重型商用車車架輕量化技術的應用及發展情況

文_周友明

重型商用車車架輕量化技術的應用及發展情況

文_周友明

本文簡述了重型商用車車架輕量化的意義，通過整理目前國內車架輕量化技術的應用情況及發展歷程，對未來5～10年重型商用車車架輕量化發展的趨勢進行了預測，并針對車架輕量化的方法及目前的工藝瓶頸、技術難點進行了簡單分析，闡述了目前幾種解決方案的優缺點。

隨著經濟的快速發展，環境污染和能源短缺問題越來越明顯，而汽車數量的增加使這些問題日益嚴重。“低碳經濟”已成為大家關注的熱點。近年來，得益于國家政策的扶持和國內市場的旺盛需求，我國汽車工業發展極為迅速，同時汽車也消耗了大量的不可再生能源。因此，減少能源消耗，降低制造及使用成本成為了各汽車制造廠家的重點研究課題。

1 商用車車架輕量化的意義

輕量化技術是提高汽車燃油經濟性、減少尾氣排放、節約材料消耗的有效手段。目前，我國商用車保有量占全部汽車保有量的23%左右，而燃油消耗占到所有汽車用油量的70%，其中重型商用車的耗油量又占全部商用車耗油量的70%以上。根據國外的研究數據表明，汽車整車質量每降低100 kg，油耗可降低0.3～0.6 L/100 km；汽車整車質量每減少10%，油耗可降低5%～8%。另外，輕量化對環保也很有好處，車輛每減輕100 kg，CO2排放量可減少約5 g/km。同時，輕量化可減少原材料消耗，降低零部件成本，增加企業的收益。因此，輕量化對于消費者、企業以及社會環境都有著非常重要的意義。

2 商用車車架輕量化的發展歷程及趨勢

車架總成是整個汽車的基礎，既是承載結構也是傳力構件，汽車上的其他大總成，如駕駛室、油箱、電瓶框等都裝配在車架上，貨物的載荷也直接或通過副梁間接地傳遞到車架上，固定在車架上的發動機輸出的動力通過變速器、傳動軸將轉矩傳給驅動橋，驅動汽車行駛。因此，車架的結構性能影響著整車的正常行駛，所以車架輕量化必須在滿足一定的強度和剛度的條件下進行。

對載貨汽車來說，輕量化不但減輕了自身質量還提高了載質量利用系數(汽車最大承載質量與汽車整備質量之比)，這是一個綜合衡量輕量化的系數，也是國內外商用車設計的基本準則。輕量化系數較高的車型能夠擁有更高的運輸效率，從而降低運輸成本，為用戶創造價值。

目前商用車車架縱梁及橫梁等多采用鋼板沖壓加工成槽型結構。2000年以前，國內各商用車主機廠在車架上采用的主要是以如Q345和16MnL等普通強度等級的鋼材；2000年以后，國內各主機廠開始研發使用高強度鋼板。如東風商用車在2004年開始研發使用抗拉強度為590 MPa級的熱軋高強度鋼板，2007年批量用于車架縱梁的生產；同時在2007年，就已經開始了抗拉強度為700 MPa級熱軋高強度鋼板縱梁的試制工作，目前已在高端輕量化車型上采用。一汽解放在2002年開始研究使用屈服強度為500 MPa級的高強度鋼板用于車架縱梁及橫梁連接板等零件；2006年開始研發使用屈服強度為700 MPa級(抗拉強度為750 MPa級)的高強度鋼板，目前已在部分輕量化車型上采用。東風柳汽從2005年開始研發并在輕量化車型車架縱梁上應用抗拉強度為590 MPa級的熱軋高強度鋼板，用于降低整車質量并提高承載能力；2008年開始進行全新的車架輕量化研究工作，擬大量采用抗拉強度為750 MPa級的高強度鋼板。

