摘要：伴随着社会的不断进步发展，能源消耗等问题摆在人们面前，镁合金作为一种新型轻质合金材料，有着相当出色的机械性能，其密度在所有结构合金中是最小的，可以跟普通的低碳钢相媲美，因此，将镁合金车架代替钢结构车架应用于微型电动车中，这对于节能能源消耗来说在一定有着十分重要的意义。
关键词：微型电动车；镁合金；车架
1.镁合金车架概述
目前，镁合金汽车零部件已经有了极大的发展，其中包括汽车仪表板、转向操纵系统部件、发动机罩盖、变速器、进气歧管等种类，在这一领域欧美汽车工业发达国家处于世界领先水平，德国奔驰汽车公司最早将镁合金部件应用在汽车座架上；日本丰田汽车公司也生产处镁合金压铸转向操纵系统部件。我国具有丰富的镁矿产资源，因此在能源紧缺环境问题突出的今天，采用镁合金制作汽车构件，或者应用于微型电动车车架中，不仅可以实现电动车的轻量化，而且对推广镁合金在电动车上的应用具有重要的战略意义和研究价值。
2.微型电动车镁合金车架要点分析
以轮距1220mm、轴距2350mm、车身总长3200mm、车身总宽1400mm、车轮最大转向角45度、离地间隙160mm的镁合金车架结构为例，该车架采用双横臂扭杆弹焚悬架，其结构和尺寸见图1。
2.1拓扑优化分析
根据车架设计要求，建立了车架拓扑优化基本模型。模型采用边长为30mm的六面体单元，覆盖了整个车架允许的设计空间，
采用OtPistruct作为优化设计软件，选取车架质量密度作为设计变量，车架最大位移作为状态变量，车架质量作为目标函数，设定5 种危险工况（满载弯曲工况和4 种弯扭组合工况），根据各总成乘客、车身及内饰等的质量，在相应受力点位置施加等效载荷，并考虑不同工况下扭杆弹簧的支座反力，取动载系数为2.5，约束点选取为双横臂悬架支架处。
拓扑优化结果显示了车架允许设计空间内的质量密度分布，略去小密度部分，就得到对车架空间布置具有指导意义的概念结构分布。根据拓扑分析结果，确定结构为双层承载车架，并考虑到该车动力系统的总成布置，同时考虑成员舒适性等要求来进行车架设计：车架中部优化得到的空腔结构极大方便了内部动力系统布置；由于座椅布置靠后，优化得到的上层主梁置于车架中后部，中部空间类似双X 形结构，边梁不需紧贴设计空间边界；下层车架中部为X 形空间分布，这样可以保证足够的扭转刚度；下层边纵梁由于扭杆弹簧横臂影响需紧贴设计边界；上下两层的悬架连接位置为主要设计点，尤其是布置有扭杆弹簧的下层，直接承受着整车重量，需要特别加强；为保证车架在承受扭杆弹簧作用的转矩时有足够的结构稳定性，中部的边竖梁需倾斜布置。
为获得较合理的结构尺寸，在ANSYS中建立车架参数化梁单元有限元模型，进行车架杆件的截面尺寸优化设计圈。选取车架梁截面尺寸为设计变量，车架最大应力及位移为状态变量，车架质量为目标函数，优化分析工况包括一个弯曲工况及两个扭转工况。
根据截面优化设计结果，充分考虑材料的模具加工成本及工艺可行性，将车架结构件限定为三种不同截面的镁合金挤压管材，其截面尺寸分别为60mm×40mm×2mm、40mm×30mm×2mm及20mm×15mm ×2mm，并根据动力系统与车身布置进一步对车架结构进行修改，最终车架结构及动力系统布置如图2所示。
2.2与钢结构车架结构对比
为保证镁合金车架结构的力学性能，我们将其与钢结构车架的静态刚度、强度及模态特性进行了对比分析。应用Hypermesh 软件，采用边长为10mm的板单元进行模型前处理，分析软件为ANSYS9.0，材料特性及边界条件等参数均按实际情况施加，在进行车架结构静态特性分析对比时考虑弯曲工况及前轮悬空和后轮悬空两种弯扭组合工况，各种工况下载荷按实际情况等效施加，并考虑扭杆弹簧的支座反力，取动载系数为2.5，约束点选取悬架支架处。.
通过两种车架的对比分析，两种车架的薄弱环节大致相同，镁合金车架的强度比钢车架的强度要好，而镁合金车架的刚度较差，但能满足城市普通路面的使用工况。另外，由于镁合金车架的低阶模态频率均高于钢制车架，这说明镁合金车架的低阶模态特性要优于钢车架。在达到同等设计要求的条件下，镁合金车架质量仅为23 k g，而原型车钢车架质量约为60 kg。镁合金材料的使用，大大减轻了车身主要承载件的重量，这对于微型电动车的能源消耗是极其有利的，这也将是我国汽车车身发展的一个重要方向。
2.3镁合金车架的变形与防腐处理
在镁合金车架焊接过程中极容易出现变形的问题，因此应采取下列措施：在焊接梁焊缝的另一侧加焊缝，利用反方向变形抵消焊接变形，保持各结构梁的直线度；在总成焊接过程中将车架中部相应提高5mm，使焊接后车架略成拱状，可以使车架在承载后保持水平和减小竖直向下的变形；在焊接时采用胎具将车架结构固定，防止车架局部变形。
镁是一种极易氧化的材料，因此必须对其进行防腐处理。在车架焊接完成后，将各结构梁中部打孔，对其内外表面均进行涂蜡处理，再对整个车架表面进行喷漆，考虑传统钢制螺栓会与镁合金发生电化反应，因此选择铝制螺栓固定各动力系统总成。同时，为避免拆装时对喷漆的损坏，在支架孔中加尼龙衬套和垫片。
结束语：
综上所述，本文就镁合金车架的开发过程中，利用拓扑优化方法设计其概念结构，在此基础上考虑结构轻量化等要求对车架进行杆件截面优化设计，并分析了其与钢结构车架对比的优势，因此其在微型电动车中应用有着很大的推广价值，另外，由于镁合金车架的易变形、易腐蚀的特点，因此，必须加强对其变形与防腐处理，将其性能优势发挥到最大，进而推动微型电动车的发展。
参考文献：
[3]扶原放，金达锋，乔蔚炜等.微型电动车没镁合金车架结构优化设计方法[J].机械工程学报.2011.
[4]刘洋，杨世文，裴杰等.某微型电动车车架结构的拓扑优化设计[J].汽车零部件.2013.
论文作者:邱桂林
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/11
标签：车架论文; 镁合金论文; 结构论文; 工况论文; 电动车论文; 截面论文; 拓扑论文; 《基层建设》2017年第24期论文;