汽车零部件轻量化的设计参考
2018-10-22赵冰
赵 冰
（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710200）
前言
产品不断进行轻量化，是各实体行业竞相实现的目标。成功的轻量化产品往往也会成为卖点，为企业赢得更大的市场。本文从结构设计角度，立足于汽车行业，列举轻量化设计时应注意的一些事项。
1 基础学科的应用
轻量化设计，尤其是承载件的轻量化设计，可以综合应用多种学科理论，寻找轻量化的方向。
1.1 工程材料
结构设计师，常常注重结构的设计，而忽视材料的选取。很多产品在批量生产或者市场推广时会产生一些问题，如刀具寿命，结构开裂等。几经试验才发现换个材料就可以解决实际问题。
所以，根据结构的受力和工作条件，选取满足成本及符合加工工艺需求的材料，是结构设计人员的重要课题。如结构对缺陷是否敏感，工作时是否受到冲击，是否有交变应力，工作的温度范围，表面是否要求耐磨，切削性能和焊接性能有无要求，达到屈服还是抗拉强度即为结构失效，有无耐腐蚀要求等等。
1.2 理论力学
结构件受力正确的简化模型对结构的优化方向有决定性的影响。受拉还是受压，有无剪切应力，有无摩擦副，是否存在翻转力矩，作用力属于机构内部可相互抵消的内力，还是属于需要承受的外部作用力等等。
目前有限元分析软件发展的很成熟，但目前大多数汽车零部件企业仅停留在校核设计师的结构是否满足使用需求，而没有达到通过软件进行自动结构优化的水平。所以结构设计师选对结构的优化方向，可大幅度减少CAE工程师的工作量，缩短设计周期。
1.3 材料力学
危险截面的概念，容易理解，却很难灵活应用。众所周知，结构的薄弱点出现在危险截面，危险截面的应力决定了结构的最终寿命。
结构件的危险截面强度不足时，一些设计师常常采用增加壁厚或者增加加强筋的处理方式，但实际上通过更改截面尺寸的效果会更加理想。如采用大截面加小壁厚的方案优于小截面加大壁厚的方案，不仅提升了结构强度，而且加大了降重的空间。
从截面的角度处理结构强度不足，不止是清楚如何优化危险截面，还有如何处理连续结构的截面。相邻结构过强也需要进行同步处理，有时不断地加材料不如合理地减材料。另外还要注意截面的细节处理，如圆角和倒角的连续变化，壁厚的连续变化，对于增大截面，减少应力集中，增加结构强度都有显著的帮助。
2 轻量化结构参考点
基于基础学科的理论基础,下文给出了一些轻量化的设计参考。
2.1 材料
2.1.1 脆裂敏感性
可用材料的屈服强度与抗拉强度比值来评价。结构件受冲击，且有耐磨需求时，需要特别注意此比值。一般有耐磨需求时，通过对材料进行表面处理，如渗碳、碳氮共渗、感应淬火等，增加表面材料硬度，提高其耐磨性能。但此时往往会忽略对耐冲击的要求，所以要注意原始材料的选用，及热处理后屈服强度的变化，避免结构对脆裂过于敏感。
2.1.2 碳当量计算
材料碳当量对于预测钢的焊接性能有重要意义。碳当量计算公式已有多个版本，可以根据材料的分类和结构的用途，选择适合的碳当量计算公式。对于汽车零部件，本文推荐采用美国金属学会提出的用于评定淬火碳钢和低合金钢的焊接性碳当量公式：
评价如下：
当w＜0.4%～0.6%时，钢的焊接性良好，应考虑预热
当w=0.4%～0.6%时，钢的焊接性相对较差
当 w＞0.4%～0.6%时，钢的焊接性很不好，必须预热到较高温度
（3）性价比。结构件受材料成本影响很大，但采用高强度的材料时又可以适当减小结构体积。所以结构设计时，应综合考虑材料成本与结构件体积，从而得到最佳方案。
2.2 承载
2.2.1 构件集成化
尽可能减少零件数量，一方面减少连接工作和材料体积，另一方面还提供了更大的设计自由度，更容易实现极限轻量化。如采用焊接式推力杆支架的桥壳比采用螺栓联接式的桥壳轻，而铸造桥壳由于支架与桥壳可一体化设计，比采用焊接支架的桥壳更轻。
2.2.2 承载结构
设计时应尽可能避免偏转，避免造成如翻转力矩等载荷的产生，即尽可能简化主承载结构的受力情况。力及力矩的导入，应直接由主承载结构承受。
2.2.3 曲率的应用
合理的曲率可以提供更强的自然支承。向上隆起的弯板比直板的抗压能力更强。薄板无法直立，而弯曲的薄板不仅可以直立还可以承受一定的载荷。
2.3 截面
2.3.1 面积惯性矩
以最小的体积实现最大的承载，重要的一步是看哪些材料可以去除。除了优化外部结构，还要看内部截面。空心型材的面积惯性矩通常高于实心型材的面积惯性矩。闭口截面比开口截面承载能力要强。
2.3.2 合理的减重槽
减重槽应开在载荷较小的区域，提高结构在主承载方向上的刚度。采用均匀分布的小减重槽，支承刚性比实心的支撑结构也能高出许多。应用最为经典的结构是制动盘，内外两侧的壁厚中间是呈蜂窝状的加强筋，这种结构比实心制动盘强度好，而且良好的加强筋结构还可以加快散热，提升制动器性能。
3 结束语
结构轻量化，应同时关注本行业及上下游行业的发展。材料的发展、新结构的应用，细分市场的变化、标准及法规的更新对产品的结构优化都具有一定的指导意义。
