淺析重型商用車車架輕量化設計

黃明德

摘要：隨著制造技術的發展，商用車載重量極限越來越大。車架在汽車中的主要作用是承載貨物與構件，其承受載荷來源于車的內外裝置，包括連接汽車工具及車用設備。車架的結構決定于汽車的總體布置，對車架輕量化的承載特性研究，實際上是車架結構的改進與優化，進而保證汽車的整體性能。輕量化的設計研究，能夠在一定程度上減小汽車的耗油量與廢棄的排放，并在保持汽車整體性能與造價不變的條件下，降低汽車自身重量提升動力性能與可靠安全性能。因此，輕量化對汽車運輸業的發展具有重要意義。

關鍵詞：重型商用汽車；車架；輕量化；設計技術

前言

車架的輕量化實際上是從動靜力學特征進行分析，結合載荷及位移邊界條件，考察車架的受力分布，實現對車架架構的優化，最終使車架達到結構合理輕便，又強度可靠的效果。本文關于重型商用汽車的車架輕量化設計研究，將以重型商用汽車為研究對象，從重型商用汽車的車架結構特點入手，分析車架進行輕量化的重要意義，進而對輕量化的設計方法與設計難點進行具體研究，通過評價車架設計的合理性，確定結構改進的可行方案。并基于商用車車架量化的發展趨勢作出展望。希望能夠為我國的物流業及汽車運輸的發展提供一份參考。

1 重型商用汽車的車架輕量化意義

輕量化技術可以對汽車的尾氣排放與燃油量構成直接的影響，是節約材料的有效手段之一。目前，我國重型商用車在全部車輛中的比例為 23% 左右，但是重型商用車在燃油消耗上占比卻高達 70%。國外的有關調查數據表明，汽車的質量受汽車油耗的影響。汽車質量每上升 100kg，油耗將提升 0.3-0.6L/100km，相對來說，汽車整體質量減少10%，油耗就降低 7% 左右。另外，汽車的輕量化不僅能減少耗油，為降低原材料做出貢獻，還能減少有害氣體的排放，每輛汽車減輕100kg，二氧化碳的排放量可降低 5g/km，有利于我國的保護環境基本國策的實施。而且，汽車的質量減少，零部件構造簡化，可以為企業減少經濟成本的投入，間接的減少消費者的支出。這對企業、環境、社會公眾都是一件有意義的事 [1]。

2 重型汽車車架結構的有限元分析

根據市場輸入要求進行車架結構改造，必須對車架進行有限元分析。在此基礎上確定車架的強度及整體特性，這是為汽車車架進行輕量化的有效前提。對車架的有限元分析主要包含兩方面。首先，需要針對車架建立模型并作出預處理。利用 CATIA原理搭建整車數學模型，利用車架數模作為建模對象，采用 Hyper-works 對車架及車架構成部件進行簡化與網格劃分。其次，分析出工況強度及疲勞程度。利用推導出的車架承重的最大載荷，將載荷數值設置在建立好的模型上，按照 IVECO 的分析方法，對車架的彎曲程度和扭轉強度進行了解。根據有限元分析方法，我們可以認識到，車架的整體剛度過大，強度有富余，并且局部壓力大，具有裂縫風險，該條件下完全可以進行結構優化，從而減輕自身重量，降低經濟成本 [2]，如下圖，為有限元分析流程圖。

3 重型商用汽車的車架輕量化設計

3.1 輕量化設計方法

商用汽車車架的輕量化方法有兩種。一種是采用更高強度的材料實現輕量化。這種方式需要將普通材料采用高強度材料替代，同時減小零件的尺寸，保證強度不變的基礎上進行量化設計。商用車車架具有一定的系統零件及安裝布置，采用邊梁式的梯型結構車架，將零件結構盡量設計簡單，通過車架各零件的替代進行減重設計。另外一種方法優化車架結構的輕量途徑，應用 CAE 為基礎的結構優化技術為，通過改變結構形狀，使結構部件輕薄化、小型化。以縮小尺寸、結構中空化的優化分析，最大限度減輕零部件質量。設計中，需要根據不同的結構特點做局部加強，保證汽車整體強度不變。兩種方法可共同使用，更大限度實現車架的輕量化 [3]。

3.2 輕量化設計技術難點

輕量化設計的工藝及技術難點體現三方面。第一，高強度鋼板的生產受到限制，其主要應用在工程機械的制造方面，對商用車車架的應用暫無實例。強度過高的材料，延伸度較低，不適合以成型件進行生產。另外，提高抗拉強度需要進行高溫處理，這會導致鋼鐵的生產成本上升。第二，高強度鋼的成型能力有限。無論是傳統的縱梁成型工藝，還是輥壓成型工藝，都很難實現整體的成型組合。而且，相關設備也需要更高強度的材料進行制作，是限制高強度鋼板發展的因素之一。第三，車架的輕量化和強度之間存在著矛盾，輕量化的前提條件是剛度與強度不變，要滿足該要求，更要在結構上進行改造，勢必會影響部件的剛度，因此，對于改造的系數范圍有待研究 [4]。

4 結論

輕量化是現代化汽車工業中重要的研究課題之一，也是汽車工業長遠發展的有效保障。本文針對重型商用汽車的車架輕量化的設計研究，是基于對重型商用汽車的研究對象，根據車架進行輕量化的重要意義與必要性，利用有限元法對汽車的零件結構與剛度進行分析，進而提出了高強度的材料及改造結構兩種輕量化設計方法，同時又從設計方法中的設計重點與難點提出了注意事項。汽車的輕量化設計，是技術未來發展的必然趨勢。結合現代工藝上的不足，我國對汽車輕量化的新工藝方法研究將不斷持續，使輕量化的設計更好的應用在重型商業汽車運輸上，同時將“低碳經濟效應”應用在物流業及汽車運輸中。減低經濟成本，提高運輸質量與安全系數，為我國的企業、社會公眾及環境保護做出一份貢獻。

參考文獻：

[1]郝明剛，王鐵，付文光，姚鵬華，張瑞亮，陳峙 . 重型自卸車主副一體式車架輕量化優化設計 [J]. 機械設計，2014（11）：56-59.

[2]張兵，王宗彥，陸春月，王珂 . 面向輕量化的重型卡車板簧壓板優化設計 [J]. 機械強度，2015（01）：88-93.

[3]路洪洲，王文軍，郭愛民等 . 鈮微合金化高強度鋼在輕量化商用車列車上的應用 [J]. 新材料產業，2015（06）：42-49.

[4]姜彪，謝小平，卿宏軍 . 相對靈敏度與綜合優化策略下的某商用車駕駛室輕量化設計 [J]. 機械科學與技術，2016（12）：1906-1913.