CN112638751A - 车辆底盘 - Google Patents
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Abstract
我们公开了一种车辆底盘，其包括：互连的框架，该互连的框架包括多个管状型材；以及结合至该框架的至少一个片材，其中，所述管状型材是有色金属成分。有色金属管状型材的壁很薄；通常，这些型材是通过挤压制成的，当前允许壁厚不小于约2.5mm。我们优选壁厚大约为该水平，理想情况下不大于3mm。这样的薄壁管通常意味着较低的抗屈曲性，但作为上述结构元件的一部分，我们发现该管不会屈曲，并且确实具有优于其他替代方案的冲击响应。因此，我们优选管状型材具有这样的轮廓，即，其横截面的最小面积惯性矩与该型材的未支撑长度的平方之比小于2mm2。表达这种方法的另一种方式是考虑管状型材的纵横比，即其长度与其壁厚的比率。高纵横比的型材将更容易屈曲。考虑到铝的低弹性模量，低纵横比是优选的，但是根据本发明，大于约100或150的较高纵横比是可行的。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆底盘。
背景技术
在过去约110年中，用于量产汽车的底盘结构都使用标准成型金属制成。在20世纪初，它采用了单独的框架和车身设计，在最近约60年间，采用了整体构造(包括框架和车身)。
在大批量汽车生产历史中，大部分材料都选择钢。在过去的二十年中，人们转向铝结构，试图通过更轻的白车身(BIW)总成来减轻整车的重量。
但是，铝不是一个简单的解决方案。它的蕴合能量(在原材料制造工艺方面)是钢的九倍，因此汽车设计师通常尝试使用尽可能少的铝。而且，尽管铝的密度比钢小约3倍，但它的杨氏模量比钢小约3倍(即铝的刚度比钢小3倍)。这导致铝型材要比等量的钢型材大得多并且壁厚更厚，以表现出相同的机械强度。较大和较重的型材主要用于避免在碰撞载荷下屈曲失效，或在施加扭转载荷时过度弯曲。
当前的汽车车身设计实践是引入更多的铝型材来稳定弯曲或失效的型材。这导致使用大量的铝，这大大抵消了铝的重量优势，并导致BIW结构的重量减轻得比预期的要小得多。但是，仍然必须承担原材料中的额外蕴合能量和额外材料成本。
基础铝的价格是钢的3倍以上，但是将其用于汽车BIW结构时，其价格要贵60％-80％(取决于铝部件的选择和连接方法)。
汽车铝主结构的另一个设计和成本问题是，相对于可用于连接冲压钢BIW结构的简单点焊工艺，需要采用的连接技术更加复杂、笨重且昂贵。结构单元接头(节点)中的高应力水平通常需要复杂的铸件或多元素设计，以减少疲劳破坏的可能性，并且铝板接头通常是粘合和铆接的。
铝结构的噪音、振动和声振粗糙度(NVH)质量通常也不如钢，因此在铝结构中添加更多的NVH材料会增加整个车辆结构的成本和重量。
铝BIW结构的另一个问题是，由于基础铝的强度不如低碳钢(通常为钢的屈服强度的40％)，因此通常指定高强度铝合金，这会导致成本和接头选择方面的进一步问题。使用高强度合金时，焊接接头的热影响区通常可能需要某种形式的焊后处理。
焊接铝结构的另一个问题是在焊接接头或节点区域的抗疲劳性。为了克服这种问题，采用了复杂、笨重且昂贵的节点接头，这增加了BIW结构的重量和成本。
对于所有金属冲压金属或空间框架，碰撞信号和碰撞修复是一个问题。通常，来自相对较小事件的碰撞信号会传遍整个框架，并导致不受支撑元件的局部屈曲，这使碰撞修复变得困难，或者最坏是变得不可能。与钢结构相比，铝结构由于材料模量值低得多，因此更容易发生局部变形和损坏。
因此，尽管铝是非结构化的或半结构外部车身面板的很好材料选择，大多数现代金属BIW结构都使用一些外部面板作为结构部件。
结果，在我们的较早申请WO2009/122178中，我们提出了金属管状构件的三维框架，在该框架上固定有复合面板构件以提供三角性(triangulation)。最终的底盘由于三角性而具有出色的刚度，具有非常低的总重量和较低的生产能源成本。实际上，基于WO2009/122178发明的设计使用了钢管，部分是为了降低成本部分是为了提供必要的抗屈曲性，而不必借助较大的截面尺寸。
发明内容
从那时起，我们发现复合板增强件能够为管状构件提供显著的抗屈曲性。结果，实际上不需要与铝底盘结构相关的大型材。使用的铝(或其他轻质合金)制的较小型管状构件实际上是可行的，该构件本身不具有足够的抗屈曲性，但作为支撑有复合板的结构的一部分，可以提供必要的刚度和在(例如)碰撞载荷下的抗变形性。
此外，对钢结构和用复合板增强的轻质合金结构进行的对比测试表明，即使在将轻质合金结构和钢结构设计成使它们的整体强度(即引发破碎所需的力)相当时，在变形下，轻质合金结构也比相应的钢结构吸收更多的能量。
因此，我们提出使用轻质低成本复合夹芯板来支撑有色金属、即轻质合金型材框架。可以使用低模量粘合剂将板粘合到框架。铝或其他合金的使用量可以减少到绝对最小，因为低成本、低能耗的复合板在BIW刚度和结构的耐撞性中贡献很大比例。
因此，本发明提供了一种车辆底盘，其包括：互连的框架，该互连的框架包括多个管状型材；以及结合至该框架的至少一个片材，其中，所述管状型材是有色金属成分。
我们优选有色金属管状型材的壁很薄。通常，这些型材是通过挤压制成的，当前该工艺允许壁厚不小于约1.6mm。我们优选壁厚大约为该水平，例如大约1.5-2mm，理想情况下不大于3mm。
