輕量化材料在商用車駕駛室上的應用

摘要：近年來，為應對全球氣候變暖和能源危機，節能減排已然成為汽車技術發展的重大課題。有資料顯示，汽車質量每減少100kg，每百公里可節約約0.6L燃油。為此，實現汽車輕量化有著重要意義。目前，實現汽車輕量化涉及到汽車多方面技術。選擇使用輕量化材料是現在整車輕量化的重要途徑。新實施的《營運貨車安全技術條件》，其中關于駕駛室結構強度法規的要求，使得商用車駕駛室輕量化面臨新的挑戰，本文就現階段輕量化材料在商用車駕駛室上的應用以及面臨的挑戰進行了介紹，以為滿足更高要求的輕量化駕駛室設計提供思路。

關鍵詞：輕量化材料;商用車;駕駛室

汽車工業體現了國家的制造業水平，其發展也影響著我國能否從制造大國向制造強國的邁進。我國自20世紀80年代以來，對于汽車輕量化的研究已經達到了新的高度，其中關于輕量化材料在商用車駕駛室中的應用也取得了長足的進步。

關于商用車駕駛室的輕量化設計，應當滿足駕駛室的安全性能放在首位，進而借助優化結構、應用新材料新技術等方法來實現自身重量減少，其中新材料中的輕量化材料的開發應用是當前可操作性最強的研究方向之一。在商用車駕駛室中使用的輕量化材料主要有高強度鋼板、輕型合金材料、工程塑料以及復合材料等四大類。

1.高強度鋼板的應用

目前，鋼板依然是商用車駕駛室的主要用材，因此高強度鋼板在商用車駕駛室中的應用是可以有效實現輕量化。高強度鋼板，屈服強度較高，抗凹陷性強，且降低料厚不會影響整體強度。因此，根據以上特性，在中低端是汽車的輕量化處理中，在保證安全性的前提下，通過可以直接通過降低料厚來實現輕量化。另外，利用高強度鋼板的抗凹陷性能可以用來制作駕駛室的易碰撞部位，提高碰撞安全性。

在國內，作為代表使用高強度鋼板的是一汽集團。該集團采用抗拉強度為340MPa高強度鋼板代替普通鋼板生產的解放CA1092型載貨汽車駕駛室，零件涉及車門、地板和后圍等41種零部件，其中18種零件使用BIF340含磷鋼板替換DC04鋼板，23種零部件使用BH340烘烤硬化鋼板替換DC03鋼板，高強度鋼板用量達到228kg，駕駛室減重約21kg，東風天龍D310駕駛室高強度鋼板用量86.3kg，涉及零件160件，占到總重量的30%。

在國際，先進商用車的白車車身340MPa以上級別高強度剛鋼板，其用材高達40%～60%，甚至部分高達72%。然而，目前國內商用白車身仍然以普通低碳鋼板為主。有研究指出，高強鋼是在保障碰撞安全性、經濟型、可加工性等綜合性能最佳的輕量化材料，其使用量的多少可以體現汽車水平的高低。目前，我國的平均使用量僅為25%，與國際相比，相差較遠，有很大的發展空間。

2.輕型合金材料的應用

2.1 鋁合金

鋁合金密度約為鋼的1/3，即2.5～2.88 g/cm3，強度和密度均低于剛強度鋼，價格較鋼鐵高，在高端汽車中較為常見。鋁合金具有密度低，耐腐蝕性好，塑性好，抗熱疲勞性好，比強度和比模量高，在駕駛室中作為結構輕量化材料使用效果明顯。

現階段，商用車領域中使用最廣泛的輕型合金材料便是鋁合金。在駕駛室中，應用合金的零件涉及到方向盤芯骨、轉向柱支架、儀表臺支架等。在國內作為的代表東風天龍重卡的鋁合金用料已經已超過360kg。在國際，美國彼得比爾特的多款車型采用全鋁材來制造料駕駛室，實現了重量輕、燃油效率高的目標，并且駕駛室可靠性和耐腐性表現優秀。

鋁合金在力學性能方面，表現為脆硬性，且導熱性能好，焊接性能差，因此在加工成型方面具有一定的難度高。同時，相對鋼鐵來說，在力學性能相同的條件下，是使用鋁合金的輕量化效果更明顯。目前如何提高其強度和韌性以及采用何種連接方式是其研究的重點。