2010年前后，國內各商用車主機廠家均推出了輕量化車型，如重汽豪濼2010款高速標載型牽引車、東風天龍2010款輕量化牽引車、解放J6高端國Ⅳ牽引車、陜汽2010款德龍F3000輕量化牽引車等。其中重汽、解放和陜汽均對車架進行了輕量化設計。

2012年，東風柳汽設計推出了第1款量產的輕量化牽引車，其車架采用基于高強度材料替代的拓撲優化進行輕量化設計，通過采用750L高強度鋼板，由原來的雙層車架優化為單層車架，車架質量由原來的828 kg減少為624 kg，降重幅度達24.6%，輕量化效果非常顯著。

在重型商用車設計制造過程中，發達國家已普遍采用了屈服強度為700 MPa級的高強度鋼板制作車架縱梁，取消縱梁的內加強板，有效減輕了車架自質量。近幾年，國外各主機廠已經陸續開始研究并試用屈服強度為800 MPa級的超高強度鋼板。

最新資料顯示，近20年，國外乘用車平均每10年減輕質量8%～9%，商用車減輕質量10%～15%。由于環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流，國際上平均每車每年自身質量減輕1%，國內自主乘用車較國外同類車自身質量約高8%～10%，商用車約高10%～15%。因此，要達到發達國家水平，國內各主機廠在輕量化方面還有很多工作要做。

為了提高汽車的承載質量，降低汽車制造成本，降低油耗，減少排放。高強度鋼板乃至超高強度鋼板在國內外商用車車架制造中的應用越來越廣泛，同時因為鋼材強度的不斷提高，車架零件的制造工藝與原來的生產工藝相比也會發生很大變化。隨著生產工藝的不斷成熟，市場的逐步規范，未來5～10年國內商用車車架會大量應用屈服強度在700 MPa級的高強度鋼板。

3 商用車車架輕量化的方法

汽車輕量化的主要途徑：一是采用比如高強度鋼板、鋁合金、鎂合金和新型復合材料等強度更高、質量更輕的新型輕量化材料；二是應用以CAE為基礎的現代結構優化技術設計汽車各零部件的結構，使結構部件薄壁化、中空化、小型化以及對零部件進行結構形狀變更等，以實現最大限度地減輕零部件的質量。

3.1 高強度材料替代輕量化

采用高強度材料替代進行輕量化是最簡單的也是大家最容易想到的輕量化方法，它僅需將原有普通材料更換為高強度材料，同時減薄或減小零件尺寸，在保證強度等同于原結構的前提下實現輕量化設計。商用車車架因整車布置及各系統零部件安裝的需要，目前采用的基本是邊梁式梯形結構車架，另外為了減少工藝生產難度，所以其各零部件的結構也會設計得盡可能簡單。因此在車架縱梁和車架整體結構方面，商用車車架無法像乘用車那樣可以設計為中空或其他更有利于輕量化的結構。更多的便是通過將車架總成上的各零部件采用高強度鋼板替代原來的普通鋼板進行減薄設計實現輕量化。

3.2 優化車架結構輕量化

優化車架結構進行輕量化，是指在不更換原有零件的材料，通過以CAE為基礎的現代結構優化技術設計手段，在保證車架強度和剛度的前提下，對車架的結構形狀進行改變，取消對車架強度和剛度無貢獻或貢獻小的零件，減薄或縮小尺寸實現輕量化。如以前的商用車車架普遍采用雙層大梁，通過優化分析，可以設計為單層大梁，根據不同工況需要適當對車架做局部加強，以保證車架總成的強度和剛度和原車架相當。

采用高強度材料替代和通過CAE分析優化車架結構兩種方法是目前車架輕量化采用最多、也是最有效的方法，效果也是非常明顯的。這兩種方法在實際工作中應該是相輔相成，共同使用才能更大地挖掘出車架輕量化的空間，才能保證優化后的車架可靠。在上述輕量化方法的基礎上，通過細化擴展，借助先進的設計優化軟件，業界學者及汽車設計工程師們提出了很多的輕量化設計方法，開展了大量的車架輕量化設計工作，為車架的輕量化提供了大量的參考理論依據。

