節能與新能源驅動下商用車車架縱梁結構和工藝分析

凡次永，王希武，張洪，寧波

（1.昆明云內動力股份有限公司，云南 昆明 650200；2.濟南鑄鍛所檢驗檢測科技有限公司，山東 濟南 250399）

商用車車架是車輛的主要結構件，作為車輛裝配的基體，將車輛駕駛室、懸架系統、車橋輪系、動力系統、貨箱等連接為一個高度協同的整體，要求車架具備足夠的精度、剛度、強度和抗扭曲能力，以保證車輛相關系統部件的正確安裝，為車輛安全穩定行駛提供保障。車架主要結構由兩根縱梁和橫梁、板簧吊耳、加強件、拖鉤通過焊接、鉚接、螺栓連接而成，其中縱梁是車架的核心部件，在結構設計和生產工藝方面如何優化和適應商用車轉型升級要求是本文分析的主要內容。

1 商用車行業發展現狀分析

商用車是重要的生產物資和主要生產要素，在國民生活和物流運輸上扮演著極其重要的角色。但隨著時代的發展和科技的進步，商用車行業發展進入了新的階段，面臨的行業發展現狀如下：

（1）國內商用車市場進入下行區間。隨著交通的多元化快速發展以及經濟增速的放緩，商用車市場已從“增量競爭”轉向“存量競爭”，商用車年產銷量已連續兩年下降，市場競爭愈加激烈。

（2）節能與新能源商用車發展加速滲透。當前節能與新能源汽車逆勢大幅增長，2022 年滲透率已超過25%。在汽車碳排放總量上貢獻度占比超過50%的商用車，向節能與新能源發展是實現“雙碳”目標的重要途徑，未來商用車的發展將在純電、混合動力、燃料電池上逐步擠占傳統燃油車的份額，最終向純電和燃料電池動力轉換。

（3）消費升級和標準法規的不斷完善助推商用車向高端化、輕量化、電動化、數字化、智能化升級。

（4）行業集中度不斷提高。汽車銷量前十位的企業集團占汽車銷售總量的比例高達86.2%，隨著產業轉型升級在汽車研發能力和生產投入資金方面的門檻越來越高。

（5）市場競爭走向國際化。一方面是國家層面放開了外商投資準入政策引入國際化的汽車企業；另一方面是國內商用車市場已呈現產能過剩，促使各大汽車企業轉向海外市場尋求增長點。加速商用車國內市場和出口市場向更充分的國際化競爭發展，汽車出口量不斷攀升。

節能與新能源動力汽車產銷連創歷史新高，技術不斷成熟，是商用車轉型升級的重點發展方向。隨著商用車市場消費升級疊加市場需求下行將進一步加速行業國際化競爭，行業集中度不斷提高。

2 商用車車架縱梁結構特點與發展分析

2.1 商用車車架縱梁結構分類及參數

商用車車架縱梁以U 型梁（C 型梁）為主，縱梁截面如圖1，U 型梁底部平直段通常稱之為腹面（腹面寬度為A），兩側部分稱之為翼面（翼面高度為B）。根據縱梁截面變化的主要形式分為前段下沉直通縱梁、異形變截面縱梁（燕尾梁）、整體直通縱梁三大類，如圖2、圖3、圖4。

圖1 車架縱梁截面圖

圖2 前段下沉直通縱梁

圖3 異形變截面縱梁

圖4 整體直通縱梁

前段下沉直通縱梁和異形變截面縱梁屬于變截面U 型梁，主要應用在微卡、輕卡上。整體直通縱梁屬于等截面U 型梁，主要應用于中重卡車型。在車架縱梁強化結構方面，輕卡、微卡車架縱梁一般采用局部雙層梁或局部加強板結構，中卡車架縱梁一般采用高強等截面單層梁結構，重卡車型為了滿足重載工況一般采用整體雙層梁結構。

2.1.1 前段下沉直通縱梁

圖2 所示前段下沉直通縱梁通常用于常規輕卡的加寬加大車型，除前段高度降低外其余部分為整體直通結構，通常用于中體輕卡向寬體輕卡拓展，車架總成整體外寬通常在800mm 以上，發動機艙部分不需要額外加寬，實際應用中也可以根據需要將縱梁最前端部分車架寬度收窄以延用加寬前的駕駛室。車架縱梁腹面寬度尺寸A 在180～190mm 區間，材質采用700L 以上牌號汽車大梁鋼，鋼材厚度集中在4～4.5mm 之間。

