汽车后纵梁轻量化设计方法研究

杨志强，麻桂艳

（华晨汽车工程研究院白车身工程室，辽宁 沈阳 110141）

前言

目前，汽车工业的可持续发展面临着油耗、环保和安全三个问题，因此采用汽车轻量化技术，节约资源，保护环境，是未来汽车的发展方向[1]。轻量化的设计方法不仅可以满足汽车结构的刚度和强度，而且可以降低零部件的自身重量，达到节能减排，满足日益严苛的法规要求[2]。后纵梁作为车身结构的重要零部件，研究一种轻量化的后纵梁设计方法，以满足车身结构的强度和刚度需求，同时降低车身重量。

后地板骨架结构示意图如图1所示，将针对后纵梁阐述轻量化的设计方法。

图1 后地板骨架结构示意图

1 热成型技术的应用

1.1 热成型技术介绍

热成形技术是将热冲压钢板在加热炉中加热到奥氏体在结晶温度以上，保温一段时间，使其转变为均匀的奥氏体组织，在通过机械手等设备将高温板料转移到具有冷却水道的热冲压模具中，最终完成板料的冲压成型和保压淬火的过程。热成形技术实现了组织转变与零件成型同步，解决了超高强钢的成型问题，热成形和保压淬火完成后组织转变为板条状马氏体，抗拉强度达到1500MPa。如图2所示，同时，热成型零件具有优良可靠的安全性能、塑形好、回弹小等特点。由于热成型后的零件具有超高强度，故后纵梁采用B1500HS的热成型材料，从而可以通过降低零件料厚来达到轻量化的目的。

图2 热成型零件抗拉强度示意图

1.2 热成型发展趋势

目前普遍应用的是等厚、等强度板热成型技术。随着轻量化需求的日益强烈，目前又出现不等厚度及不等强度热冲压成型技术。不等厚度的热成型技术分别为轧制差厚板、激光拼焊板、补丁板热冲压成型技术。通过不同厚度的设计，获得不同的零件强度从而获得良好的碰撞吸能效果。不等强度的热冲压成型是在现有热成型技术的基础上，在成型前在板料的低强度区域粉刷一种混合液后再进行成型，从而获得不等强度的热成型零件。

图3为一款合资品牌的后纵梁示意图，后纵梁为热成型零件，在左右侧分别设计三处红色区域的低强度区，从而在整车的后碰过程中获得良好的后纵梁吸能效果。

图3 某车型后纵梁示意图

2 差厚板技术的应用

激光拼焊板（简称TWB）的出现，把不同厚度、不同性能的板材焊接在一起，用于车身冲压板材的减重，并取得了很好的效果，但TWB需要增加剪裁、焊接等一系列工序，增加了生产成本，同时多了一条或几条焊缝，影响冲压件的表面质量和性能均匀性，而且TWB只能在焊缝处实现厚度的突变，不能做到厚板与薄板的过渡连接，如图4所示。

为了解决TWB带来的这些缺点，出现了一种利用轧制方法生产的变厚度板材，称为差厚板（简称TRB），如图5所示，TRB相对 TWB，具有没有焊缝，表面质量好、组织性能均匀性好、生产效率高、降低焊接带来的成本高、可方便地获得两种以上厚度组合的板材等优点。故后纵梁应用差厚板，用来降低后纵梁局部区域的重量。TRB的缺点是只能获得同种材料不同厚度的零件，不能获得不同材料不同厚度的零件。由于TWB的成本是按照焊缝的长度进行计算的，当激光拼焊的数量比较多时，使用TRB会获得较小的零件成本。

图4 TWB断面示意图

图5 TRB断面示意图

3 后纵梁热成型差厚板设计

后纵梁在设计初时，在满足布置空间时，通过应用热成型差厚板进行减重，厚区用来保证后桥的安装强度，薄区进行适当减重，同时在过渡区域减少搭接，厚区及薄区的分配一定要结合CAE进行不断分析，以达到性能的最优化及减重的最大化，从而使后纵梁达到轻量化的目的。后纵梁差厚板厚区及薄区示意图见图6。

图6 后纵梁差厚板薄厚分区示意图

通过热成型差厚板技术的应用，可以使后纵梁的料厚进行变化，在满足各个安装点所需的强度情况下，减少加强件的使用，同时在不需要高强度的区域进行减薄，以达到轻量化的目的。后纵梁设计为差厚板可以实现减重10%。

4 结论

通过热成型技术、激光拼焊技术及差厚板技术均可达到轻量化的目的，车身设计时需根据零件的功能，并结合CAE分析及成本分析，最终确认合适的轻量化方法。“合适的材料用在合适的部位”多材料轻量化汽车是综合考虑成本和轻量化效果等因素的较好的设计选材方案，将是未来汽车轻量化材料应用的发展方向，也是未来汽车的发展趋势[3]。

参考文献

[1] 韩维建.汽车材料及轻量化趋势.北京:机械工业出版社,2017.

[2] 张军.汽车节能技术.北京:机械工业出版社.2014.

[3] 中国汽车工程学会.中国汽车轻量化发展.北京:北京理工大学出版社2015.