摘要： 在汽车底盘件轻量化设计过程中，主要通过新材料应用和轻量化解决方案结构优化设计两种途径进行研究。 以汽车底盘前悬架臂的轻量化设计为例，在同行业条件下，一方面提出采用高强钢、超高强钢的材料应用方案； 另一方面，提出采用双片卡扣式和单片式结构方法并结合结构优化设计，建立高强钢双片卡扣式、超高强钢和单片式的数学仿真模型。 - 片式。 然后采用CAE方法对前悬架臂L1、L2工况进行分析比较。 仿真结果表明，采用超高强钢和单件方案比高强钢和双件卡扣方案具有更好的结构优化空间，能够更好地体现薄壁化、空心化、小型化、柔性化等特点。复合组件。 。 采用超高强钢的轻量化方案比更高强度钢轻21%，轻量化方案效果明显。
关键词：超高强钢； 轻的; 机壳; 前摆臂； 两件式； 单件
1 简介
在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能减少汽车的维修质量，从而提高汽车的动力性能，降低油耗，减少尾气污染。 据相关统计，车重每减轻100Kg，相当于油耗降低0.4L/100Km，二氧化碳排放量降低-10g/100km。 因此，轻量化已成为世界汽车发展的潮流和趋势[1]。
汽车轻量化技术是设计、材料和制造技术的综合应用。 实现汽车轻量化主要有两种途径：（1）新材料应用：主要采用轻质材料和轻质材料成型技术，实现零减重。 部分重量目的。 (2)结构优化设计：使零件薄壁化、空心化、小型化、复合化，改进零件的结构和工艺。 其中，材料轻量化包括高强钢、镁合金、铝合金、工程塑料及其复合材料、陶瓷材料等应用[2]。
本文主要从材料轻量化（高强钢）和结构优化设计两个方面探讨高强钢在汽车底盘件中的设计与应用，从而实现整车的轻量化。
2 超高强度在汽车零部件中的应用概述
随着汽车材料技术的快速发展，现代汽车制造材料的成分也在不断变化。 以现代汽车所用材料为例，按重量换算，钢材占汽车重量的55%～60%，铸铁占5%～12%，有色金属占6%～10%，塑料占8%~12%，橡胶占4%。 %，玻璃占3%，其他材料（油漆、各种液体等）占6%~12%。 汽车应用材料占比如图1所示。
图1 汽车应用材料比例图
由于钢材在强度、可塑性、抗冲击性、可回收性、低成本等方面的综合优势，其在汽车材料中的主导地位依然不可动摇。 但高强钢和超高强钢在汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上的应用将继续大幅增长。 据有关统计，汽车底盘件中高强钢比普通钢减重约30%，铝合金成本比铝合金低30%左右。
高强钢在汽车零部件上的应用优势主要体现在两个方面：（1）使用高强钢板可以达到降低车身覆盖件厚度和重量的目的，在减轻重量的同时增加安全性能。 据相关数据显示，当钢板厚度分别减少0.05毫米、0.01毫米和0.15毫米时，车体减重分别为6%、12%和18%。 (2)高强度钢一般指冷轧、热轧及以上钢材。 这些新型高强度钢板具有更低的屈强比、更好的应变分布能力和更高的应变硬化特性。 同时，高强度钢板的机械性能更加均匀，从而产生更好的碰撞特性和更高的疲劳寿命。
高强度钢可分为传统高强度钢（CHSS）和先进高强度钢（AHSS）。 常用的先进高强度钢主要有复相（CP）钢、双相（DP）钢、相变诱发塑性（TRIP）钢和孪晶诱发塑性。 塑性（TWIP）钢等。传统的高强度钢大多通过固溶处理和晶粒细化来强化。 目前常用的传统高强钢有：高强IF钢（HSIF）、烘烤硬化（BH）钢、冷轧各向同性（IS）钢、冷轧高强含磷钢和高强钢。强度低合金（HSLA）钢。
3、超高强度钢底盘部件的轻量化设计及应用
超高强度钢广泛应用于汽车底盘部件。 以工况复杂的汽车前悬架中前悬架摆臂的设计为例。 某车型前摆臂方案设计CAE性能以L1、L2工况为输入条件。 L1和L2工况分别如表1和表2所示。
表1 前悬架摆臂L1工况要求
表2 前悬架摆臂L2工况要求
