重型商用車駕駛室輕置化技術應用

余浪　代詩環(huán)　王樂勇　劉大壯

摘要：在治超背景下，自重輕的重型商用車在市場需求上呈現(xiàn)出爆發(fā)性增長，近5年，重型商用車底盤經(jīng)過廠家的不斷努力，減重明顯。而重型商用車駕駛室的重量受法規(guī)升級等影響，卻出現(xiàn)了一定幅度的增加，因此如何滿足法規(guī)要求，保證安全性和成本可控的前提下，降低駕駛室重量，是重型商用車輕量他的關鍵點。本文重點闡述了某款重型商用車駕駛室的輕量化技術應用思路。

關鍵詞：重型商用車；駕駛室；輕量化

1.概述

以重型商用車為例，目前以6X4的牽引車為例，自重已經(jīng)由原來的9.5噸降為目前的8.7噸左右，但是減重的貢獻都是來自于底盤的輕量化。駕駛室重量因受可靠性要求的提升以及碰撞法規(guī)升級的限制，重量不降反升，以高頂雙臥駕駛室為例，重量由約900kg升到了目前的約1100kg左右，因此商用車駕駛室的減重對于下一步整車減重意義明顯。

以高頂雙臥駕駛室重量主要由以下圖1中的5部分構成，其中白車身、內(nèi)飾和外飾占了駕駛室重量的86%，因此如果能夠降低此三部分的重量，則駕駛室輕量化效果相應會比較明顯。

2.輕量化技術

2.1自車身輕量化技術

2.1.1拓撲優(yōu)化技術的應用

在白車身概念設計階段，通過采用拓撲優(yōu)化的方法，對車身結構進行優(yōu)化，以得到最輕重量，最優(yōu)的車身承載骨架和最有效的力的傳遞路徑。要進行拓撲優(yōu)化設計，首先要構建拓撲優(yōu)化空間，可以通過外造型面和內(nèi)部空間布置進行設置，以實體單元建立拓撲優(yōu)化設計域，見圖2：

綜合考慮重量、靜態(tài)彎曲、扭轉剛度、正面撞擊、頂部強度及后圍強度等碰撞工況。通過將彎曲剛度、扭轉剛度、前圍打擊、頂壓和后圍打擊等工況加權到一個目標函數(shù)，得到拓撲結構如圖3所示：

通過對優(yōu)化的結果的解讀，結合工程經(jīng)驗和車身制造工藝，將拓撲結果轉化為滿足空間布置和制造工藝的有效設計，形成新開發(fā)車型的白車身骨架。

2.1.2高強度鋼板的應用

國內(nèi)商用車白車身大部分是以低碳軟鋼板為主，少量采用了340MPa強度級別的低合金高強度鋼板，而更高級別的先進高強度鋼以及熱沖壓成鋼在國內(nèi)尚沒有實際應用。而國際上，先進商用車的白車身340MPa以上級別的先進高強鋼用量達40%-60%，有的甚至達到70%。不僅510MPa級別，甚至590MPa、700MPa和980MPa級別的先進超高強度鋼也都有應用。

2.1.3激光拼焊板的運用

利用激光焊接技術生產(chǎn)的拼焊板具有巨大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）對最終車身重量的減輕。在汽車結構件的應用中，使用激光拼焊板，消除了使用多余加強件的需要，從而帶來整體車身重量的降低。

（2）減少汽車零部件的數(shù)量。

（3）原材料利用率大大提高，廢料大大減少。

（4）結構功能得到大大提高。通過使用激光拼焊技術，由于將材料的強度、厚度得到合理組合，使結構的剛度得到大大改善。

以側圍總成為例，通過采用激光拼焊板，并適當提高零件強度，重量減輕約5kg。

2.2外飾輕量化

內(nèi)外飾的輕量化設計的重點是材料及工藝的優(yōu)化，不能因為輕量化而提高成本。

當前國內(nèi)商用車駕駛室外飾零件的選材基本上是非金屬材料，主要構成如圖8。由于外飾件需與車身體同色，且零件較大，所以SMC在外飾零件選材上占多數(shù)。

2.2.1SMC零件優(yōu)化設計

根據(jù)產(chǎn)品的型面、邊界、固定點以及具體的受力承載方式構建設計初步的加強結構，然后用CAE軟件對初始3D模型進行有關剛度、強度及模態(tài)方面的分析計算，接下來根據(jù)計算的結果對原始模型進行拓撲優(yōu)化，采用削強補弱的基本方法修改數(shù)據(jù)，然后對優(yōu)化后的結構模型重新計算分析，比較拓撲優(yōu)化前后結構的性能指標，分析拓撲優(yōu)化方案的合理性，在經(jīng)過反復幾輪優(yōu)化和比較后，得到最終的理想狀態(tài)。

