重型商用車車架輕量化技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展情況

文_周友明

重型商用車車架輕量化技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展情況

文_周友明

本文簡(jiǎn)述了重型商用車車架輕量化的意義，通過整理目前國內(nèi)車架輕量化技術(shù)的應(yīng)用情況及發(fā)展歷程，對(duì)未來5～10年重型商用車車架輕量化發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并針對(duì)車架輕量化的方法及目前的工藝瓶頸、技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，闡述了目前幾種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺問題越來越明顯，而汽車數(shù)量的增加使這些問題日益嚴(yán)重。“低碳經(jīng)濟(jì)”已成為大家關(guān)注的熱點(diǎn)。近年來，得益于國家政策的扶持和國內(nèi)市場(chǎng)的旺盛需求，我國汽車工業(yè)發(fā)展極為迅速，同時(shí)汽車也消耗了大量的不可再生能源。因此，減少能源消耗，降低制造及使用成本成為了各汽車制造廠家的重點(diǎn)研究課題。

1 商用車車架輕量化的意義

輕量化技術(shù)是提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、減少尾氣排放、節(jié)約材料消耗的有效手段。目前，我國商用車保有量占全部汽車保有量的23%左右，而燃油消耗占到所有汽車用油量的70%，其中重型商用車的耗油量又占全部商用車耗油量的70%以上。根據(jù)國外的研究數(shù)據(jù)表明，汽車整車質(zhì)量每降低100 kg，油耗可降低0.3～0.6 L/100 km；汽車整車質(zhì)量每減少10%，油耗可降低5%～8%。另外，輕量化對(duì)環(huán)保也很有好處，車輛每減輕100 kg，CO2排放量可減少約5 g/km。同時(shí)，輕量化可減少原材料消耗，降低零部件成本，增加企業(yè)的收益。因此，輕量化對(duì)于消費(fèi)者、企業(yè)以及社會(huì)環(huán)境都有著非常重要的意義。

2 商用車車架輕量化的發(fā)展歷程及趨勢(shì)

車架總成是整個(gè)汽車的基礎(chǔ)，既是承載結(jié)構(gòu)也是傳力構(gòu)件，汽車上的其他大總成，如駕駛室、油箱、電瓶框等都裝配在車架上，貨物的載荷也直接或通過副梁間接地傳遞到車架上，固定在車架上的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過變速器、傳動(dòng)軸將轉(zhuǎn)矩傳給驅(qū)動(dòng)橋，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。因此，車架的結(jié)構(gòu)性能影響著整車的正常行駛，所以車架輕量化必須在滿足一定的強(qiáng)度和剛度的條件下進(jìn)行。

對(duì)載貨汽車來說，輕量化不但減輕了自身質(zhì)量還提高了載質(zhì)量利用系數(shù)(汽車最大承載質(zhì)量與汽車整備質(zhì)量之比)，這是一個(gè)綜合衡量輕量化的系數(shù)，也是國內(nèi)外商用車設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。輕量化系數(shù)較高的車型能夠擁有更高的運(yùn)輸效率，從而降低運(yùn)輸成本，為用戶創(chuàng)造價(jià)值。

目前商用車車架縱梁及橫梁等多采用鋼板沖壓加工成槽型結(jié)構(gòu)。2000年以前，國內(nèi)各商用車主機(jī)廠在車架上采用的主要是以如Q345和16MnL等普通強(qiáng)度等級(jí)的鋼材；2000年以后，國內(nèi)各主機(jī)廠開始研發(fā)使用高強(qiáng)度鋼板。如東風(fēng)商用車在2004年開始研發(fā)使用抗拉強(qiáng)度為590 MPa級(jí)的熱軋高強(qiáng)度鋼板，2007年批量用于車架縱梁的生產(chǎn)；同時(shí)在2007年，就已經(jīng)開始了抗拉強(qiáng)度為700 MPa級(jí)熱軋高強(qiáng)度鋼板縱梁的試制工作，目前已在高端輕量化車型上采用。一汽解放在2002年開始研究使用屈服強(qiáng)度為500 MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼板用于車架縱梁及橫梁連接板等零件；2006年開始研發(fā)使用屈服強(qiáng)度為700 MPa級(jí)(抗拉強(qiáng)度為750 MPa級(jí))的高強(qiáng)度鋼板，目前已在部分輕量化車型上采用。東風(fēng)柳汽從2005年開始研發(fā)并在輕量化車型車架縱梁上應(yīng)用抗拉強(qiáng)度為590 MPa級(jí)的熱軋高強(qiáng)度鋼板，用于降低整車質(zhì)量并提高承載能力；2008年開始進(jìn)行全新的車架輕量化研究工作，擬大量采用抗拉強(qiáng)度為750 MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼板。

2010年前后，國內(nèi)各商用車主機(jī)廠家均推出了輕量化車型，如重汽豪濼2010款高速標(biāo)載型牽引車、東風(fēng)天龍2010款輕量化牽引車、解放J6高端國Ⅳ牽引車、陜汽2010款德龍F(tuán)3000輕量化牽引車等。其中重汽、解放和陜汽均對(duì)車架進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。

