在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性能，減少燃料消耗，降低排氣污染。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整車重量減少100Kg相應(yīng)油耗降低0.4L/100Km，CO2排量降低-10g/100km，因此輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流和趨勢[1]。

汽車輕量化技術(shù)是設(shè)計(jì)、材料與制造技術(shù)的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要途徑主要有兩個途徑：（1）新材料應(yīng)用：主要采用輕量化材料和輕量化材料成型技術(shù)，以達(dá)到減輕零部件重量的目的。（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)等。其中材料輕量化包括高強(qiáng)鋼、鎂合金、鋁合金、工程塑料及其復(fù)合材料和陶瓷材料等應(yīng)用[2]。

本文主要從材料輕量化（高強(qiáng)度鋼）和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個方面探討高強(qiáng)鋼在汽車底盤零部件方面的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)整車的輕量化。

隨著汽車材料技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代汽車制造材料的構(gòu)成也在不斷發(fā)生變化。以現(xiàn)代轎車用材為例，按照重量換算，鋼材占汽車自重的55％～60％ ，鑄鐵占5％～12％，有色金屬占6％～10％，塑料占8％～12％，橡膠占4％，玻璃占3％，其他材料(油漆、各種液體等)占6％～12％。汽車應(yīng)用材料比例如圖1所示。

圖1 汽車應(yīng)用材料比例圖

由于鋼鐵材料在強(qiáng)度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優(yōu)越，其在汽車材料中的主導(dǎo)地位仍是不可動搖的。但高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，如汽車車身、底盤、懸架、轉(zhuǎn)向等零部件上，將繼續(xù)有較大增長。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，高強(qiáng)度鋼在汽車底盤件上應(yīng)用相對于普通鋼材減重約30%，相對鋁合金成本約低于30%。

高強(qiáng)度鋼在汽車零部件應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面：（1）采用高強(qiáng)度鋼板可以達(dá)到減薄車身用板的厚度和重量的目的, 在輕量化的同時，增加了安全性能。據(jù)相關(guān)資料數(shù)據(jù)表明，當(dāng)鋼板厚度分別減小0.05mm、0.01mm和0.15mm時，車身減重分別為6%、12%和18%。（2）高強(qiáng)度鋼一般是指冷軋340MPa、熱軋490MPa以上的鋼，這些新型高強(qiáng)度鋼板具有較低的屈強(qiáng)比、較好的應(yīng)變分布能力和較高的應(yīng)變硬化特性，同時高強(qiáng)度鋼板的力學(xué)性能更加均勻，從而具有更好的碰撞特性和更高的疲勞壽命。

高強(qiáng)鋼可分為傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼（CHSS）和先進(jìn)高強(qiáng)（AHSS。常用的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼主要有復(fù)相（CP）鋼、雙相（DP）鋼、相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼和孿生誘發(fā)塑性（TWIP）鋼等幾種。傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋼多是通過固溶處理和晶粒細(xì)化達(dá)到強(qiáng)化效果的。目前常用的傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼為：高強(qiáng)度 IF 鋼(HSIF)、烘烤硬化（BH）鋼、冷軋各向同性(IS)鋼、冷軋高強(qiáng)度含 P 鋼和高強(qiáng)度低合金（HSLA）鋼。

超高強(qiáng)度鋼在汽車底盤零部件中的應(yīng)用是比較廣泛的，以汽車前懸架中工況較復(fù)雜的前懸架擺臂設(shè)計(jì)為例。某車型前擺臂方案設(shè)計(jì)CAE性能分別以L1和L2級工況為輸入條件，L1和L2級工況分別見表1、表2。

表1 前懸架擺臂L1級工況要求

表2 前懸架擺臂L2級工況要求

前懸架擺臂設(shè)計(jì)過程中擺臂本體可以通過選擇不同的材料進(jìn)而采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，滿足L1和L2級工況要求[3]。以下對前懸架擺臂本體分別采用高強(qiáng)度鋼、超綱強(qiáng)度鋼進(jìn)行不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)思路見表3：

表3 前懸架擺臂設(shè)計(jì)思路

以下針對兩種思路分別進(jìn)行設(shè)計(jì)分析研究：

（1）思路一：前懸架擺臂本體材料常用的高強(qiáng)度剛SAPH370、SAPH400、SAPH440、QStE360、QStE380、QStE420、QStE460,經(jīng)過性能、成本、工藝等因素綜合要求[5][6]，選取材料QStE460及雙片扣合結(jié)構(gòu)形式經(jīng)CAE分析滿足要求[7]，CAE仿真分析如下。

