形，抗拉強(qiáng)度能達(dá)到410Mpa，產(chǎn)品強(qiáng)度只需通過增加加強(qiáng)筋和翻邊即可達(dá)到滿足模態(tài)和剛度的要求。以PA66 工程塑料為例,抗拉強(qiáng)度只有50-90Mpa，需要較大的空間滿足其設(shè)計(jì)要求。本文采用有限元分析的方式，以鋼質(zhì)支架的周邊空間為基礎(chǔ)，以工程塑料的特性進(jìn)行了修改。并對模型進(jìn)行了強(qiáng)度和變形量的分析，對真空泵支架加載X、Y、Z 三個(gè)方向的振動加速度，分析結(jié)果顯示，采用工程塑料的真空泵支架應(yīng)力11.171Mpa，變形量最大1.32mm，滿足材料的許用應(yīng)力和變形量要求。同時(shí)該結(jié)構(gòu)的空間與鋼質(zhì)支架相當(dāng)，空間布置可行。同時(shí)原鋼質(zhì)材料的真空泵固定支架重量0.75kg, 以工程塑料為材料的真空泵固定支架重量則為0.45kg, 減重60% 減重效果明顯。

圖3 鋼板沖壓支架結(jié)構(gòu)示意

圖4 工程塑料支架結(jié)構(gòu)示意

圖5 鋼板沖壓支架空間布局示意

圖6 工程塑料支架空間布局果示意

圖7 工程塑料電動真空泵支架整車裝配示意

圖8 工程塑料電動真空泵支架網(wǎng)格加載示意

圖9 工程塑料電動真空泵支架變形分析結(jié)果示意

2.3 經(jīng)濟(jì)效益可行性分析

主機(jī)廠應(yīng)用新技術(shù)的動力來源主要有新技術(shù)預(yù)研、產(chǎn)品降本，提高性能等，電動真空泵固定支架的以塑代鋼可以在滿足性能的前提下降低單體質(zhì)量。為研究其帶來的經(jīng)濟(jì)效益，是否具有投資價(jià)值。本文對兩種材料設(shè)計(jì)成本進(jìn)行了對比，對比內(nèi)容包括原材料價(jià)格、模檢具成本，材料利用率、產(chǎn)線投入等。從對比結(jié)果可以看出，采用工程塑料的電動真空泵固定支架，總體成本略低，材料有效利用率高于鈑金支架，同時(shí)無需表面處理，對環(huán)境的污染較低，投入的模具數(shù)量較少，如配套車輛銷量大，還會有較好的產(chǎn)能保證能力。

圖10 工程塑料電動真空泵支架應(yīng)力分析結(jié)果示意

2.4 工程塑料在汽車行業(yè)結(jié)構(gòu)件應(yīng)用的未來趨勢

輕量化材料在汽車中的儀表和內(nèi)飾中應(yīng)用較多，整車底盤部件因需要有強(qiáng)度保證，輕量化材料主要是鋁合金。但隨著科技的發(fā)展，玻纖類工程塑料已開始應(yīng)用與底盤結(jié)構(gòu)件，某企業(yè)在2019 年已向沃爾沃集團(tuán)交付了一百萬件汽車懸架用玻纖板簧，該企業(yè)已經(jīng)達(dá)到了復(fù)合玻纖塑料的量產(chǎn)能力。使用該材料后，重量降低了65%。減重效果非常明顯。目前很多國際企業(yè)已在布局，并已成為未來的發(fā)展方向。

3 工程塑料材料應(yīng)用試驗(yàn)策劃

原鈑金的電動真空泵固定支架進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，只需考慮表面處理、焊接強(qiáng)度以及材料的抗拉和延伸率的合格性，工程塑料的電動真空泵固定支架因在高溫、耐酸/堿性液體以及耐老化方面具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以消除因材料本身特性帶來的影響。故在鈑金支架的基礎(chǔ)上增加吸水性、低溫沖擊強(qiáng)度、熱變形溫度、長期老化性和燃燒性等材料試驗(yàn)，成品與泵本體進(jìn)行振動耐久測試，驗(yàn)證固定螺栓在初始擰緊狀態(tài)下是否有松脫等問題。通過材料、零件、總成以及整車的多輪測試，產(chǎn)品在市場再出現(xiàn)質(zhì)量問題的概率將會極低。

4 結(jié)論

輕量化是汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，在保證汽車安全和強(qiáng)度要求的前提下，降低整車的整備質(zhì)量，可有效提高汽車的動力經(jīng)濟(jì)性，從而降低污染物的排放。目前全球各國都在為環(huán)保出謀劃策，真空泵支架的“以塑代鋼”必然會成為一種趨勢，運(yùn)用在汽車或者其他領(lǐng)域。同時(shí)鋼材的冶煉、以及焊接都是高耗能領(lǐng)域，其表面處理又是高污染行業(yè)，國家有關(guān)部門正在對該領(lǐng)域進(jìn)行資源整合與產(chǎn)業(yè)提升，目前鐵礦石等原料的價(jià)格持續(xù)上漲，直接影響產(chǎn)品的成本。而工程塑料屬于新材料產(chǎn)業(yè)，國家有關(guān)部門已制定相應(yīng)政策支持其發(fā)展，同時(shí)也在加大國產(chǎn)化替代，降低進(jìn)口依存度，如技術(shù)獲得突破，產(chǎn)品成本將進(jìn)一步減低。在成本、重量和環(huán)保方面均有優(yōu)勢的工程塑料將進(jìn)一步在汽車底盤部件中滲透，得到更多的應(yīng)用。工程塑料在結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用較少，還需做進(jìn)一步搭載進(jìn)行測試，待測試完成尚可下結(jié)論是否完全可行。

表1 輕量化支架成本對比表