車身一體化壓鑄后地板創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

2020 年，中國汽車工程學(xué)會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》給出了汽車車身輕量化技術(shù)路線圖及分階段目標(biāo)，從材料、工藝方面規(guī)劃了未來15 年的車身輕量化發(fā)展方向。工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合發(fā)布《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，明確了要發(fā)展先進(jìn)車用材料，引導(dǎo)汽車行業(yè)開展高強(qiáng)鋼、鋁合金、復(fù)合材料等的應(yīng)用。根據(jù)政策導(dǎo)向及發(fā)展路線，新材料、新工藝的應(yīng)用刻不容緩[1]。此外，隨著日益嚴(yán)苛的排放要求與新能源汽車提升續(xù)航里程的需求，汽車輕量化成為重點(diǎn)發(fā)展方向。汽車輕量化可以降低油耗、降低碳排放、提升動力性、提升制動性能、提升操穩(wěn)、提升NVH 等。

輕量化勢在必行，而車身已成為當(dāng)前汽車各系統(tǒng)中最主要的輕量化對象[2]。車身一體壓鑄鋁技術(shù)，能大幅簡化車身結(jié)構(gòu)，推動車身制造工藝變革。一體壓鑄技術(shù)替代了沖壓和焊裝環(huán)節(jié)，將幾十甚至上百個(gè)零件簡化了一個(gè)零件，減少了白車身的零件數(shù)量，簡化了生產(chǎn)工序。鋁合金因其具有低密度、易成型、設(shè)計(jì)靈活、耐腐蝕等特點(diǎn)，在滿足復(fù)雜車身結(jié)構(gòu)及工藝的同時(shí)減輕了整車重量，提高了車輛的續(xù)航里程。同時(shí)，一體壓鑄工藝可以將廢料回爐重造，極大地降低了材料的消耗，節(jié)省了原材料及運(yùn)輸成本，提高了材料的循環(huán)利用率，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益。一體化壓鑄技術(shù)具有簡化工序、輕量化、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本等多方面優(yōu)勢。

伴隨著一體壓鑄技術(shù)的快速發(fā)展，考慮到安全碰撞和工藝鏈簡化，繼特斯拉首次采用一體壓鑄工藝后，國內(nèi)各個(gè)主機(jī)廠都相繼在后地板區(qū)域采用一體壓鑄鋁技術(shù)。因鋁的材料力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼的性能，使得一體壓鑄后地板在碰撞過程中更容易開裂。因此，一體壓鑄后地板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于后碰安全至關(guān)重要，需要用結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化去平衡原材料性能的不足，其中，后縱梁加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接關(guān)系到碰撞性能是否能夠達(dá)成，同時(shí)也體現(xiàn)輕量化水平的高低。

通常，縱梁加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)方案都是參考特斯拉的結(jié)構(gòu)形式，如圖1 所示，采用“十”字形、“X”形或“田”字形結(jié)構(gòu)，對縱梁Z 向高度的要求較大，同時(shí)為了滿足后碰性能需要在縱梁內(nèi)布置密集的加強(qiáng)筋，導(dǎo)致輕量化的水平不高。

圖1 一體壓鑄地板后縱梁加強(qiáng)筋方案

檢索近幾年來關(guān)于壓鑄鋁后地板的相關(guān)發(fā)明及實(shí)用新型專利如下：

(1)2018 年廣州汽車集團(tuán)股份有限公司的曾鑫等人申請的發(fā)明《一種車身后地板框架結(jié)構(gòu)》如圖2 所示。

圖2 一種車身后地板框架結(jié)構(gòu)

(2)2020 年廣州汽車集團(tuán)股份有限公司的林佳武等人申請的實(shí)用新型《一種車輛后縱梁集成結(jié)構(gòu)及車輛》如圖3 所示。

圖3 一種車輛后縱梁集成結(jié)構(gòu)及車輛

(3)2022 年小米汽車科技有限公司的劉超申請的實(shí)用新型《后地板總成和車輛》如圖4所示。

圖4 后地板總成和車輛

(4)2023 年嵐圖汽車科技有限公司的方金剛等人申請的發(fā)明《一種后地板總成結(jié)構(gòu)及汽車》如圖5 所示。

圖5 一種后地板總成結(jié)構(gòu)及汽車

(5)2023 年重慶長安汽車股份有限公司的車躍光等人申請的發(fā)明《后車架連接件、后地板總成安裝結(jié)構(gòu)以及汽車》如圖6 所示。

圖6 后車架連接件、后地板總成安裝結(jié)構(gòu)以及汽車

由以上五組發(fā)明或?qū)嵱眯滦蛯＠麍D示可見，所有縱梁的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)或?yàn)橐粭l主筋貫穿首尾的魚骨型結(jié)構(gòu)或?yàn)槟撤N筋的簡單重復(fù)陣列，該種設(shè)計(jì)可以保證縱梁有足夠的強(qiáng)度去抵抗變形，但加強(qiáng)筋數(shù)量較多，增加重量和成本，不利于極致的輕量化設(shè)計(jì)，此外，在碰撞過程中力的傳遞路徑上，會首先在薄弱點(diǎn)處壓潰，降低了碰撞性能。