L1級工況分析如下：

圖2 L1級載荷Fx向塑性應(yīng)變云圖

圖3 L1級載荷Fy向塑性應(yīng)變云圖

圖4 L1級載荷Fz向塑性應(yīng)變云圖

圖5 L1級載荷MZ_LE向塑性應(yīng)變云圖

圖6 L1級載荷MZ_TE向塑性應(yīng)變云圖

圖7 L1級載荷nFZ向塑性應(yīng)變云圖

根據(jù)CAE仿真選取前懸架擺臂在L1級工況下，選取Fx、Fy、Fz、MZ_LE、MZ_TE、nFZ各個方向塑性變形最大值與L1級工況塑性應(yīng)變應(yīng)要求對比分析結(jié)果如表4所示。

表4 L1級工況塑性應(yīng)變分析結(jié)果

L2級工況分析如下：

圖8 L2級載荷Fx向應(yīng)力云圖

圖9 L2級載荷Fy向應(yīng)力云圖

圖10 L2級載荷Fz向應(yīng)力云圖

圖11 L2級載荷nFZ向應(yīng)力云圖

根據(jù)CAE仿真選取前懸架擺臂在L2級工況下，選取Fx、Fy、Fz、nFZ各個方向應(yīng)力最大值與應(yīng)力要求對比分析結(jié)果如表5所示。

表5 L2級工況應(yīng)力分析結(jié)果

前懸架擺臂本體采用材料QStE460及雙片扣合結(jié)構(gòu)形式在滿足L1、L2級工況下，結(jié)構(gòu)圖示及設(shè)計(jì)重量見表6：

表6 某前懸架擺臂高強(qiáng)度鋼應(yīng)用情況

（2）思路二：前懸架擺臂本體材料常用的超高強(qiáng)度剛SAPH590、SAPH780、SAPH440、QStE550、QStE600、780HB，經(jīng)過性能、成本、工藝等因素綜合要求，選取材料780HB及單片式的結(jié)構(gòu)形式經(jīng)CAE分析滿足要求，經(jīng)雙片式結(jié)構(gòu)分析可以看出風(fēng)險工況為L1、L2級工況Fx、Fy向，現(xiàn)將風(fēng)險工況仿真分析結(jié)果例舉如下。

L1級工況分析如下：

圖12 L1級載荷Fx向塑性應(yīng)變云圖

圖13 L1級載荷Fy向塑性應(yīng)變云圖

根據(jù)CAE仿真選取前懸架擺臂在L1級工況下，風(fēng)險工況方向Fx、Fy各個方向塑性變形最大值與L1級工況塑性應(yīng)變應(yīng)要求對比分析結(jié)果如表7所示。

表7 L1級工況塑性應(yīng)變分析結(jié)果

L2級工況分析如下：

圖14 L2級載荷Fx向應(yīng)力云圖

圖15 L2級載荷Fy向應(yīng)力云圖

根據(jù)CAE仿真選取前懸架擺臂在L2級工況下，選取風(fēng)險工況方向Fx、Fy各個方向最大應(yīng)力與要求值對比分析結(jié)果如表8所示。

表8 L2級工況應(yīng)力分析結(jié)果

前懸架擺臂本體采用材料780HB及單片式的結(jié)構(gòu)形式在滿足L1、L2級工況下，結(jié)構(gòu)圖示及設(shè)計(jì)重量見表9：

表9 某前懸架擺臂超高強(qiáng)度鋼應(yīng)用情況

在同等工況及重量要求下，分別采用高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼對某車型前擺臂進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析得出以下結(jié)果：

（1）采用高強(qiáng)度鋼QStE460和超高強(qiáng)度鋼780HB進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析均可以滿足L1、L2級工況要求；

（2）采用高強(qiáng)度鋼時需要采用上、下兩個片體進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)力集中及塑性變形強(qiáng)的區(qū)域還需要局部增加加強(qiáng)件等措施，而采用超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)時則直接采用單片式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在應(yīng)力集中及塑性變形強(qiáng)的區(qū)域只需要修改該區(qū)域曲面造型增強(qiáng)強(qiáng)度即可。

（3）采用超高強(qiáng)度鋼設(shè)計(jì)前懸架擺臂重量比采用高強(qiáng)度鋼設(shè)計(jì)后的重量要減輕約21.2%，提升了底盤件在輕量化設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

（1）同等工況下，超高強(qiáng)度鋼與高強(qiáng)度鋼在前懸架擺臂設(shè)計(jì)上更好體現(xiàn)出零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)更能實(shí)現(xiàn)。

（2）同等條件下，超高強(qiáng)度鋼與高強(qiáng)度鋼在不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化之下，前者設(shè)計(jì)重量能夠比后者減輕21.2%，提供了高強(qiáng)度鋼在底盤件上的輕量化解決方案。

（3）根據(jù)材料本身性能相比而言，超高強(qiáng)度鋼延伸率不及高強(qiáng)度鋼。因此在沖壓成型時拉延深度比較大的零部件容易出現(xiàn)開裂等缺陷，因此采用超高強(qiáng)度鋼在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就需要更加關(guān)注沖壓CAE成形分析。