2012年，東風(fēng)柳汽設(shè)計(jì)推出了第1款量產(chǎn)的輕量化牽引車，其車架采用基于高強(qiáng)度材料替代的拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，通過采用750L高強(qiáng)度鋼板，由原來的雙層車架優(yōu)化為單層車架，車架質(zhì)量由原來的828 kg減少為624 kg，降重幅度達(dá)24.6%，輕量化效果非常顯著。

在重型商用車設(shè)計(jì)制造過程中，發(fā)達(dá)國家已普遍采用了屈服強(qiáng)度為700 MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼板制作車架縱梁，取消縱梁的內(nèi)加強(qiáng)板，有效減輕了車架自質(zhì)量。近幾年，國外各主機(jī)廠已經(jīng)陸續(xù)開始研究并試用屈服強(qiáng)度為800 MPa級(jí)的超高強(qiáng)度鋼板。

最新資料顯示，近20年，國外乘用車平均每10年減輕質(zhì)量8%～9%，商用車減輕質(zhì)量10%～15%。由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流，國際上平均每車每年自身質(zhì)量減輕1%，國內(nèi)自主乘用車較國外同類車自身質(zhì)量約高8%～10%，商用車約高10%～15%。因此，要達(dá)到發(fā)達(dá)國家水平，國內(nèi)各主機(jī)廠在輕量化方面還有很多工作要做。

為了提高汽車的承載質(zhì)量，降低汽車制造成本，降低油耗，減少排放。高強(qiáng)度鋼板乃至超高強(qiáng)度鋼板在國內(nèi)外商用車車架制造中的應(yīng)用越來越廣泛，同時(shí)因?yàn)殇摬膹?qiáng)度的不斷提高，車架零件的制造工藝與原來的生產(chǎn)工藝相比也會(huì)發(fā)生很大變化。隨著生產(chǎn)工藝的不斷成熟，市場(chǎng)的逐步規(guī)范，未來5～10年國內(nèi)商用車車架會(huì)大量應(yīng)用屈服強(qiáng)度在700 MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼板。

3 商用車車架輕量化的方法

汽車輕量化的主要途徑：一是采用比如高強(qiáng)度鋼板、鋁合金、鎂合金和新型復(fù)合材料等強(qiáng)度更高、質(zhì)量更輕的新型輕量化材料；二是應(yīng)用以CAE為基礎(chǔ)的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)汽車各零部件的結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)部件薄壁化、中空化、小型化以及對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)形狀變更等，以實(shí)現(xiàn)最大限度地減輕零部件的質(zhì)量。

3.1 高強(qiáng)度材料替代輕量化

采用高強(qiáng)度材料替代進(jìn)行輕量化是最簡(jiǎn)單的也是大家最容易想到的輕量化方法，它僅需將原有普通材料更換為高強(qiáng)度材料，同時(shí)減薄或減小零件尺寸，在保證強(qiáng)度等同于原結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。商用車車架因整車布置及各系統(tǒng)零部件安裝的需要，目前采用的基本是邊梁式梯形結(jié)構(gòu)車架，另外為了減少工藝生產(chǎn)難度，所以其各零部件的結(jié)構(gòu)也會(huì)設(shè)計(jì)得盡可能簡(jiǎn)單。因此在車架縱梁和車架整體結(jié)構(gòu)方面，商用車車架無法像乘用車那樣可以設(shè)計(jì)為中空或其他更有利于輕量化的結(jié)構(gòu)。更多的便是通過將車架總成上的各零部件采用高強(qiáng)度鋼板替代原來的普通鋼板進(jìn)行減薄設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輕量化。

3.2 優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)輕量化

優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化，是指在不更換原有零件的材料，通過以CAE為基礎(chǔ)的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)手段，在保證車架強(qiáng)度和剛度的前提下，對(duì)車架的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行改變，取消對(duì)車架強(qiáng)度和剛度無貢獻(xiàn)或貢獻(xiàn)小的零件，減薄或縮小尺寸實(shí)現(xiàn)輕量化。如以前的商用車車架普遍采用雙層大梁，通過優(yōu)化分析，可以設(shè)計(jì)為單層大梁，根據(jù)不同工況需要適當(dāng)對(duì)車架做局部加強(qiáng)，以保證車架總成的強(qiáng)度和剛度和原車架相當(dāng)。

采用高強(qiáng)度材料替代和通過CAE分析優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)兩種方法是目前車架輕量化采用最多、也是最有效的方法，效果也是非常明顯的。這兩種方法在實(shí)際工作中應(yīng)該是相輔相成，共同使用才能更大地挖掘出車架輕量化的空間，才能保證優(yōu)化后的車架可靠。在上述輕量化方法的基礎(chǔ)上，通過細(xì)化擴(kuò)展，借助先進(jìn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件，業(yè)界學(xué)者及汽車設(shè)計(jì)工程師們提出了很多的輕量化設(shè)計(jì)方法，開展了大量的車架輕量化設(shè)計(jì)工作，為車架的輕量化提供了大量的參考理論依據(jù)。

4 商用車車架輕量化的工藝瓶頸及技術(shù)難點(diǎn)