这样的薄壁管通常意味着较低的抗屈曲性。然而，作为上述结构元件的一部分，我们发现该管不会屈曲，并且确实具有优于其他替代方案的冲击响应。因此，我们优选管状型材具有这样的轮廓，即，其横截面的最小面积惯性矩与该型材的未支撑长度的平方之比小于2mm2。这意味着在单独管的部分上抗屈曲性低，但是我们发现整个结构都具有足够的抗屈曲性。
表达这种方法的另一种方式是考虑管状型材的纵横比，即其长度与其壁厚的比率。高纵横比的型材将更容易屈曲。考虑到铝的低弹性模量，低纵横比是优选的，但是根据本发明，大于约100或150的较高纵横比是可行的。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明的实施方式，附图中：
图1示出了各种测试件的冲击测试的结果；
图2示出了图1中所用测试件的几何设计；
图3示出了用于图1的铝测试件的横截面。
具体实施方式
图1示出了应用于根据图2所示的总体几何布局的各种测试件的冲击测试的结果。该布局包括一对平行的管状型材10、12，其通过平板14连接。该布置垂直安装于底板16，底板16固定在实心表面18上。管10、12在其端部具有凹槽20的图案，以用作挤压引发者(crushinitiator)并确保变形得到控制。
钢管是长498mm、外径63.5mm的圆形截面管。铝管是如图3所示的椭圆形轮廓，长508mm，小直径22为63.5mm，大直径24为83.5mm。通过20mm宽的平坦部分26限定椭圆而不是圆形部分来实现该区别。
将质量为780kg的台车28沿平行于管状构件10、12的方向线性地撞击到测试件上，以将测试件压在固体表面上。台车的突出速度为9.5ms-1，撞击能量为35.2kJ。这模拟了50kph的全正面障碍(FFB)整车碰撞测试。图1显示了四种方案的结果，如下所示：
图1的x轴表示台车28的位移，单位为mm，y轴表示施加的总力，单位为kN。由于在每种情况下台车都具有相同的冲击能量，因此，四个迹线的总封闭面积相同，但轮廓不同。值得注意的是，碳纤维增强的测试件显示出比非支撑的钢管30和带有钢板的管32更高的压溃力。将钢板添加到钢管似乎没有什么区别。
其次，碳纤维板增强的铝管与碳纤维板增强的钢管相比，显示出相同的初始冲击力(约185kN)，但更一致且更长时间地将该力保持至冲击。后者的线36迅速下降到140-150kN左右，而铝管测试件在170-190kN范围内停留的时间更长。这表明铝管型材和加强板在变形下以钢管型材所没有的方式配合。
还值得注意的是，铝管型材的欧拉屈曲载荷大大低于钢管型材。采取众所周知的欧拉方程来计算柱在轴向载荷下的坍塌度，即
其中，
Pcr＝欧拉的临界载荷(柱上的纵向压缩载荷)，
E＝柱材料的弹性模量，
I＝柱横截面的最小面积惯性矩，
L＝柱的不受支持的长度，
K＝柱有效长度因子，反映了柱的边界条件，
并且将铝管近似为外径为63.5mm、壁厚为2.5mm的环形型材，这些管状型材具有以下屈曲特性：
| 管 | E(GPa) | I(mm<sup>4</sup>) | P<sub>cr</sub>(kN) |
| 钢 | 200 | 281000 | 559 |
| 铝 | 69 | 446000 | 295 |
计算是基于K为2，对应于一个固定端和一个自由端。
因此，在允许适当的安全裕度之后，铝管的屈曲强度大大低于钢，并且相对于测试件的破坏强度在名义上(nominally)是不足的。为了增加铝管的屈曲强度以使其与钢管相匹配，壁厚必须增加到5.5mm。比较这些管设计：
指出的几何比旨在反映管的几何形状对屈曲性能的影响。它是管的横截面的最小面积惯性矩与其非支撑长度的平方之比。可以看出，薄壁的铝管的测试件的比率小于2mm2，并且比为匹配钢管的屈曲强度而设计的铝管的比率更接近钢管的比率。同样，在实践中更容易确定的管的纵横比远高于设计为与钢管的机械强度相当的铝管的100以下(sub-100)水平，且明显超过150。考虑到铝的弹性模量比钢的弹性模量小2.85倍，由纵横比仅低1.6倍且几何比仅高1.5倍的管制成的测试件可实现相同的屈服力和更好的冲击吸收属性这一事实表明，在该情况下在选择薄壁铝管型材时会产生有用的效果。
因此，当与支撑复合板结合时，基于考虑到它们的抗屈曲性，铝型材可具有比明显所需的壁薄得多的壁。这节省了材料的使用，减少了车辆对环境的影响，减轻了车辆的重量，并降低了材料成本。
当然将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施方式做出许多变化。
Claims (7)
1.一种用于车辆的底盘，包括：互连的框架，所述互连的框架包括多个管状型材；以及结合到所述框架的至少一个片材，其中所述管状型材是有色金属成分。
2.根据权利要求1所述的底盘，其中，所述有色金属管状型材的壁厚不大于3mm。
3.根据权利要求1所述的底盘，其中，所述有色金属管状型材具有如下轮廓：其横截面的最小面积惯性矩与该型材的非支撑长度的平方之比小于2mm2。
4.根据权利要求1所述的底盘，其中，所述有色金属管状型材的纵横比大于约100。
5.根据权利要求1所述的底盘，其中，所述有色金属管状型材的纵横比大于约150。
6.根据前述权利要求中任一项所述的底盘，其中，所述片材是复合材料。
7.根据权利要求6所述的底盘，其中，所述片材是碳纤维复合材料。
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