2.2 鎂合金

鎂合金的密度為1.75～1.90 g/cm3，是鋼密度的1/4，較鋁密度低，約為鋁密度的2/3。鎂是所有結構材料中在當前工程應用領域中最輕的金屬，被認為較理想的輕量化材料。鎂合金的密度小，重量輕，強度較低，比強度高，比剛度高熱傳導性能良好，另外，鎂合金還具備一定的電磁屏蔽性能、防輻射性能和阻尼減震性能，是一種前景良好的高質量輕量化材料。

近年來，鎂合金在乘用車上的應用已經得到突破性的進展。在商用車中，已有60多種零部件有使用，其中最具代表性的是在車身及底盤零件，以及各種支架、基座等產品上已被大批量應用。在國內，商用車領域，作為代表的是東風汽車，其車身鎂合金應用較早，主要為153系列、東風天龍等車型的踏步、轉向柱支架等。另外東風汽車用鎂合金方向盤芯骨、座椅骨架、儀表臺骨架等方向等方面也在近期取得了進展。

鎂合金零件應用于汽車輕量化的優點是顯而易見的，但由于其價格較高，耐腐蝕性較差，易氧化燃燒，強度較低以及加工困難等缺點，導致它一直未能得到大范圍的使用。因此，在短期內，應用鎂合金多應用于的零件主要是對耐腐蝕性要求較低、強度要求不高的非結構零部件。

3.工程塑料

3.1 玻璃纖維增強塑料

玻璃纖維增強塑料，即為通常所說的玻璃鋼，密度約為1.4～2.1g/cm3，密度較合金材料更低。具有密度小，比強度高，耐腐蝕性強等特點，因此主要應用于形狀復雜的零部件。在國內，中國重汽C7H駕駛室，使用的玻璃鋼復合材料零部件涉及20余件，涉及頂蓋、保險杠、前面罩、腳踏板和裝飾板等眾多零部件，其總重量超過190kg。

4.復合材料

4.1 碳纖維增強復合材料

碳纖維增強復合材料密度約為1.6g/cm3，密度更小。具有輕質高強、耐高溫、耐腐蝕等特點。碳纖維復合增強材料力學性能優良，其密度雖然較低，但比強度比碳鋼（某些特殊合金高）要高的多。

在汽車領域，碳纖維增強復合材料已由最初的賽車領域逐漸向民用汽車拓展。目前，已經有許多制造商開發出車門內飾板、后視鏡外殼等碳纖維材料零部件，寶馬已經取得優先突破，比如嘗試在小型車上采用全碳車體。碳纖維增強復合材料在商用車領域的應用，正日益突破。

碳纖維增強復合材料由于其高比強度、高比模量，在航天航空以及超級跑車領域得到了良好的應用。但由于其價格高昂，成為其大面積推廣所面臨的問題。

4.2玄武巖纖維增強復合材料

玄武巖纖維（CBF）是將天然玄武巖礦石經過高溫熔融以后通過拉制而形成的連續的纖維[1]。玄武巖纖維具有抗拉強度高、耐熱性能強、化學穩定性好，且具有良好的吸音性能和隔熱性能，是碳纖維的最佳替代品。在汽車領域中，玄武巖纖維增強復合材料可以用于制造發動機罩以及對隔音隔熱降噪有一定要求的內飾件。

4.3 聚雙環戊二烯

聚雙環戊二烯密度為1.03g/cm3，密度更低。是一種具有較高的抗沖擊性和彎曲模量、耐腐蝕性高、有一定耐候性的熱固性工程材料[3]。與玻璃纖維增強塑料相比，雖然PDCPD的拉伸模量較低，但其屈服性和抗沖擊性優相對異。在商用車領域，PDCPD材料在引擎蓋、車頂蓋等眾多零部件上的應用已經相當成熟。

4.4空心玻璃微珠

空心玻璃微珠，體積小，重量輕，空心球形粉末。由于空心玻璃微珠的中空結構特點，使其具有質輕隔音隔熱的優點。它是近年來新出現的一種新型輕量化材料，可直接填充在多種塑料產品中，同時由于玻璃微珠具有重量輕的特性，填充后產品輕量化效果明顯。

4.5發泡聚丙烯材料

發泡聚丙烯材料（EPP）是以聚丙烯材料為基礎的樹脂制備的發泡塑料。EPP材料，隔熱性、隔音性優良，耐熱性、耐腐蝕性表現優秀，具備一定的抗震吸能性和良好的回彈性、表面保護性以及尺寸形狀穩定性，同時質量輕且能夠回收再利用。

