新能源汽車產品減重方案的實施過程

白耀明

摘要：我國于2020年9月22日，在第七十五屆聯合國大會上提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”目前新能源汽車發展的瓶頸主要是續駛里程焦慮，解決這一難題主要是有三種途徑：一是提高電池密度增加電池容量，提高續駛里程；二是優化電池電控參數減少耗電量；三是減輕整車質量減少耗電量。重點對減重方案措施實施過程及方法進行研究，拓寬產品開發設計思路，確保質量目標的達成。

主題詞：碳中和；新能源；汽車；輕量化

汽車產品開發設計的重要目標包含性能、成本、質量和周期。開發一款成功的產品，上述目標都要達成。本文重點研究質量目標達成過程或降低產品質量的措施。以某新能源全尺寸越野車型后橋短縱拉桿減重過程進行說明。

項目介紹

根據項目組的要求，對一款非承載式車身結構的全尺寸越野車型進行減重活動，以提高產品競爭力。動力總成為插電混合動力型，前橋電動機驅動，后橋發動機驅動。后懸架為五連桿整體橋結構，如圖1所示。

目前項目處于數據凍結、產品結構確定階段，該產品已經完成首次產品結構確定，并且完成仿真分析及臺架試驗，產品性能滿足目標要求。為了提高產品競爭力現在根據項目組要求，保證在不提高產品成本的前提下，質量再降低10%；同時需要考慮在確保整車項目周期不延期的情況下制作產品減重方案。

該項目主要減重對象是后懸架中的短縱拉桿，其安裝位置如圖2所示。

圖2 短縱拉桿安裝位置示意

通過焊接將兩個套管與拉桿本體兩端焊接，兩端焊接的套管為壁厚3mm的35無縫鋼管，拉桿本體為外直徑23mm、壁厚4mm（35鋼）冷拔無縫鋼管，如圖3所示。

圖3 短縱拉桿結構

方案制定

根據減重任務，組織相關人員（涉及項目、總布置、產品、仿真分析、試驗、工藝及采購等相關部門人員）采用頭腦風暴的方式進行方案制定，然后對所有方案逐一分析，最終確定最佳方案。

經過研討確定四種減重方案（具體見表1），并且從結構、材料、成本及質量等方面進行了對比分析。

表1 短縱拉桿減重方案

方案 本體結構/mm 材料 成本/元 質量/kg

原方案 φ23×壁厚4 35鋼 7.26 0.562

方案1 φ25×壁厚2 35鋼 5.97 0.340

方案2 φ15圓棒 35鋼 6.16 0.416

方案3 φ12圓棒 35鋼 5.38 0.266

方案4 φ12圓棒 45鋼 5.20 0.266

下面對以上方案逐一分析，以便確定最優方案。

1）方案1，基于總布置以及整車運動校核分析，短縱拉桿本體外直徑23mm已經為最大邊界，不能再加大，因此否決該方案。

2）方案2，本體結構由無縫冷拔管結構調整為圓棒結構，外直徑由23mm調整為15mm；成本降低1.1元，質量降低0.146kg（降低26%）。

3）方案3，本體結構由無縫冷拔管結構調整為圓棒結構，外直徑由23mm調整為12mm；成本降低1.88元，質量降低0.296kg（降低53%）。

4）方案4，本體結構由無縫冷拔管結構調整為圓棒結構，外直徑由23mm調整為12mm；材料由35鋼調整為45鋼，成本降低2.06元，質量降低0.296kg；經工藝工程師評估45鋼焊接質量不穩定，容易出現焊接裂紋，不建議采用45鋼，或者增加焊接后退火處理以降低焊接裂紋風險。

