基于重型商用車的輕量化技術研究

張婷婷 許彪 張杰 劉源泉

摘 要：輕量化技術對于重型商用車有著非常重要的意義，是實現節能減排技術的重要方法，同時可以提升品牌在行業的競爭力，提升整車經濟性和環保性 ，實現用戶和企業“雙贏”。文章主要從重型商用車輕量化概念以及方法，并以車架、車輪、前伸梁、懸架、貨箱為例，闡述了輕量化在重型商用車上的發展與應用，為整車輕量化提供一定參考價值。

關鍵詞：重型商用車;輕量化;結構優化;工藝優化

中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-110-03

Research on Lightweight Technology Based on Duty commercial Vehicle

Zhang Tingting1， Xu Biao2， Zhang Jie1， Liu Yuanquan1

（1.Shaanxi Automobile Group Co.， Ltd， Shaanxi Xian 710200;

2.Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.， Ltd， Shaanxi Xian 710200）

Abstract： Lightweight technology is of great significance to heavy commercial vehicles， and it is an important method to realize energy saving and emission reduction technology. At the same time， it can enhance the competitiveness of brands in the industry， enhance the economy and environmental protection of the whole vehicle， and achieve a win-win situation between users and enterprises. In this paper， the concept and method of lightweight are adopted in heavy commercial vehicles， and taking the lightweight of frame， wheel， front extension beam， suspension and container as an example， the development and application of lightweight in heavy commercial vehicles are expounded， which provides a definite reference value for the lightweight of the whole vehicle.

Keywords： Heavy commercial vehicle; Lightweight; Structural optimization; Process optimization

CLC NO.： U466 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-110-03

引言

節能、環保、安全是當今世界汽車業關注的主要話題，我國石油進口依賴度增加，能源、環保壓力不斷增大，作為能源消耗大戶的商用車行業備受關注。目前商用車保有量僅占汽車總保有量的20%～25%，但油耗卻占汽車總油耗的50%～70%。如何設計制造出安全、節能、環保的汽車是當今汽車制造的重點方向。研究表明，當車輛的整備質量每減少100kg，可使百公里油耗降低0.3～0.5L/（100km），溫室氣體CO2排放降低8～11g/（100km），加速性能提升8%～10%，制動距離縮短2～7m[1-2]。因此輕量化成為提高節能、環保、安全性能的有效途徑，其研究具有重要意義。目前商用車生產企業是國內研究輕量化技術的主要單位之一，其中重卡輕量化效果和幅度較大。

1 商用車輕量化的概念

汽車輕量化指滿足原有的行駛安全性、可靠性、耐久性、舒適性等要求與成本控制條件下，將結構優化設計、材料技術與制造技術集成應用所實現的減重。決不能以犧牲整車性能為代價，相反，還應使整車性能得到加強。同時要滿足國家法規要求，要想滿足超載運輸，就談不上輕量化。其意義在于提高運輸效率、提升燃油利用率、減少資源消耗。

2 商用車輕量化方法

商用車主要采用的輕量化措施分為四個方面：結構優化、集成化設計、材料輕量化、工藝輕量化。

2.1 結構優化

結構優化方法已普遍應用到汽車結構設計中，主要集中在利用有限元和優化設計方式對結構性能進行分析和設計。常用的結構優化方法有尺寸優化、形狀優化、拓撲優化。

2.2 集成化設計

通過減少冗余的零部件，進行跨功能整合，實現輕量化。如商用車上對懸架、發動機、車橋等總成進行集成化設計。

2.3 材料輕量化

輕量化材料目前以高強鋼、鋁和鎂合金、復合材料等為主要選擇[3]。

2.3.1 高強鋼

高強鋼的強度是低碳鋼的5倍，具有價格低、經濟性好、性能優越的優點，但塑性相對較差。在等載荷、等強度設計條件下，應用高強鋼可減小料厚、減輕質量，提高車體抗凹陷性、耐久強度和大變形沖擊強度，是汽車輕量化的關鍵材料之一。重型商用車上主流的高強鋼指650L、700L等，可用于車架上的沖壓件及輥壓件[4]。目前國內外均在加速高強鋼、超高強鋼在汽車各總成上的應用。

2.3.2 鋁鎂合金

鋁的密度約為鋼材的l/3，鋁中加入一種或幾種元素后即構成鋁合金，每使用1kg鋁合金，可使汽車降重2.25kg[5]，鋁合金具有良好的耐腐蝕性和延展性，在汽車行業已經得到廣泛應用。如薄壁鑄造鋁合金、壓鑄鋁合金、鋁型材廣泛應用于商用車的支架、框架、梁架、殼體等。

鎂目前是工業應用材料中最輕的一種金屬，鎂合金的比強度和比剛度高，資源豐富。當前鎂合金高壓鑄造工藝制備的轉向柱支架、方向盤及儀表板骨架已在汽車行業得到應用。

2.3.3 碳纖維復合材料和塑料

碳纖維復合材料密度低、比強度高、比模量大、抗腐蝕性強、耐久性和抗沖擊性能好，隔聲降噪，材料性能具有可設計性，其性能許多金屬材料無法比擬。輕量化效果明顯，但大規模推廣的工藝性和成本問題有待進一步解決[6-7]。

塑料作為高性能的輕質材料，工藝制作成本低，易成型、涂色、修復，抗扭曲和變形性好。設計上可使多個部件合成一體，增強功能，降低成本。同時便于廢物回收和再循環使用，越來越多的應用在汽車上[3]。常見的零部件有塑料加油口蓋、塑料水箱前端模塊、塑料翼子板和擋泥板等。

