某商用輕卡白車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄧輝輝

（江西五十鈴汽車有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330010）

0 引言

輕卡是指車型分類中的N 類載貨汽車，最大總質(zhì)量不大于4.5T 的N2 類車型。中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2022 年全國(guó)商用輕卡銷量達(dá)161.8 萬(wàn)臺(tái)。

輕卡駕駛室既是駕駛員的工作場(chǎng)所，也是乘員的休息場(chǎng)所。為了保證商用輕卡駕駛室的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，大部分駕駛室覆蓋件采用薄壁鈑金件結(jié)構(gòu)，通過(guò)焊接、鉚接、膠粘等連接固定方式裝配而成一個(gè)系統(tǒng)總成，鈑金結(jié)構(gòu)的駕駛室重心低、安全性能好。

輕卡駕駛室一般由白車身、車身外飾件、車身內(nèi)飾件、電氣附件等組成。目前國(guó)內(nèi)的輕卡駕駛室一般是直瀑式平頭前臉結(jié)構(gòu)，是整車車身零部件安裝基礎(chǔ)，白車身通常由前圍鈑金、后圍鈑金、頂蓋、立柱、地板等鈑金件焊接而成，如圖1所示。

圖1 某輕卡駕駛室

環(huán)境問(wèn)題以及油耗高低，直接影響到國(guó)家雙碳目標(biāo)的達(dá)成以及用戶的經(jīng)濟(jì)效益。輕量化技術(shù)，旨在保證輕卡強(qiáng)度、剛度和安全等性能的前提下，盡可能地減輕整備質(zhì)量，進(jìn)而提高整車性能，實(shí)現(xiàn)低碳綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展，因此，本研究開(kāi)展輕卡駕駛室白車身輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-10]。

1 白車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)

輕卡正向新材料、輕量化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)智能化、舒適化、功能多元化、乘用車化和人性化方向發(fā)展，輕量化路徑包括提升白車身高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例、擴(kuò)大輕質(zhì)材料應(yīng)用范圍、結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造輕量化等。本研究的基礎(chǔ)輕卡駕駛室如圖2（a）所示，其寬度為1 750 mm，駕駛室空間相對(duì)緊湊。為最大限度地利用現(xiàn)有駕駛室結(jié)構(gòu)，減少開(kāi)模投資，降低開(kāi)發(fā)成本，筆者在現(xiàn)有基礎(chǔ)駕駛室的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在Y向?qū)ΨQ延伸60 mm，如圖2（b）所示，主要是優(yōu)化設(shè)計(jì)頂蓋、前圍鈑金等系統(tǒng)零件，其他部件維持基礎(chǔ)駕駛室設(shè)計(jì)方案。

圖2 基礎(chǔ)駕駛室與優(yōu)化駕駛室方案對(duì)比

白車身前圍鈑金輕量化設(shè)計(jì)如下：

前圍鈑金系統(tǒng)是輕卡駕駛室重要的鈑金件，由前圍上部外板、前圍護(hù)板、前圍上部?jī)?nèi)板及前圍板組成。本研究開(kāi)展前圍鈑金和頂蓋鈑金系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)，如圖3所示，主要通過(guò)提升零件材料牌號(hào)及降低料厚來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化，前圍和頂蓋鈑金系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)減重4.636 kg和1.77 kg，具體措施匯總?cè)绫?、表2所示。

表1 前圍鈑金系統(tǒng)輕量化匯總表

表2 頂蓋鈑金系統(tǒng)輕量化匯總表

圖3 前圍和頂蓋鈑金輕量化零件示意圖

2 輕量化白車身CAE分析

2.1 輕量化白車身CAE剛度分析

本研究采用Alter 軟件對(duì)某輕卡白車身基礎(chǔ)和優(yōu)化方案進(jìn)行有限元建模，有限元模型網(wǎng)格尺寸精度大小為7 mm，前圍鈑金、頂蓋鈑金、后圍鈑金、地板、立柱等鈑金件采用二維殼單元進(jìn)行建模，前擋風(fēng)玻璃、后擋風(fēng)玻璃與駕駛室鈑金采用玻璃膠粘接固定，前圍、地板等鈑金件采用Spot 點(diǎn)焊、縫焊SEAM 焊接單元模擬，搭建的某輕卡白車身基礎(chǔ)模型及輕量化模型如圖4所示。

圖4 某輕卡基礎(chǔ)白車身和輕量化白車身模型

本研究對(duì)基礎(chǔ)白車身和輕量化白車身進(jìn)行彎曲剛度對(duì)比分析，在車身與車架前連接處和后連接處分別約束全部自由度，分別在駕駛室兩側(cè)施加Z向2 000 N 的載荷，加載點(diǎn)位于地板左右兩側(cè)、車身與車架前連接處和后連接處中點(diǎn)位置，得到如圖5 所示的CAE 剛度對(duì)比分析結(jié)果。

圖5 基礎(chǔ)白車身和輕量化白車身彎曲位移對(duì)比云圖

由圖5 所示的基礎(chǔ)白車身和輕量化白車身彎曲剛度分析結(jié)果可得到，基礎(chǔ)白車身左側(cè)彎曲最大位移為0.98 mm，基礎(chǔ)白車身右側(cè)彎曲最大位移為0.96 mm，前圍鈑金延伸60 mm 后，輕量化白車身左側(cè)彎曲最大位移為1.04 mm，輕量化白車身右側(cè)彎曲最大位移為1.06 mm，說(shuō)明輕量化白車身彎曲剛度性能與基礎(chǔ)白車身基本相當(dāng)。

2.2 輕量化白車身CAE強(qiáng)度分析

白車身作為商用輕卡車型關(guān)鍵承載系統(tǒng)，不僅要保證足夠的彎曲剛度和NVH 性能，更需要保證白車身充分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。本研究采用ABAQUS 軟件對(duì)優(yōu)化前后的白車身進(jìn)行了強(qiáng)度對(duì)比分析，CAE 強(qiáng)度分析邊界條件按照轉(zhuǎn)彎0.4g的工況進(jìn)行基礎(chǔ)白車身和輕量化白車身強(qiáng)度性能對(duì)比分析，得到如圖6 所示的強(qiáng)度對(duì)比分析結(jié)果。

圖6 基礎(chǔ)白車身和輕量化白車身轉(zhuǎn)彎工況CAE強(qiáng)度對(duì)比圖

從圖6 的CAE 強(qiáng)度對(duì)比分析結(jié)果可知，轉(zhuǎn)彎工況下，基礎(chǔ)白車身最大應(yīng)力出現(xiàn)在地板第一橫梁折彎對(duì)應(yīng)位置區(qū)域，最大應(yīng)力值為141.7 MPa，小于地板鈑金Q235 的材料屈服強(qiáng)度235 MPa；輕量化白車身最大應(yīng)力出現(xiàn)在相同區(qū)域位置，最大應(yīng)力值為113.5 MPa，應(yīng)力減小了。

3 結(jié)論

1）在現(xiàn)有基礎(chǔ)駕駛室的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在Y向?qū)ΨQ延伸60 mm，如圖2（b）所示，主要是優(yōu)化設(shè)計(jì)頂蓋、前圍鈑金等系統(tǒng)零件，實(shí)現(xiàn)減重6.406 kg，減重效果顯著。

2）采用CAE 仿真軟件，對(duì)基礎(chǔ)白車身和輕量化白車身進(jìn)行了CAE 剛度和強(qiáng)度對(duì)比分析，結(jié)果表明，輕量化白車身結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)白車身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能相當(dāng)，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。