保險杠設計時在優(yōu)化前的產(chǎn)品為5mm均勻厚度，但根據(jù)固定點位置，結合產(chǎn)品的踩踏要求，對結構可以做優(yōu)化調(diào)整，考慮到SMC工藝制品的特殊性，對產(chǎn)品厚度做了以下調(diào)整，如圖9所示：

將①所指非受力不可見區(qū)域由5mm改為3mm，將②位置踩踏區(qū)域5mm改為6mm，將③大燈沉臺區(qū)域由5mm改為3mm，將其他區(qū)域由5mm改為4mm！

經(jīng)過厚度優(yōu)化，產(chǎn)品的重量減少5.96KG，同時各項項目性能指標都滿足產(chǎn)品設計要求。

2.2.1新材料和新工藝的應用

2.2.1 PBT+PET+玻纖的應用

SMC屬于熱固性材料，無法回收，且密度基本都在1 8-2.0g/cm3右，采用PBT、PET和玻璃纖維共混的方法，得到的制品不僅外觀好，而且具有優(yōu)良的耐熱性、剛性、強度和尺寸穩(wěn)定性，同時解決了材料回收的問題。表2給出了兩種材料之間的性能對比。

通過在導流罩上采用該材料，降低重量約8kg，見圖10：

2.2.2 V-PHC工藝的應用

在外飾件上，通過采用V-PHC工藝，見圖11，零件剛性好，可以減少零件數(shù)量，降低重量，外層的復合板為ABC和PMMA復合，可以實現(xiàn)各種顏色，因而可以免噴涂。

采用V-PHC工藝的零件的面密度為3800g/m2，遠低于SMC的面密度10000g/m2。

在車門下裝飾板上采用V-PHC工藝，將原設計內(nèi)外板結構直接改成單層外板。減少了零件數(shù)量，見圖12，左右件共實現(xiàn)了減輕重量9kg。

2.3內(nèi)飾輕量化

2.3.1LFI硬發(fā)泡工藝

LFI噴射系統(tǒng)將聚氨酯和被切斷的玻璃纖維同時噴人開放的模具中，被切碎的玻璃纖維從外部切入聚氨酯噴射流中，接著在閉合的模具中進行發(fā)泡成型。在最終產(chǎn)品中，不規(guī)則的玻璃纖維分布使得產(chǎn)品各承載方向的機械強度得到提高。

LFI硬發(fā)泡工藝因其密度小，剛性好，主要在內(nèi)飾產(chǎn)品開發(fā)中用于替代傳統(tǒng)的PP+骨架的結構設計方案，圖13為LFI硬發(fā)泡零件結構斷面，表3給出了兩種工藝的性能對比。

通過在儀表臺和高架箱上應用此方案，減少零件數(shù)量，提升裝配效率，降低了總成重量，圖14給出LFI硬發(fā)泡高架箱，降低重量8kg，和圖15給出了LFI硬發(fā)泡儀表臺，降低重量10kg。

2.3.2玻纖增強夾層技術

玻纖增強夾層技術是將傳統(tǒng)工業(yè)的蜂窩狀的或瓦楞狀的芯材（紙質(zhì)、鋁、PP、PC或泡沫）在芯材的上下兩面各覆蓋一層玻璃纖維氈（或其它纖維氈），然后由聚氨酯噴涂系統(tǒng)浸潤，見圖16。將該夾層結構放人一個加熱好的模具中，并在130℃-140℃的溫度下直接模壓成型。通過噴涂聚氨酯材料并運用模塑技術進行有效復合，形成強度更高并比傳統(tǒng)板材更輕量化的聚氨酯復合材料。該項技術具有特殊加工功能的特點：重量輕的同時承重能力強，顯著的吸音和防火性能。

通過將該工藝應用在臥鋪輕量化上，圖17給了結構斷面，在不改外形尺寸的前提下，減輕重量9kg，表4給出了具體減重構成。

3.總結

3.1輕量化效果

通過在新技術、新材料和新工藝的應用，在設計過程中共實現(xiàn)駕駛室輕量化效果見表5。

3.2未來展望

商用車駕駛室未來輕量化技術選擇上，一方面需基于現(xiàn)有成熟的材料和工藝進行進一步優(yōu)化挖潛，另一方面是結合商用車駕駛室零部件的特點，應用新的技術和工藝，如PP微發(fā)泡部件，鎂鋁合金的儀表板管梁，超高強度的座椅骨架等。需要主機廠和供應商共同來展開工作，方能取得更大的輕量化效果。