在前悬架摆臂的设计过程中，通过选择不同的材料、采用不同的结构设计方法，摆臂本体可以满足L1和L2工况的要求[3]。 下面对采用高强钢和超高强钢的前悬架摆臂本体的不同结构设计进行研究。 设计思路如表3所示：
表3 前悬架摆臂设计思路
以下是对两种思路的设计分析研究：
(1)思路一：根据性能、成本、工艺等因素综合要求，选择前悬架摆臂本体常用的高强度刚性材料[5][6]，材料与双所选择的片式紧固结构形式经CAE分析满足要求[7]，CAE仿真分析如下。
L1级工况分析如下：
图2 L1水平载荷Fx方向塑性应变云图
图3 L1级载荷下Fy方向塑性应变云图
图4 L1级载荷Fz方向塑性应变云图
图5 L1级载荷MZ_LE塑性应变云图
图6 L1级载荷MZ_TE塑性应变云图
图7 L1水平载荷nFZ方向塑性应变云图
根据CAE仿真，选择L1工况下的前悬架摆臂。 选取Fx、Fy、Fz、MZ_LE、MZ_TE、nFZ各方向的最大塑性变形值以及L1工况下的塑性应变。 对比分析结果如表4所示。
表4 L1工况下塑性应变分析结果
L2级工况分析如下：
图8 L2级荷载Fx方向应力云图
图9 L2级荷载Fy方向应力云图
图10 L2级荷载Fz方向应力云图
图11 L2级荷载nFZ方向应力云图
根据CAE仿真，选取L2工况下的前悬架摆臂，选取Fx、Fy、Fz、nFZ各方向最大应力值与应力要求的对比分析结果见表 5。
表5 L2级工况应力分析结果
前悬挂摆臂本体采用材质，双片卡扣结构。 L1、L2级工况下结构图及设计重量如表6所示：
表6 高强钢在某前悬架摆臂上的应用
（2）思路二：综合性能、成本、工艺等因素的要求，选择前悬架摆臂本体常用的超高强度刚性材料780HB。 对780HB材料及其整体结构形式进行了CAE分析。 满足要求，从双片结构分析可知，风险条件为L1、L2级条件Fx、Fy方向。 风险状况模拟分析结果如下。
L1级工况分析如下：
图12 L1水平载荷Fx方向塑性应变云图
图13 L1级载荷下Fy方向塑性应变云图
根据CAE仿真，选择L1工况下的前悬架摆臂。 危险工况Fx、Fy各方向最大塑性变形与L1工况下塑性应变对比分析如表7所示。
表7 L1级工况下塑性应变分析结果
L2级工况分析如下：
图14 L2级荷载Fx方向应力云图
图15 L2级荷载Fy方向应力云图
根据CAE仿真，选择L2工况下的前悬架摆臂，所选风险工况方向Fx和Fy各方向最大应力与要求值的对比分析结果如表8所示。
表8 L2级工况应力分析结果
前悬挂摆臂本体采用780HB材质，一体式结构。 L1、L2工况下结构图及设计重量如表9所示：
表9 超高强钢在某前悬架摆臂上的应用
4 CAE仿真结果分析
在相同工况和重量要求下，采用高强钢和超高强钢对某车型前摆臂进行设计分析，得到以下结果：
(1)结构设计分析采用高强钢和超高强钢780HB可满足L1、L2工况要求；
(2)采用高强度钢材时，需采用上下两片进行设计。 应力集中、塑性变形较强的区域还需增设局部加固等措施。 采用超高强钢进行设计时，直接采用单件。 通过芯片结构设计，在应力集中和塑性变形较强的区域，只需修改该区域的表面形状即可增强强度。
（3）采用超高强钢设计的前悬架摆臂比采用高强钢的前悬架摆臂轻约21.2%，提高了底盘件在轻量化设计中的应用。
5 结论
(1)在相同工况条件下，超高强钢和高强钢在前悬架摆臂的设计以及结构和性能方面更能体现零件的薄壁化、空心化、小型化、复合化。零部件的技术改进。 改进更容易实现。
（2）同等条件下，超高强钢和高强钢不同的结构优化下，前者的设计重量较后者可减轻21.2%高强度钢材应用技术，为高强钢提供轻量化解决方案底盘部件采用钢材。
(3)从材料本身的性能来看，超高强钢的延伸率低于高强钢。 因此，拉深深度较大的零件在冲压时容易出现开裂等缺陷。 因此，在使用超高强钢时高强度钢材应用技术，需要在产品设计之初就更加重视冲压CAE成形分析。
