基于辊冲一体式纵梁的轻量化拖挂式房车底盘*

靳春宁，高 妍，高世哲，邹天下，刘 洋，张智恒

（1.大连理工大学汽车工程学院，大连 116024；2.中国重汽集团汽车研究总院，济南 250100；3.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200241）

前言

拖挂式房车由于自身的灵活性与价格优势吸引了大量用户，在旅居车市场的占比持续增大［1］。随着功能的日益多元化、集成化，拖挂房车底盘承载的设备越来越多，出现重载化倾向。因此，如何在轻量化的同时，显著提升底盘承载能力成为业内广泛关注的问题。底盘轻量化与底盘承载力的提升，经常是矛盾的。同时，房车底盘作为典型的多品种、小批量产品，复杂、昂贵的冲压成型工艺在成本上难以接受。而以轻量化为目标的最优设计输出，往往又呈现为不得不用冲压工艺实现的复杂外形，对于变截面狭长纵梁，甚至超出了常规冲压工艺的能力范畴。

在底盘设计中，结构优化是较为普遍的方式。廖莺等［2］在概念设计阶段引进ICM 混合建模方法，结合拓扑优化和形状优化等手段，对后副车架进行优化轻量化设计。马超等［3］针对骨架式车身提出一种以材料类型、梁的截面形状和尺寸为离散设计变量的结构优化方法。王童等［4］通过强度、刚度、模态分析、结构轻量化和生命周期评价，分析车身结构优化对整车节能减排效果的影响。陈世泽等［5］建立了以制造成本为目标的变刚度复合材料结构设计优化方法，实现轻量化与成本的兼顾。李德明等［6］针对车架生产效率低、制造精度差等问题进行结构优化设计。另外，也有学者尝试通过新材料实现汽车轻量化，顾新建等［7］指出先进高强度钢以其优良的力学性能和较低的生产成本，很好地满足了汽车轻量化的需求。Duchet 等［8］认为开发目标是促进先进高强度钢牌号的应用，以节省底盘部件的质量。蒋荣超等［9］将某乘用车扭转梁悬架原钢质横梁用碳纤维复合材料替代，并进行结构优化设计，取得显著的轻量化效果。Li 等［10］指出高强度钢（HSS）具有优异的强度和出色的韧性，已被广泛用于大型结构中。

在材料加工工艺方面，国内外相关学者也进行了研究。解东旋等［11］提出高强度钢板热冲压工艺是实现汽车轻量化、提高汽车碰撞安全性的重要途径之一。Mehari 等［12］提出冷轧成型工艺是生产高强度钢型材的最主要方法之一。Kloska 等［13］开发并测试了适合混合成型的模具概念和工艺，通过混合成型工艺实现了与原始部件相比减轻近20%的质量。André 等［14］提出一种用于制造多材料轻质零件的计算方法，该方法为与工艺设置相关的结构特性提供了一个快速准确的计算模型。

总而言之，就轻量化而言，最优零件构型必然是复杂的，作为拖挂式房车底盘的关键部件——纵梁，其最优构型必然呈现为一种超长、变截面梁。

目前拖挂式房车车架制造中，冲压和折弯是主要工艺，无法实现超长变截面梁的加工。受制于工艺，实际的房车车架要么采用固定截面纵梁，要么采用多个不同截面的零件组合而成的组合梁，限制了房车车架性能的进一步提升。同时，小批量产品的特殊成本要求又限制了新工艺的运用，使轻量化问题变得更为棘手，经优化的复杂外形、高强度材料的运用、相对较低的生产成本，成为要同时解决的3 个问题。

针对上述挑战，本文将团队提出的“辊冲工艺”方法首次应用于超长、轻量化冲孔和变截面房车车架纵梁的一次成型，与现有文献的各种成型方法相比，从工艺和经济成本上能够真正实现符合最优化原则特殊产品加工制造；而作为本文的重点，通过数值仿真和结构优化给出的高强度、高刚度、轻量化的特殊超长纵梁最优方案，只有通过“辊冲工艺”方法才能真正实现。

本文中以某款广泛使用的1.4 t 级拖挂式房车底盘为例，将辊冲成型工艺实际应用于拖挂式房车底盘设计中，优化结构，通过高强度材料的一体化成型构造底盘纵梁，较为均衡地解决了上述3个问题。