2.4 輕量化工藝

2.4.1 先進的制造技術

熱成型工藝：該技術已經非常成熟，國內供應商資源豐富，商用車上也逐漸廣泛應用，成本已降低到15元/kg。其中變料厚熱成型技術，設計靈活性高，多區域厚度光滑過度，有利于碰撞吸能，避免應力突變。

內高壓成型：應用于各類管件、管狀支撐件、熱脹型驅動橋殼體等。可降低鋼管壁厚，增加壓型，提升結構強度。商用車底盤上分布著眾多管狀零件，如排氣管，他們的傳統成型工藝為彎曲拼焊成型，焊縫多、表面質量差，不能滿足重卡高端車型的整車外觀要求。無焊縫耐高壓成型工藝是內高壓沖壓成型，不存在薄壁管彎曲起皺工藝缺陷，且能保證圖紙尺寸要求，適合批量生產。該工藝可使管壁厚度減小0.5mm，同時提高表面質量。

輥壓技術：通過高性能級別材料輥壓件的應用，可減少零件數。應用于地板邊梁、縱梁、加強梁、門框等。

2.4.2 連接工藝

激光拼焊：技術成熟、成本較低，可實現同種牌號不同規格、及不同牌號不同規格零件拼焊。國內商用車車門、側圍、地板、縱梁已經采用。

自沖鉚接：是一種快速連接兩層或者多層板材的冷成型工藝，相對傳統連接工藝有如下優勢：

（1）可連接無法焊接或焊接性差的材料;

（2）可連接異種材質的板材;

（3）對鍍層的損壞比較小;

（4）鉚接過程簡單、無需對被鉚件進行預沖孔;

（5）無煙塵產生、低噪音等。

3 重型商用車輕量化具體應用

3.1 車架總成

車架是整車承載受力主要部分，縱梁可使用高強鋼，已達到取消內加強板、改為單層梁或減小縱梁腹面寬度等結構設計。車架槽型橫梁可優化為管式鑄造梁，尾梁和橫梁可采用鋁合金材料。在整車總布置時要合理規劃軸距，不宜過大。

3.2 車輪總成

重型商用車后橋每個車軸兩側多為雙胎，以6×4牽引車為例，整車裝有10個輪胎，因而輪胎在整車輕量化中占有一定分值。如采用真空胎每條可降重20kg，也可嘗試將目前普遍使用的雙胎更換為大單胎。在車輪方面，傳統重卡大多采用鋼制車輪，較重，采用鋁合金輪輞是有效的輕量化措施。同時對輪輻通風口進行優化，單個輪輻減重不多，但整車降重及降成本并不少。

3.3 前伸梁

前伸梁是底盤上復雜的系統，集成了冷卻系統固定支架、駕駛室前懸置、轉向機、前下防護、保險杠、上車踏步、駕駛室翻轉缸等功能實現。通過CAE分析軟件進行拓撲結構優化和應力狀態分析，結合使用高拉伸強度和卓越延展性材料，進行集成化設計，可降重和提高裝配效率。

3.4 懸架系統

空氣懸架具有優越減震性、行駛穩定性，較傳統板簧懸架價格貴，可根據用戶需求嘗試在一些車輛上選裝。傳統板簧懸架多為等截面、前后多片，重量較重，如采用少片變截面結構代替傳統結構，不但減輕重量，還可提高舒適性。

3.5 貨箱

傳統貨箱蒙皮和地板多為鐵瓦楞板，結構復雜，影響貨運效率。對貨箱結構框架進行輕量化設計，可降重120kg左右。同時貨箱蒙皮可考慮采用鋁合金或熱塑性PP蜂窩板、貨箱地板采用鋁花紋板。而對自卸車貨箱采用高強度鋼板、前頂液壓舉升機構、U型貨箱及動力密封篷布蓋，可降低20%～40%的上裝質量。

輕量化設計是一個伴隨整車開發流程的系統性和連續性工作，在全生命周期都應保留這種理念。重型卡車很多總成都可進行輕量化設計，如通過結構優化對轉向軸冗余結構進行減重，散熱器護風罩由鐵質材料改為塑料，轉向軸和驅動橋制動器采用盤式結構替代鼓式結構等。

4 展望

當今卡車市場競爭日趨激烈，伴隨著節能減排、綠色環保政策的實施，車聯網的快速發展，用戶用車理念的轉變，輕量化的商用車，特別是輕量化重型運輸車正得到越來越多用戶的青睞，商用車的輕量化勢在必行。未來輕量化將是零部件結構設計、新材料供應和生產制造工藝等方面的共同努力，不是某一方面的單一應用。我國商用車輕量化現狀與發達國家相比，還存在一定差距，只有行業共同努力才能使輕量化技術登上嶄新臺階。

參考文獻

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[3] 劉雨婷，胡代鈞，劉獻棟等.關于汽車結構設計中存在輕量化極限的分析[J].汽車工程，2019，41（8）.

[4] 曹廣祥，張洋，李瑩娜.屈服強度700 Mpa級高強度鋼在商用車輕量化中的應用[J].汽車工藝與材料，2017，（2）.

[5] 劉偉，鄧翔，劉楊生等.用加法做商用車的輕量化[J].汽車科技，2018， （5）.

[6] 倪紹勇，王金橋.輕質材料在純電動汽車輕量化中的應用[J].時代汽車，2016，（7）.

[7] 胡紅舟，鐘志華.一種汽車防撞梁輕量化結構的仿真分析與試驗研究[J].汽車工程，2018，40（8）.