根據上述所有方案的分析并且結合項目總監意見，最終選擇方案2，方案3作為可實施方案繼續推進。

仿真分析

委托仿真分析部門對優化方案2、方案3進行強度應力仿真分析，這里僅選取四種典型工況進行說明（見表2）。

表2 短縱拉桿減重方案CAE分析結果

工況 工況1 工況2 工況3 工況4

原方案 應力分布

最大應力/MPa 49 34 84 186

方案2 最大應力/MPa 52 36 81 191

增幅/% +6.1 +5.8 -3.5 +2.7

方案3 最大應力/MPa 60 57 87 239

增幅/% 22.4 +67.6 +3.5 +28.5

經仿真分析結果與原方案對比，方案2最大應力小于材料屈服強度（191MPa＜315Pa），整體工況應力最大增幅為+6.1%＜10%，該方案可行；方案3最大應力小于材料屈服強度（239MPa＜315Pa），整體工況應力最大增幅為+67.6%＞10%，且三種工況應力增幅超過10%，根據經驗判斷應力增幅較大，該方案有風險，不可行。

樣件制作

1.產品技術狀態確定

經減重降本VAVE小組共同確認選用方案3作為最終方案實施。由產品工程師確定技術狀態，將技術文件傳遞至供應商和采購工程師，開啟樣件生產制作。

2.樣件交付及確認

為確保項目順利推進實施，由采購工程師跟蹤樣件制作進展，由產品工程師及時處理技術問題。

3.產品質量確認

為保證產品驗證有效，需要從以下幾方面對產品樣件狀態及質量進行確認。

1）產品材料化學元素分析見表3，檢測結果合格。

表3 化學元素成分分析? ? （質量分數：%）

元素 C Si Mn P

標準值 0.32～0.39 0.17～0.37 0.50～0.80 ≤0.025

檢測值 0.36 0.22 0.59 0.65

元素 S Cu Cr Ni

標準值 ≤0.020 ≤0.25 ≤0.25 ≤0.30

檢測值 0.002 0.01 0.03 0.01

2）材料機械性能檢測見表4，結果合格。

表4 機械性能分析

機械性能 抗拉強度

/MPa 屈服強度

/MPa 斷后伸長率

/%

標準值 ＞530 ＞315 ＞20

短縱拉桿本體 726 508 27

3）硬度檢測結果見表5，結論為合格。

表5 硬度分析? ? ?（單位：HRC）

維氏硬度 點1 點2 點3

標準值 ＞18.0

穩定桿支架 17.2 17.4 17.2

4）材料金相分析結果如圖4所示。

檢測金相組織為鐵素體+珠光體，組織比較均勻，邊緣未發生脫碳，金相組織正常。

5）焊道檢測。經檢查交付樣件焊角高度合格，焊縫長度合格且飽滿，未發現氣孔、咬邊、焊偏等缺陷。

同批次檢測焊縫熔深，焊喉合格，且無內部缺陷。

6）產品磁粉探傷檢測。對短縱拉桿本體及焊縫進行磁粉探傷檢測，表面均未發現裂紋。

7）產品尺寸檢測。檢測短縱拉桿本體直徑合格，目標要求φ15mm±0.1mm，實際檢測為φ15.04mm、φ15.02mm、φ15.04mm和φ15.06mm。

結論：經以上產品檢測，各項指標均合格，可以開展試驗。

組織實施驗證

1.系統臺架耐久試驗

按照整車姿態搭建系統臺架試驗，按照以下試驗工況開展試驗，見表6。

2.整車耐久試驗

經與項目組協調確認，有年度改款車型需要開展

3萬km綜合耐久試驗，共兩臺試驗車。即刻決定搭載耐久試驗車驗證。

經過4個月試驗驗證，試驗順利結束，短縱拉桿產品無任何失效問題，產品合格。

產品切換

經以上產品方案制定、方案論證、仿真分析、系統臺架試驗以及整車綜合耐久試驗，最終確認產品方案可行，可靠性高，產品質量減重目標達成，并且成本降低，該方案可以實施。

結語

通過對本案例實施過程進行總結分析發現，降重改善方案要快速、穩妥地實施，要從需求出發制定合理目標，方案分析以及驗證過程至關重要。重點分析現有方案，通過對比分析，仿真驗證等措施制定行之有效，確定可實施性強的方案。通過試驗前產品狀態確認，保證樣品狀態滿足設計要求。該案例的成功實施對以后新能源產品降低質量的方案制定以及驗證實施過程有指導作用。

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