4.1 高強(qiáng)度鋼板的發(fā)展

目前國內(nèi)已經(jīng)批量生產(chǎn)高強(qiáng)度熱軋鋼板為700 MPa級(jí)鋼板，800 MPa級(jí)及以上強(qiáng)度的高強(qiáng)度熱軋鋼板處于小批試用階段，主要用在工程機(jī)械產(chǎn)品上，在商用車車架上暫時(shí)還無廠家試用。特別是900 MPa以上的材料金相組織為“貝氏體+馬氏體”(900 MPa以下的材料為鐵素體析出強(qiáng)化+貝氏體)，其延伸率較低，在10%左右，不適用于成型件，一般需采用焊接形式形成構(gòu)件。因目前的熱軋技術(shù)已經(jīng)基本做到極限，如果要再進(jìn)一步提高抗拉強(qiáng)度，需要進(jìn)行熱處理，這樣會(huì)導(dǎo)致鋼材成本大幅增加。隨著鋼材強(qiáng)度的提高，加工難度也會(huì)變大，對(duì)設(shè)備能力的要求也有所提高，因此需要調(diào)整設(shè)計(jì)方案和制造工藝，如設(shè)計(jì)上將零件厚度減薄。

4.2 高強(qiáng)度鋼的成型能力

(1)傳統(tǒng)的車架縱梁成型工藝。

傳統(tǒng)的車架縱梁成型工藝主要為模具沖壓成型，其具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，適用于單一品種的大批量生產(chǎn)，特別是可以進(jìn)行雙梁合壓成型。其采用的壓力機(jī)噸位較大，一般在3 000 t以上。壓力機(jī)有油壓機(jī)和機(jī)械式壓力機(jī)兩種，機(jī)械式壓力機(jī)效率高；油壓機(jī)成型過程中保壓時(shí)間比機(jī)械式壓力機(jī)稍長(zhǎng)，對(duì)比同等噸位機(jī)械式壓力機(jī)，具有成型后回彈少，質(zhì)量更穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。因此，過去通常采用的機(jī)械式壓力機(jī)逐步被油壓機(jī)所替代。圖6為亞洲最大的6 300 t機(jī)械式壓力機(jī)，圖7為5 000 t油壓機(jī)。

(2)車架縱梁的輥壓成型工藝。

輥壓成型是與模具成型完全不同的縱梁生產(chǎn)工藝，輥壓成型是輥輪在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)把縱梁帶動(dòng)向前的同時(shí)將縱梁逐步彎曲成型。其具有生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，零件長(zhǎng)度可以隨時(shí)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)的輥壓線在生產(chǎn)不同縱梁高度(即槽型寬度)時(shí)，需要更換輥輪，而更換輥輪和調(diào)試的時(shí)間較長(zhǎng)。目前國外的輥壓成型線通過伺服電機(jī)控制可在極短時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品料厚、槽寬和長(zhǎng)度等參數(shù)的設(shè)置轉(zhuǎn)換，且成型質(zhì)量穩(wěn)定，但設(shè)備非常昂貴，投入較大。如重汽采用了意大利Stam公司的輥壓線。

對(duì)于高強(qiáng)度板，采用傳統(tǒng)的成型工藝會(huì)因設(shè)備壓力問題導(dǎo)致無法采用雙梁合壓。因此傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝必須要進(jìn)行改造以滿足高強(qiáng)度板的成型能力要求，如采用輥壓成型或采用單壓工藝(即縱梁和縱梁加強(qiáng)板分別成型后再組合)。同時(shí)，沖孔和剪切設(shè)備也需要相應(yīng)升級(jí)沖頭和刀具，采用強(qiáng)度更高、耐磨性更好的材料所制作的沖頭和刀具。若采用更高強(qiáng)度的鋼板，上述工藝問題會(huì)更為嚴(yán)重，所以，車架的生產(chǎn)工藝也將會(huì)是未來幾年內(nèi)制約向更高強(qiáng)度鋼板發(fā)展的重要因素之一。

4.3 輕量化和剛度的矛盾

車架進(jìn)行輕量化的前提條件是基于強(qiáng)度和剛度條件進(jìn)行的，要滿足強(qiáng)度條件可以通過采用高強(qiáng)度鋼板實(shí)現(xiàn)，但是要實(shí)現(xiàn)剛度的不變，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改變。而一般情況下，商用車車架均是通過更改零件板厚實(shí)現(xiàn)的，而降低板厚，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致剛度的下降。而商用車車架縱梁結(jié)構(gòu)因整車布置需要，無法做大的變更，要維持剛度不變，其輕量化的效果可能就不會(huì)太大，所以輕量化和剛度是相互影響也是相互存在矛盾的。但是，對(duì)于某一款車架，其剛度在一定范圍內(nèi)也是可以適當(dāng)改變的。至于可調(diào)整的范圍有多大，剛度能允許下降到什么程度，是進(jìn)行輕量化工作中的難點(diǎn)，也是以后輕量化工作中的重點(diǎn)。

因此，輕量化是現(xiàn)代汽車工業(yè)的重點(diǎn)課題，也是汽車工業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的有力保障。