1 对标底盘的仿真与分析

1.1 对标底盘三维几何模型的建立

选择市场反映较好的某款额定载质量为1.4 t、底盘质量（不包括轮胎）为114.5 kg的拖挂房车底盘作为对标产品，如图1 所示。通过三维测量，构造对标底盘的三维CAD模型，如图2所示。

图1 对标底盘实物图

图2 对标底盘几何模型

1.2 对标底盘材料参数的确定

为获得对标底盘所用材料的实际性能，对底盘材料进行取样，经过线切割形成标准拉伸试件，通过拉伸试验机获得对标底盘关键材料的力学性能，如表1所示。

表1 对标拖挂房车底盘板材的力学性能

1.3 基于多工况有限元分析的性能评估

分析通过HyperMesh 完成。在拖挂房车使用过程中，满载弯曲和满载制动是最典型的工况，所以本研究选取这两种工况下底盘的受力情况进行分析。

载荷通过全局加速度的形式施加，创建大小为9 810 mm/s2的加速度载荷，（N1，N2，N3）为全局加速度的方向向量。N1表示拖挂房车x方向加速度，大于0 时表示加速，小于0 时表示制动，等于0 时表示静止或匀速行驶；N2表示拖挂房车y方向加速度，大于0 时表示左转，小于0 时表示右转，等于0 时表示直线行驶；N3的值设置为-1，表示竖直向下的重力加速度。边界条件通过约束位移的方式施加，根据工况的不同进行边界约束条件的施加。

弯曲工况为拖挂房车满载且在水平良好路面上匀速直线行驶时车架的受力状态，是最常见的工况之一。该工况下拖挂房车车架仅承受竖直向下的弯曲载荷，主要由车身、车厢内部物品、水箱以及其他附属部件产生。该工况下的全局加速度方向向量为（N1，N2，N3）=（0，0，-1），边界约束条件为：前方拖钩处限制x、y、z3 个方向的位移，左右两侧车轮限制y、z方向的位移。

制动工况模拟前车发生紧急制动时车架的整体受力状态。该工况下车架不仅会承受垂直向下的载荷，还会承受因制动而产生的纵向惯性载荷，且纵向载荷的大小受到整车总质量和地面制动力的影响。汽车的地面制动力可以通过制动力系数进行反映，制动力系数的最大值称为峰值附着系数φp。前车在干燥的混凝土或沥青路面制动时的峰值附着系数φp为0.8～0.9［15］，取峰值附着系数φp=0.9，根据式（1）进行计算，ax=-0.9g。该工况下的全局加速度方向向量为（N1，N2，N3）=（-0.9，0，-1）

式中：abmax表示最大制动减速度；φp为峰值附着系数；g为重力加速度，取9.81 m/s2。

经过计算得出在满载弯曲工况下的最大位移为4.789 mm，位于后部横梁，最大应力为167.4 MPa；满载制动工况下的最大位移为5.347 mm，出现在前横梁，最大应力为185.4 MPa。各工况的位移和应力云图如图3所示。

图3 两种工况的位移和应力云图

分析表明，底盘在上述工况下的最大应力值接近、甚至超过材料的许用应力，表明对标底盘既有结构已充分发挥了材料性能，在不对工艺做重大改变的情况下，通过改变材料和结构优化提升性能的空间非常有限。

2 拖挂房车底盘改进方案

2.1 工艺改进

本文中采用辊冲工艺解决上述问题，引入更高强度材料，构建大尺寸、变截面横梁实现性能增强，并通过减少主要构件数量提升生产效率和装配效率。

辊冲工艺集辊压成型和冲压成型两者为一体的辊冲成型工艺，该工艺可以使金属依次通过放卷机、辊冲成型机和冲剪机从薄板、带料到卷料，具体过程如图4 所示。辊冲成型工艺的主要特征是将传统的冲压整体模具离散化处理，形成多对模具块。通过驱动齿轮和链节带动模具块绕具有巨大虚拟半径的圆弧旋转并逐步啮合，进而成型板料。辊冲成型机上的模具块具有较强的灵活性，可以根据目标零件的形状进行设计，具有制造变截面零件的能力。此外，由于模具被单元化处理，模具的维修成本降低，仅须维护已磨损部分的模具块即可。该工艺继承了冲压模具的灵活性和辊弯成型的运动连续性，某种程度上算是一种辊压与冲压的复合工艺。