2.1.2 異形變截面縱梁

圖3 所示異形變截面縱梁是微卡、輕卡車型中應用最為廣泛的輕量化經典結構，縱梁前后段腹面寬度收窄設計使車架更趨近于等強度設計，減少鋼材用量降低成本的同時實現整車的輕量化，提升貨物裝載量。車架總成外寬尺寸在700～800mm 區間，縱梁前段發動機艙位置通常加寬到750～850mm 范圍以提供足夠的發動機安裝空間。車架縱梁腹面寬度尺寸A 在140～180mm 范圍，材質選用610L、700L牌號汽車大梁鋼，鋼材厚度集中在4～5mm 之間。

2.1.3 整體直通縱梁

圖4 所示整體直通縱梁通常應用在重載版輕卡、中重卡等對載重能力要求較高對整車質量敏感度相對較低的車型，縱梁腹面寬度整體一致，車架整體外寬在850～920mm 之間。

重載版輕卡、中卡縱梁腹面寬度通常在190～250mm 范圍，鋼材牌號選用700L 汽車大梁鋼，鋼材厚度4.5～6mm。如圖5 所示，部分車型在車架前端采用分體式縱梁前段結構降低高度。

圖5 分體車架縱梁前段

重卡車架縱梁常用材料為7～10mm 單層梁，或者8mm+4mm、8mm+5mm 雙層梁結構，鋼材選用610L 及以上牌號汽車大梁鋼，縱梁腹面寬度通常在280～340mm 范圍。通常在車架前端需要加寬車架外寬以提供足夠的發動機安裝空間。

2.2 商用車車架縱梁結構特點分析

（1）微卡、輕卡車架縱梁前段下沉。采用整體式縱梁前段下沉結構或安裝分體式縱梁前段，該結構主要是為了降低駕駛室安裝面高度，降低整車重心，提升整車安全性和穩定性。

（2）縱梁前段腹面外擴以拓展發動機艙空間。在傳統燃油車設計時，通常在車架前段發動機艙部分外擴車架縱梁外寬尺寸，以提供足夠的空間進行發動機及相關附件的安裝。

（3）縱梁后段上翼面保持平直。商用車車架上部裝配部件為駕駛室和貨箱，車架縱梁上翼面通常保持平直狀態以保證貨箱安裝的安全可靠，采用變截面縱梁設計時縱梁腹面向上收窄，同時盡量避免在縱梁上翼面進行鉚接或螺栓連接造成貨箱安裝干涉，減少翼面孔有利于生產，提高孔位精度。

2.3 節能與新能源發展對車架縱梁結構的影響

（1）車架縱梁結構變化不大。純電動、混合動力、燃料電池商用車采用電機、電控、電池對車輛進行直接驅動或輔助驅動，保留發動機裝置的混合動力車型對發動機配置要求要低于傳統燃油車，純電動、燃料電池車型不使用傳統發動機和變速箱，因此發動機安裝空間的需求要低于傳統燃油車，電池、儲氫罐等大部件通常采用外掛形式安裝，電池安裝在車架外側前后輪之間。電動化的發展使整車動力布置更為靈活，充分釋放了車架的內部空間尺寸剛性要求，結構設計上更為簡單，車架縱梁通常延用燃油車的結構以避免車架縱梁、駕駛室改動帶來的工藝裝備投入，只需要根據安裝部件的需求相應的調整孔位和固定方式即可。

（2）縱梁材料應用向高強輕量化發展。在節能減排降碳、超載安全整治的引導下，“國六排放標準”、“輕型貨車安全技術規范”等相繼落地，超載的整治力度不斷加碼，推動商用車行業規范化發展。“大噸小標”、“十噸王”等問題得到有效管控，相關車型重載版的差異化市場受到打壓，商用車行業整體向著輕量化、規范化發展，各汽車廠家對整車重量的控制持續提升和優化。車架在整車重量的高占比亟需向高強度輕量化發展，大部分的輕卡、中卡車型縱梁鋼材牌號提升到700L 以上，微卡、重卡普遍采用610L以上牌號大梁鋼，厚度和重量相應的降低。從車架輕量化需求出發重慶大學通過分析提出了將U 型梁調整為" 口" 型梁的設計結構[1]，福田、柳汽等汽車廠也在分析和研究鋁合金材料替代方案[2-3]，但真正實現推廣應用還有待技術、工藝的進一步革新。