4 商用車車架輕量化的工藝瓶頸及技術難點

4.1 高強度鋼板的發展

目前國內已經批量生產高強度熱軋鋼板為700 MPa級鋼板，800 MPa級及以上強度的高強度熱軋鋼板處于小批試用階段，主要用在工程機械產品上，在商用車車架上暫時還無廠家試用。特別是900 MPa以上的材料金相組織為“貝氏體+馬氏體”(900 MPa以下的材料為鐵素體析出強化+貝氏體)，其延伸率較低，在10%左右，不適用于成型件，一般需采用焊接形式形成構件。因目前的熱軋技術已經基本做到極限，如果要再進一步提高抗拉強度，需要進行熱處理，這樣會導致鋼材成本大幅增加。隨著鋼材強度的提高，加工難度也會變大，對設備能力的要求也有所提高，因此需要調整設計方案和制造工藝，如設計上將零件厚度減薄。

4.2 高強度鋼的成型能力

(1)傳統的車架縱梁成型工藝。

傳統的車架縱梁成型工藝主要為模具沖壓成型，其具有生產效率高、質量穩定的特點，適用于單一品種的大批量生產，特別是可以進行雙梁合壓成型。其采用的壓力機噸位較大，一般在3 000 t以上。壓力機有油壓機和機械式壓力機兩種，機械式壓力機效率高；油壓機成型過程中保壓時間比機械式壓力機稍長，對比同等噸位機械式壓力機，具有成型后回彈少，質量更穩定的優點。因此，過去通常采用的機械式壓力機逐步被油壓機所替代。圖6為亞洲最大的6 300 t機械式壓力機，圖7為5 000 t油壓機。

(2)車架縱梁的輥壓成型工藝。

輥壓成型是與模具成型完全不同的縱梁生產工藝，輥壓成型是輥輪在做旋轉運動把縱梁帶動向前的同時將縱梁逐步彎曲成型。其具有生產效率高，產品質量穩定，零件長度可以隨時調整等優點。國內的輥壓線在生產不同縱梁高度(即槽型寬度)時，需要更換輥輪，而更換輥輪和調試的時間較長。目前國外的輥壓成型線通過伺服電機控制可在極短時間內完成產品料厚、槽寬和長度等參數的設置轉換，且成型質量穩定，但設備非常昂貴，投入較大。如重汽采用了意大利Stam公司的輥壓線。

對于高強度板，采用傳統的成型工藝會因設備壓力問題導致無法采用雙梁合壓。因此傳統的生產工藝必須要進行改造以滿足高強度板的成型能力要求，如采用輥壓成型或采用單壓工藝(即縱梁和縱梁加強板分別成型后再組合)。同時，沖孔和剪切設備也需要相應升級沖頭和刀具，采用強度更高、耐磨性更好的材料所制作的沖頭和刀具。若采用更高強度的鋼板，上述工藝問題會更為嚴重，所以，車架的生產工藝也將會是未來幾年內制約向更高強度鋼板發展的重要因素之一。

4.3 輕量化和剛度的矛盾

車架進行輕量化的前提條件是基于強度和剛度條件進行的，要滿足強度條件可以通過采用高強度鋼板實現，但是要實現剛度的不變，需要進行結構的改變。而一般情況下，商用車車架均是通過更改零件板厚實現的，而降低板厚，勢必會導致剛度的下降。而商用車車架縱梁結構因整車布置需要，無法做大的變更，要維持剛度不變，其輕量化的效果可能就不會太大，所以輕量化和剛度是相互影響也是相互存在矛盾的。但是，對于某一款車架，其剛度在一定范圍內也是可以適當改變的。至于可調整的范圍有多大，剛度能允許下降到什么程度，是進行輕量化工作中的難點，也是以后輕量化工作中的重點。

因此，輕量化是現代汽車工業的重點課題，也是汽車工業長遠發展的有力保障。