图4 辊冲成型示意图

一个结构和功能上最优的车架，必然具有复杂的外形。其中的关键构件——纵梁，将兼具超长、变截面、高强度和小批量生产的特性，采用既有的工艺方法是难以实现的。而辊冲成型工艺则利用可以处理高强度板材、低成本和构造大长度的变截面纵梁等优势较好地解决了上述问题。

利用辊冲成型工艺可以连续进行材料的成型加工，也能使旅居挂车底盘的纵梁一体成型，且具备流水线批量生产的能力，与此同时也可以获得更好的力学性能，但由于辊冲成型工艺在模具的生产加工中有很多限制和要求，因此须根据具体加工工艺过程对其材料和结构进行相应的改进。

2.2 材料改进

受制于小批量生产的压力，对标拖挂式房车底盘纵梁由多个结构相对简单的金属钣金件通过焊接和螺栓连接组成。对于拖挂式房车底盘，受到工艺制约，高强度板材的使用并不普遍。且针对对标底盘的分析也表明，尽管所用板材的指标相对较好，但板材性能也已被充分发挥，为进一步提升性能，引入更高性能材料是必要的。

对标材料是从成型后加工硬化程度较小的纵梁边角部切割下一小片支撑拉伸试件，进行拉伸实验。新材料采用的是原始坯料，在相同的实验条件下完成拉伸实验和对比。纵梁成型后，相比原始坯料会有一些加工硬化，在弯角、折弯和翻边部位变化较大，但边部因变形很小，加工硬化可忽略不计。两种底盘纵梁材料实测的应力-应变曲线对比如图5 所示。其中图5（a）为单向拉伸实验试样产生缩颈前的工程应力-应变曲线，图5（b）为真实应力-应变曲线。

图5 材料应力-应变曲线对比

由图可以看出，相对于原始材料，FB780 钢的性能有明显提升，结合以此为基础的结构改进，进一步扩大了底盘性能的提升空间。

2.3 基于辊冲工艺的结构改进

对标底盘总长度为6 000 mm。其中，纵梁长度为4 500 mm，由两个简单截面的构件焊接而成。底盘各主要构件的板材厚度见表2。

表2 对标底盘主要构件板材厚度 mm

改进1：由于利用辊冲成型工艺能够实现变截面复杂零件的成型加工，所以将对标拖挂房车底盘的A字梁与纵梁（由两段等长度的焊接件构成）改为一体成型的结构，其长度与对标底盘一致，宽度经过有限元分析不断优化。在完成整体结构的初步改进后，需要对底盘各部件的连接方式和轻量化孔进行设计。通过有限元分析与对标底盘的强度和刚度进行对比，优化新底盘的设计方案，在对标底盘的基础上增加纵梁侧面的轻量化孔数量，以此达到减轻质量的目的。最终结果如图6所示。

图6 纵梁改进方案

改进2：当将A 字梁与纵梁做成一体成型结构时，原有的纵梁与前横梁连接处会缺失一部分长度，从而造成前横梁应力集中，所以在前横梁和纵梁之间的位置增加一块厚度为1.5 mm 的斜支撑钢管，分别在两端进行螺栓连接，形成独立的三角形框架，以此来加强前横梁与纵梁之间的连接与支撑，具体改进方案如图7所示。

图7 三角形结构改进方案

改进3：由于对标拖挂房车底盘前横梁一方面是通过从内部钣金翻边与纵梁相互连接，另一方面因为前横梁与纵梁的上表面位于同一平面，所以下方可以通过垫片与A字梁进行螺栓连接。但是新结构中采用一体成型的工艺导致前横梁安装后会高于纵梁，无法使用垫片与A字梁相互连接，因此在设计上使A 字梁与前横梁接触的上表面前端向下倾斜，且将两者连接处的部分稍作加宽，使用衬板将前横梁搭建在A 字梁的上方，在前横梁与衬板接触的左右两侧分别使用垫片与之进行螺栓连接，且使用钣金翻边用作定位，最终结果如图8所示。