3 商用車車架縱梁生產工藝分析

商用車車架縱梁生產工藝要同時兼顧生產效率提升和多品種小批量生產的需求，更廣泛的應用新材料新技術以滿足市場需求提升競爭力，數控自動化技術應用廣泛普及。

國內各大鋼廠都在研發和生產高強度汽車大梁鋼并得到了大規模的使用，針對高強度鋼材的加工成形也面臨相關的工藝研究課題，比如高強鋼加工回彈量及旁彎、開裂、扭曲等問題控制分析[4-5]。但商用車車架縱梁生產工藝主要是沖壓成形和輥壓成形兩條路線[6-7]，在縱梁結構設計時要同時考慮生產工藝的可行性。

3.1 車架縱梁沖壓成形工藝路線分析

3.1.1 車架縱梁沖壓成形工藝

我國商用車制造起步相對于歐洲較晚，傳統的車架縱梁加工以金屬模具、大型壓機進行沖壓成形為主，工藝流程主要分2 種：

（1）開卷校平→切斷成大平板→剪板或切割縱梁展開料→平板制孔→大型壓機成形；

（2）開卷校平→切斷成大平板→大型剪板機縱切成條狀→大型壓機落料沖孔及成形。

車架縱梁沖壓成形需采用大噸位長臺面油壓機，根據縱梁規格，壓力機壓力通常在20000～63000 kN 范圍，加工縱梁長度通常在10m 以內。油壓成形模具長度10m 以上，主要由鑄鐵模座、凸模模芯、凹模模芯組成，如圖6 所示，模芯成形面采用Cr12MoV鑲塊，單套模具費用投入較高且無法通用。

圖6 車架縱梁沖壓成形模具剖面圖

3.1.2 車架縱梁沖壓成形工藝新技術

為了適應柔性化快速產品調整的需求，近年來采用數控技術對縱梁展開料加工工藝和沖孔工藝進行了改進優化，可實現部分工序快速產品切換調整。

（1）采用等離子切割、激光切割設備進行縱梁平面展開料外形切割。激光切割工藝的精度要遠高于等離子切割工藝，以及激光切割核心元件國產化降本進程快速推進，目前等離子切割工藝已逐步被激光切割工藝替代，激光切割工藝具備切割熱變形小、切縫小、切縫美觀光滑等優點。采用激光切割工藝可以滿足異形變截面縱梁板料不規則外形的加工，對縱梁展開料切割余料進行切割利用提高鋼材利用率，提高縱梁展開料尺寸精度的同時較剪板工藝降低勞動強度，在一定程度上消除了剪板機造成的板料變形。

（2）制孔工藝上采用數控平板沖孔設備取代搖臂鉆孔。大幅提高孔位精度降低勞動強度，能夠快速完成產品切換和調整，數控設備還可以加入沖孔檢測防錯以避免漏孔問題發生。

3.1.3 車架縱梁沖壓成形工藝特點

①工藝設備投入大，設備基礎要求較高，需要大噸位起重機配合吊裝模具；②油壓成形回彈影響因素較多，縱梁成形一致性難以控制；③油壓成形工序會造成縱梁孔位偏移及變形，孔位精度差，造成裝配困難；④柔性加工性能差，不能快速響應市場多品種、小批量需求；⑤油壓成形模具制造成本高，不能適應多變的車架結構；⑥易實現異形變截面結構縱梁成形；⑦采用激光切割和數控沖孔工藝后可實現縱梁板料尺寸和孔位柔性化調整。

3.1.4 車架縱梁沖壓成形工藝應用及發展

車架縱梁沖壓成形工藝主要用于異形變截面車架縱梁的生產，在異形變截面車架縱梁生產方面目前尚無成熟的產業化技術工藝替代。在節能、新能源、輕量化、合規化新賽道上，微卡、輕卡車架縱梁主要依賴該工藝方案，未來發展趨勢有望實現平臺化、模塊化以降低模具成本投入。

