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汽車(chē)座椅橫梁輕量化設(shè)計(jì)方法研究

2021-03-04 00:52:36·  來(lái)源：汽車(chē)輕量化在線  
　
摘要：文章以公司在研某車(chē)型為例，主要介紹了一種座椅橫梁輕量化的設(shè)計(jì)方法。即通過(guò)激光拼焊板的應(yīng)用及零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足相關(guān)性能及輕量化的需要，文章針對(duì)
摘要：文章以公司在研某車(chē)型為例，主要介紹了一種座椅橫梁輕量化的設(shè)計(jì)方法。即通過(guò)激光拼焊板的應(yīng)用及零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足相關(guān)性能及輕量化的需要，文章針對(duì)座椅橫梁詳細(xì)闡述輕量化的設(shè)計(jì)方法。輕量化的設(shè)計(jì)方法降低了車(chē)身零件的重量、提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)能減排的目的。
關(guān)鍵詞：汽車(chē)；座椅橫梁；激光拼焊板；輕量化

01、前言
近年來(lái)，汽車(chē)保有量的持續(xù)高速增長(zhǎng)，給社會(huì)能源供給、環(huán)境保護(hù)和交通安全帶來(lái)日益巨大的影響。中國(guó)的車(chē)用燃油約占石油總消耗量的50%，高速增長(zhǎng)的原油消耗量必將給國(guó)家的石油安全和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。
對(duì)于汽車(chē)來(lái)說(shuō)，整備質(zhì)量消耗了動(dòng)力系統(tǒng)輸出能量的約70%以上。因此，汽車(chē)輕量化是降低汽車(chē)燃油消耗和現(xiàn)實(shí)節(jié)能減排的有效途徑之一，同時(shí)以設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的輕量化也可以給汽車(chē)企業(yè)和消費(fèi)者帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。[1]
車(chē)身結(jié)構(gòu)中，座椅橫梁總成除為座椅及其它系統(tǒng)提供安裝功能外，在車(chē)輛側(cè)碰時(shí)，其結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度也決定著車(chē)輛的安全性能。座椅橫梁總成的輕量化設(shè)計(jì)，既要考慮降低車(chē)身重量，又需要同時(shí)滿足車(chē)身結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度需要。
座椅橫梁總成及所處車(chē)身位置如圖1所示，將針對(duì)其闡述輕量化的設(shè)計(jì)方法。
 
02、激光拼焊板技術(shù)的應(yīng)用

2.1 激光拼焊板技術(shù)介紹
激光拼焊板是以激光熔焊方式將不同材質(zhì)、厚度及表面狀態(tài)的鋼板焊接在一起的拼接板材，其目的在于將合適的材料應(yīng)用于合適的部位。由于激光拼焊板的產(chǎn)品特性，其在提高車(chē)身強(qiáng)度、減輕汽車(chē)重量、降低汽車(chē)制造和運(yùn)行成本方面提供了條件。
圖1 地板骨架總成示意圖
 
車(chē)體地板座椅橫梁總成在應(yīng)用激光拼焊板后，能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)的材質(zhì)分布，同時(shí)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少加強(qiáng)件的數(shù)量，在滿足車(chē)體性能及安全的前提下，達(dá)到降低成本、優(yōu)化零件數(shù)量、輕量化的目的。
 
2.2 激光拼焊板發(fā)展趨勢(shì)
在車(chē)體結(jié)構(gòu)中，激光拼焊板的應(yīng)用已非常成熟（圖2），例如頂蓋橫梁、AB柱內(nèi)板、輪罩、座椅橫梁總成、地板等部位均比較常見(jiàn)。
圖2 激光拼焊板在乘用車(chē)的應(yīng)用
 
目前大多數(shù)的著名汽車(chē)制造商都已在汽車(chē)生產(chǎn)中大量使用激光拼焊板，并且已經(jīng)出現(xiàn)了多家為汽車(chē)制造商提供激光拼焊板的供應(yīng)商。隨著輕量化需求的日益強(qiáng)烈，熱成型激光拼焊板技術(shù)也逐漸成熟，從而使拼焊板的強(qiáng)度范圍得到了進(jìn)一步的提升，為車(chē)輛的輕量化及安全性能提供了更有利的支持。
 
03、座椅橫梁總成激光拼焊板設(shè)計(jì)

座椅橫梁總成在車(chē)體結(jié)構(gòu)中除滿足結(jié)構(gòu)功能外，同時(shí)還在車(chē)輛安全-側(cè)碰工況中承擔(dān)著主要載荷傳遞路徑的任務(wù)，橫梁的強(qiáng)度對(duì)側(cè)碰安全性起著至關(guān)重要的作用。
 
3.1 設(shè)計(jì)方案及驗(yàn)證
在座椅橫梁總成設(shè)計(jì)初始，結(jié)合CAE側(cè)碰工況分析結(jié)果，可以得出該工況下橫梁形變較大、應(yīng)力集中區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，制定激光拼焊板的材質(zhì)及料厚分布方案，進(jìn)而進(jìn)行仿真分析確認(rèn)該方案可行性。
方案結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖3示，優(yōu)化同時(shí)減少1處結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件。
圖3 優(yōu)化方案示意
 
在優(yōu)化后側(cè)碰工況分析中，優(yōu)化后方案滿足相關(guān)法規(guī)要求（圖4），確認(rèn)該方案可行。
圖4 側(cè)碰工況分析結(jié)果
 
3.2 優(yōu)化及輕量化小結(jié)
通過(guò)激光拼焊板技術(shù)的應(yīng)用，座椅橫梁總成既可以將原有零件數(shù)量得到優(yōu)化，同時(shí)橫梁本身材質(zhì)及厚度也實(shí)現(xiàn)“按需”分布的設(shè)計(jì)。在相關(guān)性能均得到滿足的前提下，達(dá)到輕量化的目的。
該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)達(dá)到了減重1.142kg，即座椅橫梁總成20.5%的減重效果。
同時(shí)，相對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，零件數(shù)量?jī)?yōu)化后，減少點(diǎn)焊數(shù)量20處，橫梁的材料利用率由原綜合利用率65.55%提升至75.38%。
 
04、結(jié)論

隨著汽車(chē)工業(yè)水平的發(fā)展，在性能、法規(guī)相關(guān)要求不斷提升的趨勢(shì)下，在車(chē)體設(shè)計(jì)過(guò)程中，新材料、新技術(shù)的應(yīng)用起到了至關(guān)重要的作用，此外，輕量化對(duì)成本及性能的貢獻(xiàn)也越來(lái)越重要。
激光拼焊板技術(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合零部件在對(duì)應(yīng)工況下應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況，合理分配對(duì)應(yīng)區(qū)域的材質(zhì)及厚度，做到材料更優(yōu)的應(yīng)用，既滿足了對(duì)車(chē)體性能的需要，又一定程度上達(dá)到了輕量化的效果。結(jié)合未來(lái)汽車(chē)輕量化的發(fā)展需求，激光拼焊板技術(shù)也將會(huì)得到更大的進(jìn)步、發(fā)展。
來(lái)源：《汽車(chē)實(shí)用技術(shù)》；作者：白久凱1，王小東2
（1.華晨汽車(chē)工程研究院白車(chē)身工程室；2.丹東黃海汽車(chē)有限責(zé)任公司）
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