商用卡車底盤輕量化設計方案研究

陳向靡

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545000）

我國的經濟發展和社會建設離不開環境的支持，良好的生態環境可實現“天更藍，水更清，人民的生活更美好”的使命。節能環保理念在人們的生活和生產中形成深刻影響，在商用卡車領域內，輕量化的設計方案可助推節能環保任務實現，實現車輛可操控性提高，并表現出良好的節油性[1]。汽車的總質量和發動機排量決定著車輛的耗油情況，在控制商用卡車造價、性能和整車品質不變的前提下控制車身重量，既可實現噪聲降低，又可實現輸出功率提高，還可使操作的可靠性和操作性強化，保證車輛運行速度的同時，減少油氣消耗量。因為，從車輛底盤結構出發思考降低車輛重量的方式以提高車輛環保能力，是商用卡車設計與制造領域注重的課題。

1 商用卡車底盤結構與輕量化設計原則

1.1 商用卡車底盤結構

制動系統、轉向系統、行駛系統和傳動系統等組成商用卡車的底盤。在商用卡車中，底盤具有總成的作用，為車輛的各類部件、發動機安裝、支撐提供支持，也是整車造型形成的關鍵。車輛行駛時，底盤能承受來自發動機產生的動力驅動車輛向前、向后行駛，確保車輛按照駕駛員的意愿正常行駛。在構造商用卡車底盤時，需要有傳動軸、變速箱、發動機、車輪、后橋、前橋、懸架和車架等基本零部件[2]。根據模塊的差異情況，其實現的功能有冷卻、轉向、電氣、懸置、供油、排氣和進氣。

1.2 商用卡車底盤輕量化設計原則

輕量化設計商用卡車底盤，應以性能穩定且提升作為前提，優化調配各類總成零件，達到底盤節能化設計標準，促進車型譜得以持續改進。

盡可能地縮減專用零部件的使用量，提高系列化、模塊化、通用化部件的設計與使用率。

靈活應用新工藝、合理選擇質量輕的材料、優化商用卡車底盤結構等，實現底盤輕量化設計目標。

2 商用卡車底盤輕量化材質應用

2.1 鋁合金材料應用

鋁制材料的密度僅為鋼制材料的三分之一，其具有較輕的質量，在商用卡車底盤輕量化設計與制作中擁有應用價值。鋁制材料的優良吸能性、高強度、耐腐蝕性等優勢，也為其使用價值凸顯提供支持，因而變形鋁合金和鑄造鋁合金在商用卡車設計與制造領域中的使用很普遍。在商用卡車制造方面，廠商具備成熟的鋁合金技術，多在車輪、蒸發器、空調冷凝器、發動機散熱器、車身面板、裝飾件以及懸架系統零部件中使用[3]。但是，鋁合金的高加工難度、難焊接、高成本等問題影響其大規模普及。商用卡車多使用鋁合金完成變速箱殼體、鋁合金油箱等構件制造。

低密度金屬材質具備良好降重效果，密度越低，質量越輕，效果越好。商用卡車有八成結構材料為鐵系材料，利用樹脂和鋁合金等密度小、重量輕的材料，可大幅度降低卡車重量，實現輕量化設計目標。鐵系材料強度高，這也是輕質量材料所不能比擬的，想要維系商用卡車外形不變完成材料更換，總體還是比較困難。

工況分析是利用靜力實現，靜力分析方式如表1所示。

表1 靜力分析方式

為確保商用卡車的剛性和強度，在優化設計車輛外形時引入CAE 技術，精確測算材料抗疲勞度，設計出符合需求的車輛外形。通過CAE 計算分析，得到的結果如表2 所示。

表2 CAE 計算分析板簧支架結果表

從CAE 計算分析板簧支架結果表的結果來看，優化改進后，鑄件的安全性不會受到比較顯著的影響。對相關數據展開CAE 驗證和分析得到，雖然在三種工況之下，原結構的應力比改進后的應力小，但是其結構的強度與改進之后的結構強度相當，兩者的安全系數（δ）也基本相同。綜合來看，在使用鋁合金材料優化改進構件以后，其性能基本相同，不會對車輛造成影響。

2.2 塑料材料的應用

塑料的組成是非金屬為主的有機物，兼具防震性、耐腐蝕性、成型性、小密度、隔熱隔音、耐腐蝕等優勢，具有金屬鋼板不具有的觸感和色澤。當前在商用卡車的內飾外飾部件上大量使用塑料材料，比如扶手、各類護板、儀表板、座椅支架、車門防撞條、車門內板、車窗、側位內襯板、頂棚等。在技術創新和設計理念更新的影響下，塑料材料在功能件和結構件制作時也有所使用，比如冷卻系統、發電機及相關系統、供油系統等，在車身覆蓋件制作方向上，塑料也有很高的利用價值[4]。

