龚侃　冯立军　汪沛伟　张铁　宋瀚

摘 要：车身牵引装置是一种安全保护装置，方便车体进入危险环境损坏后，借助外力走出困境。本文先介绍轻量化设计基本方法，然后以某车型开发为例，在满足车身刚度和模态基本不变的前提下， 以车身后牵引装置重量减轻为目标，优化其结构。对优化后的结构进行强度和后部碰撞的模拟计算和对比分析， 以验证优化设计结果的可行性，达到优化设计的目的。

关键词：后牵引装置；轻量化；优化设计

中图分类号：U463.91+2 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）06-0018-05

Abstract： Traction device is a kind of safety protection devices for getting the car out of dangerous situation.This paper first introduced the basic methods of lightweight design， and then taked an example of vehicle development， optimizing the structure of rear traction device on one vehicle， lightening the weight as the objective and remaining the body stiffness and modal unchanged.Accroding to the simulation calculation and comparison analysis of the structure strength and the rear collision， verified the validity of the optimization design and achieved the purpose of lightweight design.

Key Words： rear traction device； lightweight； optimization design

随着我国对节能减排和环境保护越来越重视，汽车的轻量化设计变得越来越重要，目前轻量化设计的方向主要在新能源汽车，先进发动机技术以及汽车轻量化三个方面。

目前新能源汽车和先进发动机技术都存在开发周期长、开发难度大等特点，其在技术上已经比较成熟，但普遍存在一定的瓶颈。而轻量化技术是节能减排最直接有效的措施，轿车质量每减轻10%，燃油消耗量可降低6%～8%，碳排放量降低4%[1]。但直接减轻零件重量不是轻量化技术的根本，而是在综合考虑整车重量、性能、功能、用户感知、成本等因素，实现产品的优化设计。所以轻量化设计方法以及如何对轻量化设计进行评价是主要研究对象。

车身牵引装置是一种为方便车体进入危险环境损坏后，借助外力走出困境的安全保护装置，如果牵引装置及其安装点强度不足，除了引起车身零件的损坏外，也会给人身带来直接或间接的伤害[2] ，但通常为了保证牵引性能会导致牵引结构尺寸过大，增加车身后部重量。

所以对牵引装置进行轻量化结构优化，在减重的同时，保证整车及后牵引装置部件性能，就具有一定的现实意义和价值。

1 后牵引装置轻量化设计方法

对后牵引装置优化设计的目标在于实现减重的同时，不影响整车性能的同时，后牵引装置性能达标，本章结合轻量化设计方法，结合对后牵引装置的性能要求，建立后牵引装置优化设计思路。

1.1 轻量化一般设计方法

车身重量通常占整车重量的30～40%，车身轻量化设计主要从材料（使用低密度高强度材料）、结构（形状尺寸优化）、制造工艺（激光焊接等）、连接工艺（铆接，胶接等）这四个方面考虑，通过轻量化一般设计方法，以车身主要性能项刚度，强度，碰撞和耐久等性能要求为设计和校核目标；通过对车身进行结构优化，选择最合适的结构形状和材料分布，使材料用量达到最少同时保证结构功能要求，然后给出轻量化的评价指数，最后对轻量化的车身进行性能校核，这样不断循环达到轻量化优化设计目标，如图1所示[3]：

1.2 轻量化一般评价方法

在车身设计方面的轻量化技术指标能给予车身开发一个方向性的指导，目前对轻量化技术水平评价比较常用的评价指标是车身轻量化系数。下面就对车身轻量化系数进行介绍。

车身轻量化系数L是用来表示车身静态刚度和减轻车身质量的关系[4]，如公式1所示：

根据上面公式所列轻量化系数L的影响因子，轻量化系数L数值越小轻量化水平越高。同级别车的车身投影面积A通常差距不大，所以保证车身静态刚度CT的同时，实现车身重量M的下降是此次后牵引装置轻量化优化设计的方向。

1.3 后牵引装置的性能要求

1.3.1 后牵引装置强度

1.3.2 后部碰撞性能

因后牵引装置位于后部碰撞的传力路径上，因此轻量化设计后的后牵引装置还需满足后部低速碰撞法规GB 17354要求与后部碰撞安全性法规GB 20072要求。

2 某车型后牵引装置轻量化设计实例

在满足车身刚度和模态基本不变的前提下，以后牵引装置减重为目标，采用布置调整，形状优化，尺寸优化，性能校核等方法及手段，优化后牵引装置原结构。对优化后的结构进行强度和碰撞的模拟计算和对比分析，以验证优化设计结果的可行性。

2.1 原后牵引装置的结构分析

基础车后牵引装置结构如图3所示，采用钣金零件拼焊成牽引钩，焊接在后地板纵梁上。该牵引装置为实现牵引功能，既要预留一定的牵引空间，又要保证足够的强度，导致钣金尺寸过大，既增加车身后端重量，又影响车辆整体美观，所以需要对该后牵引装置结构进行优化设计。endprint