首先，按照傳統(tǒng)思路進(jìn)行某車型壓鑄地板的縱梁加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了滿足碰撞性能需要，進(jìn)行了多次縱梁加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)方案的更新迭代。如圖7 所示，隨著加強(qiáng)筋厚度及數(shù)量的增加，零件重量不斷增加，嚴(yán)重影響整車的輕量化水平，同時(shí)增加了零件成本。

圖7 某車型壓鑄地板的設(shè)計(jì)迭代

為了得到性能、成本、重量更優(yōu)的產(chǎn)品，先摒棄傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，從事物的第一性原理出發(fā)，考慮力的傳遞路徑，使力的傳遞效率最大化，如圖8 可知，在力的傳遞過程中，直線的傳遞效率最高。

圖8 不同方向筋的力的傳遞效率示意圖

因此，將加強(qiáng)筋的布局遵從力的傳遞路徑，使筋的方向重疊或平行于力的傳遞方向，確保能量的傳遞效率最大化，使每一個(gè)筋發(fā)揮其力學(xué)性能范圍內(nèi)的最大作用，用最少的材料獲得最大的性能收益，其設(shè)計(jì)理念如圖9所示。

圖9 傳遞路徑上主筋布局示意圖

此外，眾所周知，在所有的圖形當(dāng)中，三角形的穩(wěn)定性最好，一方面，因三角形的任意兩邊確定第三邊，每條邊兩個(gè)端點(diǎn)之間的距離固定，這樣，這兩條邊的夾角也被固定，這種特性使得三角形在受到外力作用時(shí)，角度和邊長的變化受到限制，從而具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性；另一方面，從幾何學(xué)的角度，三角形具有最少的頂點(diǎn)和邊數(shù)，這使得其結(jié)構(gòu)相對簡單，更容易保持穩(wěn)定，三角形內(nèi)角之和恒等于180°，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和角度關(guān)系限制了三角形在受到外力作用時(shí)的形變，進(jìn)一步增強(qiáng)了其穩(wěn)定性。因此，在上述直線主筋的傳遞路徑上增加輔助加強(qiáng)筋，使其形成多個(gè)疊套的三角形結(jié)構(gòu)，增加其抵抗變形的能力，如圖10 所示。

圖10 三角形輔助筋布局示意圖

這樣，在保證力的傳遞效率最大化和結(jié)構(gòu)傳遞的連續(xù)性和穩(wěn)定性的同時(shí)，再根據(jù)仿真模型在不敏感的位置對輔助加強(qiáng)筋的布置以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。從而減少了加強(qiáng)筋的數(shù)量和厚度，縮小了縱梁Z 向高度，最大限度的把空間留給底盤硬點(diǎn)布置和車內(nèi)用戶，滿足了后碰相關(guān)要求，同時(shí)大大提高了車身的輕量化水平。

據(jù)統(tǒng)計(jì)按照該種策略進(jìn)行某車型壓鑄地板后縱梁加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)筋數(shù)量由原來的52 條減少至24 條，重量減輕3.5kg，成本降低175 元，同時(shí)滿足了座椅、懸架、后碰安全各方的要求，詳見表1 所示。

表1 后縱梁加強(qiáng)筋優(yōu)化設(shè)計(jì)前后對比

方案驗(yàn)證

對本方案實(shí)物產(chǎn)品進(jìn)行各類子系統(tǒng)試驗(yàn)均與仿真分析接近，綜合性能表現(xiàn)優(yōu)越，整車后碰試驗(yàn)均能滿足C-NCAP、E-NCAP 以及美國88km/h 的后碰安全試驗(yàn)，如圖11 所示。

圖11 一體壓鑄后地板

對于一體壓鑄地板后縱梁加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)策略，通過顛覆傳統(tǒng)方案，進(jìn)行創(chuàng)新性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其在重量、成本、綜合性能以及對于布置的友好性上都取得了較大收益，為相關(guān)設(shè)計(jì)研發(fā)人員提供了技術(shù)參考，從而推動一體壓鑄件在車身上的應(yīng)用向更高更好地方向發(fā)展。

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