3.2 車架縱梁輥壓成形工藝路線分析

國內車架縱梁輥壓成形工藝起步較晚，是在國內重卡行業高速發展驅動下通過引進吸收歐洲先進裝備和工藝技術而逐步發展起來的[8]，國內主要的重卡生產企業都不同程度引進了歐洲的車架縱梁生產裝備，目前相關設備基本實現了國產化替代。輥壓成形技術也廣泛應用于汽車、建筑、道路交通等行業的型材成形加工。

車架縱梁輥壓成形工藝通常采用U 型縱梁輥壓成形、縱梁三面沖孔、機器人切割、縱梁腹面冷彎工藝完成車架縱梁生產制造，在縱梁成形、孔加工先后順序上與傳統的沖壓工藝不同，在等截面U 型車架縱梁生產上有較明顯的優勢，可滿足高強度汽車大梁鋼的成形要求。具體工藝流程：鋼卷縱剪為規定寬度的窄卷→U 型縱梁輥壓成形→U 型縱梁孔加工→機器人切割縱梁異形部位→數控大梁彎成形實現發動機艙部位加寬→內外縱梁拼裝。

圖7 所示是一臺國產化柔性縱梁輥壓成形設備，采用數控自動調整技術實現不同縱梁截面、不同材料厚度的車架直通縱梁快速切換生產。設備主要由鋼卷上料小車、開卷機、邊緣導向控制裝置、引料機、矯平裝置、料頭剪切機、入口導向裝置、輥壓成形機組、矯直裝置、切斷機、下料系統等部件組成，輥壓成形機組可通過電控實現上下軋輥間隙的調整適應不同料厚縱梁成形，以及控制軋輥沿軸向雙向開合調整縱梁腹面寬度，縱梁翼面高度由邊緣導向控制裝置進行控制，針對輥壓縱梁的垂直度、直線度等關鍵參數可通過手動微調進行調節，輥壓成形速度可達到12m/min。

圖7 車架縱梁輥壓成形機布置圖

輥壓成形后的縱梁采用三面數控沖孔設備、腹面沖孔設備以及人工少量補孔完成縱梁腹面、翼面孔位的加工。采用激光或等離子機器人進行局部三維切割，也可以實現縱梁孔切割，彌補大孔無法沖孔的缺陷。采用縱梁數控折彎設備完成縱梁加寬部位的折彎成形后達到裝配要求。設備采用數控技術可實現高度自動化，通過存儲程序自動完成加工。

3.2.2 車架縱梁輥壓成形工藝新技術

車架縱梁輥壓成形工藝在自動化、柔性化生產方面有著明顯的優勢，通過與數字控制技術的高度融合，有效提升縱梁的質量和精度，為后續車架總裝提供了可靠的品質保證。適應汽車廠低投入、高效利用原材料、低維護成本、高效、高精度、高柔性化生產的車架縱梁制造需求。

（1）采用電控裝置對輥壓機組的軋輥進行連續可變相對位置調整，實現不同型號的等截面縱梁共線快速換型加工，大幅降低專用輥壓生產線換模工作量和勞動強度。

（2）采用不停線縱梁切斷技術和自動長度測量技術實現縱梁輥壓的不停線生產，大幅提升生產效率。縱梁切斷通常采用鋸切和液壓剪兩種方式。

氬弧焊打底加手弧焊填充蓋面的焊接工藝，經過各專業公司多年的理論指導和實踐研發已經能夠熟練掌握，合格率高，焊接設備簡單，相對于現場的施工條件能夠更好的接受和使用。不過對于一些返修無法進行背面充氣保護的位置，就增大了氬弧焊焊接工藝的難度和易出現缺陷的幾率。對此為了能夠更好地適應現場焊接環境的多變性和不可確定性，提出使用焊條電弧焊打底的焊接工藝，并進行試驗。

