｜車輛底盤之輕量化設計與分析

摘要：在全球暖化日益嚴重今天，如何降低二氧化碳（CO₂）之排放已成為各國政府與各大汽車製造商所關注的議題，而底盤輕量化對於降低二氧化碳之排放是直接而且有效的方式，但如何在維持原底盤性能之限制條件下進行輕量化工程，則必須適當地應用新結構、新製程及新材料等，或結合最佳化設計工具，進行整體之最佳化設計。本文將以LUXGEN7 SUV車型作為benchmark，在維持相同之彎曲剛性（Bending Stiffness）及扭轉剛性（Torsion Stiffness）之限制條件下，達成減輕底盤重量達25 %以上之目標，並將新製程及新材料導入設計。最後使用電腦輔助設計軟體（Computer Aided Design, CAD）進行輕量化底盤零件模型建立，並應用電腦輔助分析軟體（Computer Aided Engineering, CAE）進行輕量化底盤之模態與剛性分析，以驗證輕量化底盤之各項性能是否符合設計需求。

Abstract: The trend of global warming is increasing quickly nowadays. Therefore, searching the ways to slow down carbon dioxide(CO₂) emission is critical for governments and carmakers. One of the effective ways to slow down CO₂ emission is reducing the weight of vehicles. Weight reduction of vehicles without sacrificing its performance needs to appropriately combine with new structure design, new manufacturing process, new materials and new design methods such as optimization design. In this article, we use the LUXGEN7 SUV as our benchmark and attempt to reduce the weight of the underbody up to 25 % by involving design, manufacturing process and materials application researches without decreasing its bending and torsion stiffness. Furthermore, we use the computer aided design tool to build its 3D model and analyze its stiffness by computer aided engineering tool to evaluate its performance which should match our target design specification.

關鍵詞：輕量化、高強度鋼、彎曲剛性、扭轉剛性

Keywords：Lightweight, High Strength Steel, Bending Stiffness, Torsion Stiffness

前言
在全球暖化日益嚴重的今天，如何降低二氧化碳（CO₂)等溫室氣體的排放，已成為各國政府與各大汽車製造商所關注的議題，而歐盟已制定EC NO. 443/2009規範，限制於2015年上市之車輛須達到行駛每公里僅排放130 g二氧化碳之目標，而至2020年時，車輛須達到行駛每公里僅可排放95 g之二氧化碳排放要求。圖1為歐洲之研究單位Transport and Environment[1]所統計之各汽車製造商在2011年時，所生產車型之平均車重及二氧化碳排放量與歐盟提出EC NO. 443/2009規範之差異，由圖中可看出除了PSA、TOYOTA及FIAT集團外之汽車製造商幾乎都未能達成規範之要求，因此如何在2015年及2020年達成EC NO.43/2009規範，必將成為各汽車製造商努力發展之目標。根據統計，每減少100 kg之車重，行駛一公里可降低10 g之二氧化碳排放，因此，輕量化為降低車輛二氧化碳排放之有效方法，但如何在維持既有性能與成本之限制下，進行輕量化設計，則必須進行有系統的研究與探討。

本文以國內自主汽車品牌LUXGEN[2]所自行設計之LUXGEN7 SUV車型作為benchmark基準，benchmark之車型如圖2所示；預期目標為減輕重量達25 %以上，並維持與原底盤相同之彎曲剛性（Bending Stiffness）與扭轉剛性（Torsion Stiffness）。輕量化底盤車架結構設計以液壓成型之大樑為主要架構，並將高強度鋼（HSS-440MPa，AHSS-590MPa～980MPa）導入輕量化底盤之概念設計中。此外，在文中亦將使用電腦輔助設計軟體（Computer Aided Design, CAD）進行輕量化底盤零件模型建立，並應用電腦輔助分析軟體（Computer Aided Engineering, CAE）進行輕量化底盤之模態與剛性分析，並與實車之量測結果進行比對，以驗證輕量化底盤之各項性能是否符合設計需求。

輕量化底盤設計流程
底盤之基本設計流程可分為：底盤規格訂定、benchmark選定、性能指標訂定、限制條件訂定、構想設計（Concept Design）、CAE模型建立與分析、性能評估等階段，如圖3所示。在進行設計之前，必須先定義基本底盤規格，如車長、車寬、軸距與車重等，並依此規格進行benchmark選定，選定之後必須對benchmark之各項性能進行分析與量測，作為設計時之參考依據。

在進行底盤輕量化構想設計時，必須先定義出基本設計空間限制，其包含：引擎室空間、底盤與車身接合位置、副車架接合點、前後懸吊系統作動空間及前後懸吊系統接合點，在進行設計時不可變更上述之基本設計空間限制。在進行設計時，亦須同時將新材料及新製程導入設計之中，以期能應用新材料及新製程之優勢，達成輕量化之目標，並同時維持與benchmark相同之製造成本。藉由實際觀察benchmark中各種主要結構件可發現：其大樑是由許多板件與補強件銲接而成，具有許多為了銲接接合之重疊面（Overlap），造成重量增加，因此在進行底盤輕量化構想設計時，以前大樑（Front Rail）、側圍（Side Sill）、後大樑（Rear Rail）及橫樑（Cross Member）之一體式設計，作為基本輕量化之設計方法。

以前大樑為例，此構件將使用管液壓成形（Tube Hydroforming）製造，材質為高強度鋼，由於高強度鋼延展性較差，若管件之截面變化率過高，於成形時可能造成管壁破裂，故依據過往之設計經驗，限制其截面膨脹率須小於5 %，以提升製程可行性。考量上述截面變化率之限制後，所設計出之前大樑（僅考慮主要變化之部分）如圖4所示，其各截面膨脹率如表1所示。除前大樑及後大樑應用液壓成型之管件進行設計外，其它構件皆使用板件進行設計，輕量化底盤構想設計之重量符合減重達25 %之計畫目標，其CAD模型如圖5所示，後續將應用電腦輔助分析軟體，進行輕量化底盤構想設計之模態與剛性分析，以評估其性能是否符合設計需求。