在輕型商用卡車的功能部件內芯、油箱、制動氣管、油管上，已經廣泛使用塑料材料，出于性能和輕量化，使用塑料材料可降低油耗量、減少碳排放，滿足商用卡車低質量需求。

2.3 高強度鋼材應用

生產制造商用卡車中，高強度鋼作為一種輕量化材料，應用的時間比較早，應用的效果比較顯著。高強度鋼多在生產前下擺臂的時候使用。在控制商用卡車重量的時候，普遍采取沖壓成型技術處理單片鋼板，同時使用FB780 等高強度的材料，既可以在厚度固定的前提下提高車輛部件硬度，又可以再降低車輛的重量，達到輕量化設計的目標[5]。比如采用750L 的車架縱梁材料替代傳統的590L，厚度降低，強度卻不降低，整體達到輕量化設計優化。

3 商用卡車底盤結構輕量化優化

3.1 橋殼厚度和支架結構優化

輕量化設計和制造商用卡車底盤期間，最擔心出現的問題是難以明確各類部件的使用壽命，甚至由于材料性能的影響，導致部分零部件或者結構沒有達到車輛的報廢年限就已經徹底喪失功能，也有可能部分構件的使用壽命會得以延長[6]。不合理的設計結構會導致上述問題發生，很多商用卡車設計廠家為了盲目追求車輛運行的可靠性，在設計的過程中將結構的厚度過多增加，或者使結構承擔過大的負荷，由于結構的強度不足，材料的性能不達標而出現疲勞損壞[7]。各類問題的出現，都是生產常見所不希望發生的，也是商用卡車消費者不想見到的。

表3 塑料與其他類型材料的重量對比

利用有限元模型構建橋殼并分析優化之前和優化之后的橋殼固有頻率，結果如圖1、表4 所示。

表4 橋殼厚度優化前后的6 階固有頻率對比表

圖1 橋殼有限元模型圖

橋殼的厚度值從開始的11mm 削減到8mm，重量也總體減少了62.13kg，總量降低的比重為72.39%，而設備的性能卻基本沒有出現比較明顯的變化。使用臺架試驗的方式對橋殼做出檢查，輕量化處理以后，構件的使用壽命不低于3.83*109 次。這種處理辦法在車架處理、橋殼處理、變速箱殼體處理等工作環節中使用。

圖2

將制作構件的材料重量進行削減，從原來的2.69kg削減到后來的2.54kg。根據臺架性能檢驗結果以及整車可靠性試驗結果得知，支架優化之前和優化之后，性能沒有表現出比較顯著的變化，在支架類的零部件設計與制作中可使用這種方法。

表5 部分底盤構件輕量化優化方案

通過上述兩個案例可以發現，在商用卡車底盤結構優化之前和優化之后，在保證性能的前提下可大幅度降低重量，滿足車輛輕量化設置的需求。將優化結構和優化支架兩種方法在鐵制零件上使用，更加容易取得理想的效果，甚至會降低生產制造成本，實現輕量化設計目標。

3.2 各類新工藝應用

在焊接商用卡車底盤結構構件的時候，可選擇使用激光焊接技術、超聲點焊的方式實現，使用鉚焊接取代螺栓焊接，以熱處理等新工藝加工處理強度不高的鋼板，通過對焊接填充物的控制使得設備重量下降。在商用卡車各結構制造環節中，將橡膠懸架、空氣懸架、少片簧等新技術應用其中，可使得車輛的重量大幅度減輕。利用功能集成技術可將零件質量和零件數量減少[8]。

3.3 工藝降重

因為搭接焊接所產生的構件重量，可使用摩擦焊的方式降低，同時還可以表現出不需要焊接材料和安全環保的工藝優勢。使用摩擦焊工藝可對商用卡車中的管梁部件、推力桿部件等做出處理。通過提升鑄造工藝，降低各類零部件的使用數量，推行一體化橋殼，促使車輛結構強度強化，達到輕量化處理的目標。

商用卡車底盤輕量化設計的時候，需要涉及較多的零部件，尤其是隨著節能減排理念的深度推進，關于尾氣排放的優化升級也受到重視。在安裝尾氣處理裝置時需要占用較大的空間，所以在有限的卡車底盤空間里為了更多的安裝零部件，需優化集成整車的布置情況，盡可能地提高空間的利用效率。

3.4 輕量化設計管理控制

商用卡車輕量化設計雖然能夠帶來很多好處，但是在設計的時候，若盲目地追求輕量化，也會為車輛運行安全和各類性能實現造成影響，所以在輕量化設計商用卡車底盤的過程之中，必須要有嚴格的流程對其展開管理和控制，建立輕量化流程管理辦法，對各種輕量化部件進行臺賬數據化管理，對各階段的輕量化進行統計分析，得出科學化與合理化等。憑借嚴謹的驗證開發流程和多種類型的輕量化設計技術，確保設計完成的商用卡車底盤性能和產品配置更加科學化與合理化，促使輕量化設計趨向于完美狀態，為社會和企業發展創造更多的價值。

4 結語

在汽車領域當中，商用卡車的輕量化設計是生產單位不斷追求和探索的方向，在節能環保理念的影響之下，科學研究人員應該更加積極主動地探求新的科技元素，在商用卡車輕量化設計當中，提高技術的應用效果，取得更高的收益。