在汽車領域中，可用于制造頭枕工具箱、保險杠緩沖塊、門內板吸能保護墊以及支撐行李箱支撐等多種零部件，例如在豐田標志的部分車型中已經配備了這種材料保險杠。

4.6長玻璃纖維增強聚氨酯反應注射成型材料

長玻璃纖維增強聚氨酯反應注射成型（LFI）工藝是一種將長玻璃纖維與彩聚氨酯原料混合，之后注入模具然后熱壓成型的工藝。該工藝制備的產品，具有重量輕，剛性強，力學性能好等特點，常用于制備形狀復雜的大型薄壁產品。當前該技術在汽車領域的應用，以汽車內外飾件為主。在商用車主要應用于儀表盤、裝飾板、導流裝置等產品中。

4.7 PHC復合材料，

PHC為夾層結構，在蜂窩蜂窩夾芯材料的兩面鋪設纖維毯，經聚氨酯噴射系統浸潤后在模具中熱壓成型。與傳統板材相比，PHC材料重量輕，剛度高，具有顯著的耐火性、抗震性和吸音性。

PHC材料厚度通常為6～30mm。在不改變表層厚度的前提下，可以通過調整芯材厚度來實現產品厚度的改變。PHC材料的強度與芯材厚度正相關成正比，芯材越厚，則強度越高。由于單位體積芯材的重量相對小，在相同的承載能力下，PHC加成可以大大降低自身重量。與傳統材料相比，PHC材料可減重約30%～50%。

在國內，中國重汽C7H車型頂導流罩通過質量提升，使用PHD材料作為導流罩。這種導流罩表面層和底層兩部分組成，表面層成為共擠板復合材料吸塑件，本體層采用PHC材料，包括了蜂窩夾芯材料和玻纖材料，同時通過噴涂聚氨酯材料在模具熱壓中成型，使本體層與表層緊密復合。相比原玻璃鋼材料，這種新導流罩，外觀質量都得到明顯提升，同時重輕量化效果明顯。

現階段，結構發泡材料主要有兩種使用方式，一種帶有骨架的預成型增強塊在駕駛室焊接預置于空腔內部，之后后隨架子是一同進入涂裝線，實現結構增強;另一種則采用雙組份結構增強泡沫發泡膠，可在駕駛室下線后直接室溫灌注發泡，實現空腔增強。

5.輕量化材料在商用車駕駛室所面臨的挑戰

隨著汽車輕量化技術全球化的到來，輕量化材料在商用車駕駛室中的應用面臨著許多機遇和挑戰。首先，輕量化材料成本高。高成本制約了各種輕量化材料在商用車駕駛室中的應用。為此，需要不斷研發出較低成本的新型輕量化材料，同時優化駕駛室結構設計。其次，維修難度和成本較高。當輕量化材料損壞時，需要專業的維修設備和技術人員。最后，研發力度不足。這項應用涉及面較廣，需要多方協調、多學科融匯貫通，進而系統的進行研究開發。

結語

在商用車的駕駛中采用，采用輕量化材料，對于為實現汽車行業節能環保的發展目標有著深遠意義。輕量化材料研究使用也已成為汽車行業的重要研究方向之一。隨著研究的不斷開展，新的輕量化材料將如雨后春筍，現有材料性能的開發也將得到提升，但是每一種材料都不可避免的存在著各自優缺點。面對汽車輕量化材料在商用車駕駛室應用上的困難，汽車行業應當抓住汽車材料全球化的發展機遇，對輕量化材料的應用特性進行充分的深入研究，同時借鑒輕量化材料應用的成功經驗，真正發揮不同材料的優勢，在保證駕駛安全性的基礎上，推進汽車輕量化項目發展到新的水平。

參考文獻：

[1]王曉偉， 王濤， 秦敬震. 輕量化材料在商用車駕駛室上的應用[J]. 重型汽車， 2019， 000（001）：31-33.

[2]余浪， 代詩環， 王樂勇， et al. 重型商用車駕駛室輕量化技術應用[J]. 汽車科技， 2017（2）：103-108.

[3]李莎. 某汽車駕駛室骨架結構分析與輕量化設計[J]. 汽車實用技術， 2018， 276（21）：196-198.

基金項目：安徽省高等學校自然科學項目"某商用車駕駛室輕量化CAE分析"批準號 KJ2019A1064的階段性研究成果

作者簡介：孫然（1982—），男，漢，安徽六安，講師，碩士，研究方向：汽車設計。