2.2 后牵引装置结构的优化设计

新车型后地板大体沿用基础车，通过引入前文提到的后牵引装置结构优化设计方法。优化思路重点放在零件料厚减薄，缩小板件尺寸以及布置调整上。

因还存在外漏影响美观问题，减薄板件料厚不可行。而缩小板件尺寸影响牵引操作空间不可行。决定调整后牵引装置布置形式，利用防撞梁本体上增加螺纹管实现后牵引功能的实现。

具体优化过程及方案如下：

第一步：将原基础车构成牵引钩的板件取消，用后纵梁连接板替换以实现后地板与后围的连接，同时为后防撞梁提供安装。该方案使后牵引装置结构减重2.2kg；如图4所示：

第二步：更改牵引装置布置位置，增加螺纹管与加强件与车身后防撞梁焊接以实现后牵引功能，提高牵引载荷集中区域结构强度。该方案使后牵引装置结构增重0.332kg，如图5所示：

新车型后牵引装置优化后采用螺纹管和拖车环装配式结构如图6所示，将螺纹管，加强件与车身后防撞梁焊接，用带螺纹的拖钩柄旋入螺纹管里实现牵引功能。整个更改实现牵引装置减重1.9kg。

2.3 轻量化评价

对优化后的车身结构进行车身的刚度和模态进行计算，校核优化后的后牵引装置是否对刚度和模态产生影响[5]。对车身刚度进行分析，如表1所示，优化方案对车身整体弯扭刚度影响极小。

后牵引装置结构优化前的车身一阶扭转模态与弯曲模态分别为31.4Hz，46.8Hz，优化后的车身一阶扭转模态与弯曲模态分别为31.4Hz，46.6Hz，各阶模态振型无改变，如图7所示：

从上表可以看出，优化前后各个约束条件的变化率最大不超过1%，可以近似认为整车的刚度和模态没有发生变化，而后牵引装置结构重量减小1.9kg。由此可以看出在满足车身刚度和模态基本不变的前提下，后牵引装置结构重量实现了减轻，符合轻量化设计目标。

2.4 后牵引装置结构的性能校核

对优化后的牵引装置进行强度和碰撞的模拟计算和对比分析，以验证优化设计可行性。

2.4.1 后牵引装置强度校核

对优化化后的后牵引装置进行强度校核，得到直拉工况与斜拉工况下的塑性应变云图，如图8所示。从图中可以看出经过优化的后牵引装置各工况下的塑性应变有所增大，但各工况的最大塑性应变均小于目标值2%，满足强度要求。

2.4.2 后牵引装置碰撞校核

对优化后的后牵引装置进行后部低速碰撞分析。在中心碰撞，横向偏置碰撞和60°角度碰撞三种工况下，碰撞侵入量相对优化前增大。优化前车身后围最大塑性应变分别为0.011%，0.016%，0.032%；优化后车身后围最大塑性应变分别为0.028%，0.019%，0.023%，如表3所示：

后围塑性应变变化较小，车身得到有效保护；同时信号装置避开了与后围碰撞接触，信号装置得到保护。综合分析结果，优化后的后牵引装置满足后部低速碰撞法规GB 17354要求。

优化后的后牵引装置进行后部碰撞安全性仿真分析，得到燃油箱与燃油管的塑性应变云图如图9所示，优化前燃油箱与进油胶管的最大塑性应变分别为0.3%，0.4%；优化后的燃油箱与进油胶管的最大塑性应变分别为0.28%，0.42%，判断不会发生燃油泄漏，满足后部碰撞安全性法规GB 20072要求。

综上，对优化后的后牵引装置进行性能校核，自身强度以及后部碰撞性能均满足性能要求，结构可行。

3 结论

本文通过对轻量化设计和评价方法进行介绍并结合对后牵引装置的性能要求，归纳出后牵引装置结构优化的思路，运用于对某车型后牵引装置结构的设计中，既减轻了基础车后牵引装置的重量，又解决了车辆整体美观的问题，性能目标也满足要求，有一定的实用價值和经济价值，同时本文的车身轻量化设计的思路对于后续项目的车身优化设计有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]王智文. 汽车轻量化技术及发展初探[J]. 汽车工艺与材料， 2009（2）：1-5，15.

[2]韩冬雪， 丁晓明.汽车牵引钩仿真分析及优化设计研究[J].企业科技与发展， 2014.5：28-29.

[3]韩旭， 朱平， 余海东， 郭永进， 林忠钦， 高新华， 顾镭， 杨晋， 徐有忠.基于刚度和模态性能的轿车车身轻量化研究[J].汽车工程， 2007.7：545-546.

[4]羊军， 叶永亮， 汪侃磊. 车身轻量化系数的决定因素及其优化[J].汽车技术， 2010.2：28-29.

[5]石海明， 胡安中， 彭淑仙.基于刚强度校核的某车型后牵引钩总成轻量化设计[A].2012重庆汽车工程学会年会论文集[C]， 2012.endprint