（3）采用高度協同的多主機進行同步沖孔加工，提升生產效率和定位精度。針對翼面孔較少的縱梁可采用腹面沖孔設備，后續工序單獨補充加工少量翼面孔以降低設備投入。

（4）采用等離子、激光機器人對縱梁進行三維切割，適應柔性化生產并提升加工精度。

（5）采用電控裝置調節折彎模具以適應不同截面的縱梁，對折彎角度進行數字化控制和角度檢測。

（6）采用自動上下料裝置和設備間連線協調控制實現物料自動輸送和流轉，實現自動化生產。

3.2.3 車架縱梁輥壓工藝特點

①能夠與數控自動化技術高度融合實現柔性化自動化生產，目前已得到廣泛應用。更好的適應小批量、多品種、特殊多變孔位的柔性化生產需求；②在高強度鋼材輥壓成形方面具備一定的矯正能力，提升縱梁尺寸精度，在長縱梁生產上優勢明顯；③沖孔精度高，輥壓成形后沖孔工藝避免孔位拉伸變形，避免孔位基準不同造成的偏差；④生產切換響應時間快，即使是一根縱梁，也可以實現快速制造；⑤材料利用率較高；⑥在變截面縱梁生產上工藝復雜且適應性差。

3.2.4 車架縱梁輥壓成形工藝應用及發展

車架縱梁輥壓成形工藝適用于等截面車架縱梁的生產，具有較好的柔性化自動化優勢，能夠更好地適應多品種、小批量的市場訂單需求。中重卡車型基本采用等截面縱梁設計結構以充分適應縱梁輥壓工藝的優勢，節能與新能源轉型升級對中重卡縱梁結構影響不大，僅需根據部件安裝需要調整相應的孔位即可。車架縱梁輥壓成形工藝未來仍然是中重卡車架縱梁的核心工藝。

國內外針對輥壓成形工藝在變截面縱梁生產上的應用也開展了相關的研究[6、9、10]，國外DataM公司開發了3D 輥壓成形中心[6]，但輥輪設計結構和輥輪運動控制都較為復雜，真正推廣應用還有待時日。

4 商用車車架縱梁產品及工藝發展展望

4.1 車架縱梁行業痛點問題分析

（1）縱梁設計由各大汽車廠主導，缺乏相對統一的標準和規范。

（2）商用車市場競爭加劇助推汽車廠產品多而全，每家產品不一致但差異化不大，生產裝備方面重復投資。

（3）市場需求多元化，多品種小批量需求造成大量的成形模具投入。

（4）工藝裝備投入大，但產業融合度不高，生產企業多而散，造成一定的資源閑置。

4.2 車架縱梁產品及工藝發展展望

（1）產品設計向標準化、平臺化、模塊化發展。大部分汽車廠已著手推進內部平臺化和標準化設計，但企業之間的壁壘需要汽車行業和相關部門推動。江淮汽車在國六輕卡開發時采用平臺化縱梁設計，寬體、中體、窄體車型共用一套縱梁成形模具，縱梁前后段加長滿足不同系列車型需求。縱梁孔位布置等孔距設計也是各大汽車廠的共識，但目前各車廠在孔徑規格上都還尚未統一，推進行業的標準化是解決該問題的關鍵。

（2）產品設計向高強度輕量化發展。在節能降碳政策落實及道路安全整治的推動下，整車標準化合規化已成必然，勢必推動產品結構設計和材料應用向高強度輕量化方向發展。

（3）生產工藝向柔性化自動化發展。消費升級帶動客戶需求多元化，小批量多品種是市場競爭發展的趨勢，對柔性化生產能力提出了更高的要求，隨著基礎工業水平的提升，數控自動化、智能化將助力行業不斷提升柔性加工水平，并廣泛應用防錯及在線檢測技術保證產品質量。目前縱梁展開料外形和加工孔位已逐步實現柔性化生產，后續工藝柔性化的關鍵是縱梁成形。

（4）生產企業向專業化、集中化發展。車架縱梁行業集中度不高造成大量的重復投資和資源閑置，生產企業向規模化、專業化、集中化發展有助于提高競爭力和專業水平。可通過平臺化、模塊化推進成形模具的共用或者局部共用，逐步形成產品系列，提升生產效率降低成本。

5 結束語

節能和新能源發展進一步帶動汽車消費升級，但對車架縱梁的影響更多的局限于安裝孔位的調整，車架縱梁可以延用傳統燃油車結構甚而進一步減少變截面優化結構和工藝。微卡、輕卡車型主要采用變截面縱梁，適合采用傳統的壓機模具沖壓成形工藝，逐步推進平臺化、標準化、模塊化設計。中重卡車型主要采用等截面縱梁，適合采用柔性化更好的輥壓成形工藝。高強度輕量化將是未來車架縱梁產品結構設計、材料選擇和工藝開發的重點方向。