图8 前横梁连接结构改进方案

改进4：改进后的底盘在长度方面仍保持与原有底盘相同的数值，但在前横梁、纵梁和某些主要部件的厚度上有所改进，各部件钢板厚度见表3。

表3 改进后底盘主要构件板材厚度 mm

3 改进后底盘的仿真与分析

3.1 几何模型的建立

结合辊冲成型工艺和FB780 扩孔钢材料，根据上述对各部件结构和厚度的改进结果，重新构造底盘的三维CAD 模型，改进后的拖挂式房车底盘几何模型如图9所示。

图9 改进后底盘的几何模型

3.2 多工况有限元分析

对于改进后的拖挂式房车底盘，采用与对标底盘模型同样的分析方法。当施加与对标底盘相同的1.4 t 载荷时，该拖挂房车底盘在满载弯曲工况下的最大位移为2.872 mm，位于后横梁，最大应力为120.3 MPa；满载制动工况下的最大位移为3.865 mm，出现在前横梁与纵梁连接处，最大应力为201.3 MPa。由此可以得出当对新底盘施加相同大小的载荷时，两种工况下的最大应力值远远小于材料的屈服强度700 MPa和许用应力。

为达到与对标底盘相似的变形量继续施加载荷，当额定载质量达到2.4 t 时，该拖挂房车底盘在满载弯曲工况下的最大位移为4.56 mm，位于后横梁，最大应力为203.9 MPa；满载制动工况下的最大位移为6.4 mm，出现在前横梁与纵梁连接处，最大应力为337.3 MPa。而两种工况下的最大应力值仍小于材料的屈服强度700 MPa。

为验证额定载质量为2.4 t 时的车架变形是否会对车厢底板造成影响，分别测量不同工况下图10中1、2、3、4、5、6 共6 个点的绝对变形量。因为底盘结构左右对称，因此以1、3、5 3 个点为例，具体数值如表4 所示。根据3 个点在自由状态和加载状态的变形情况，计算3 点变形为3′之后到1 点和5 点变形为1′和5′所构成平面的距离，得出两种工况下平面翘曲度h≤4 mm，证明车架在两种工况下的变形量均不会对车厢底板造成损坏。以弯曲工况为例，距离h如图11所示。

表4 点1、3、5绝对变形量 mm

图10 绝对变形量测量点

图11 弯曲工况下h的变化量

3.3 生产试制过程

对于采用新工艺和新结构的拖挂房车底盘，其中工艺与模具设计部分已初步完成，辊冲成型试制正在逐步开展，在针对模具的加工方面，须安装调试后对相应的板料进行校平切边切孔，在辊冲试制后对其进行成型尺寸的测量。具体辊冲模具加工和辊冲机安装调试过程如图12 所示。当测量结果满足要求时，平直大梁样件，如果测量结果不满足要求，则须进一步进行模具补偿加工，重复辊冲试制工作，直至生产出符合要求的样件。其中纵梁第一次试制结果如图13所示。

图12 模具加工和安装调试

图13 第一次样件试制

图14 为产品设计过程中进行的翻边成型仿真，显示成型效果良好，无裂开风险，其成型质量也在实际制品中得到验证。

图14 翻边成型仿真结果

4 结论

将辊冲工艺引入拖挂式房车的底盘设计和制造。通过高性能材料以纵梁为主、附件为辅的结构优化，在实现底盘轻量化的同时，令底盘的承载能力显著提升。同时，零部件数量的简化带来的收益和相对低廉的辊冲成型工艺也较好地保证了底盘的经济性。

通过分析和确定对标底盘的基础性能，以及后续的结构优化、性能分析和制件生产验证，可以得到如下结论。

（1）在强度方面，由于辊冲成型工艺可以处理更高强度板材，并塑造大尺度复杂外形，所以改进后的拖挂房车底盘施加载荷为2.4 t 时的变形量与对标底盘施加额定载荷1.4 t时的变形量相似，最大应力出现在满载制动工况下为337.3 MPa，小于材料的屈服强度700 MPa 和许用应力，实现了承载能力的显著提升。

（2）在结构方面，基于辊冲成型工艺的大尺度、变截面纵梁，显著减少了主要零部件的数量，减少人工装配、焊接和其他辅助工装的人力和物力支出。

（3）轻量化方面，综合材料和结构的改进，最终拖挂式房车底盘质量为105.2 kg，与对标底盘质量相比，轻量8%，这种轻量化的效果是与性能提升同时达成的。

高强度的材料和经过优化的复杂外形，是最常见的轻量化手段，也是最常见的性能提升手段，但对于房车这种小批量多品种的产品，成本压力限制了上述两种手段的运用，而将辊冲成型工艺引入拖挂式房车的底盘设计和制造，则显著扩大了上述两种手段的使用空间。

致谢

本文全部工作都是在大连理工大学胡平教授、李宝军副教授和上海交通大学李大永教授的直接而具体的指导下完成的。在此向3 位专家表示诚挚谢意。