輕型商用車底盤輕量化的研究與應(yīng)用

王金元

摘要：如今，商用車已成為主要交通工具之一，底盤和車身重量的輕量化可以提高交通效率，有助于緩解環(huán)境與交通問題。在汽車制造行業(yè)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保一方面要提升汽車發(fā)動機(jī)的工作效率，達(dá)到汽油的充分燃燒；另一方面要減少汽車的整體重量，以實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。就當(dāng)前來說，汽車輕量化實(shí)現(xiàn)的有效途徑是汽車底盤的輕量化。本文以輕型商用車底盤輕量化的應(yīng)用為主題，提出了汽車底盤輕量化的方法。

關(guān)鍵詞：輕型商用車；底盤；輕量化

隨著“節(jié)能環(huán)?！痹絹碓匠蔀榱藦V泛關(guān)注的話題，輕量化也廣泛應(yīng)用到普通汽車領(lǐng)域，在提高操控性的同時(shí)還能有出色的節(jié)油表現(xiàn)。汽車輕量化是當(dāng)前汽車制造行業(yè)競相追求的目標(biāo)，其一方面可以有效降低油耗、減少車主的開支，另一方面也可以使汽車的靈活性舒適性有較大的提升。從實(shí)際應(yīng)用來看，底盤的輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑。

一、輕型商用車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。對于商用車來說最要避免的就是在還沒到使用壽命的時(shí)候出了毛?。ńY(jié)構(gòu)不合理）而不能使用了。經(jīng)常發(fā)生的結(jié)構(gòu)不合理現(xiàn)象中，極少是“ 負(fù)荷過重導(dǎo)致的損傷”，而多數(shù)都是“ 疲勞斷裂”。前者的“ 損傷” 產(chǎn)生于部件的內(nèi)部，生成原因是被動地抵御外力，也可以說是由于初應(yīng)力超過了允許值而導(dǎo)致的現(xiàn)象，所以必須增強(qiáng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部位的抗斷裂性。后者的“ 疲勞斷裂” 主要是由于局部外形的不連續(xù)性而帶來的峰值應(yīng)力所導(dǎo)致的現(xiàn)象，必須通過調(diào)整初應(yīng)力來平緩應(yīng)力承受部位的剛性變化。關(guān)于剛性，沒有什么絕對的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但在使用中總是盡可能的使其具有柔順感。為了增強(qiáng)該特性，我們必須研究以負(fù)荷點(diǎn)為初始點(diǎn)的載荷傳遞路線，這對設(shè)計(jì)能夠保證內(nèi)部剛性連續(xù)性的基本構(gòu)造很有幫助。

2、結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。近年來以有限元素法為代表的CAE 技術(shù)的發(fā)展令人屬目，它在結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用已經(jīng)變得不可或缺了。雖然如此，但目前實(shí)際使用的多數(shù)技術(shù)除了要求能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還要對設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)在壓力負(fù)荷下的反應(yīng)做出分析，并非僅止于模擬試驗(yàn)。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)開發(fā)，它的設(shè)計(jì)要求，即模擬環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)特征，是預(yù)先提供給設(shè)計(jì)者的，只需要根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以了。這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)模式，它是一種基于長年積累的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。這樣設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)，雖不能說是最穩(wěn)妥，但卻能滿足大致上的設(shè)計(jì)要求。但相比過去，對于高要求的輕量化設(shè)計(jì)就不能繼續(xù)沿用現(xiàn)有的技術(shù)了。再加上工程師的技術(shù)和技能的繼承都不是件容易的事，這些都導(dǎo)致了與傳統(tǒng)不一樣的思考方法，即結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的出現(xiàn)，并正在走向?qū)嵱没?。結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)大致可分為① 布局優(yōu)化②外形優(yōu)化③尺寸優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)的開發(fā)過程中大致按照這種順序進(jìn)行。這其中對輕量化有較大貢獻(xiàn)的，是在構(gòu)思階段能夠有效確定大致框架的布局優(yōu)化技術(shù)?，F(xiàn)在雖說尚米完全實(shí)用化，但不久將會實(shí)現(xiàn)。另一方面，確立大致框架開始到完成具體結(jié)構(gòu)制造這一階段，為了少做無用功，研制出更為合理的結(jié)構(gòu)，必須使外形和尺寸取得結(jié)構(gòu)整體上的平衡，有效地利用外形優(yōu)化技術(shù)和尺寸優(yōu)化技術(shù)。關(guān)于外形優(yōu)化，由于改變外形重新設(shè)計(jì)較為困難，所以只限于應(yīng)用在簡單外形部件的設(shè)計(jì)上，而在降低框架厚度問題上則不存在多少困難，目前該技術(shù)正在逐漸普及。

近來受到特別關(guān)注的汽車構(gòu)造特征要算是撞擊安全性了。由于受撞擊后汽車結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈改變，根據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)或是常用的有限要素法來高效開發(fā)合理的汽車結(jié)構(gòu)是比較困難的。針對該問題，近年來已在逐步采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化法。從采用的方法來說，包括有靈敏度測算法、品質(zhì)工程法、及曲面近似法等多種，借以獲取各種有用的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。但不論采用何種方法都將耗用龐大的計(jì)算機(jī)資源，所以對于像整車這樣的大模型運(yùn)算起來一般都很困難。

二、輕型商用車輕質(zhì)材料的應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)汽車底盤輕量化的直接制約因素在于材料的選取，而輕質(zhì)材料的應(yīng)用可以使汽車底盤有效實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。當(dāng)前最為常用的輕質(zhì)材料是輕質(zhì)合金材料、高強(qiáng)度鋼材料、高性能球墨鑄鐵及塑料材料等等，下面對種材料分別進(jìn)行簡述。

1、高強(qiáng)度鋼材料。在汽車制造中，高強(qiáng)度鋼是一種應(yīng)用較早的輕量化材質(zhì)，多用于前下擺臂的生產(chǎn)。當(dāng)應(yīng)用在輕量化制造時(shí)，一般采用單片鋼板沖壓成形，并且使用如FB780 等強(qiáng)度更高的材料。這可以保證在預(yù)期厚度不變的前提下減少重量，實(shí)現(xiàn)輕量化。

2、高性能球墨鑄鐵。高性能球墨鑄鐵多被使用在齒輪生產(chǎn)制造之中，較傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)出的鋼齒輪，高性能球墨鑄鐵齒輪使用起來更為安靜，重量上也較傳統(tǒng)鋼齒輪輕2% 左右。同時(shí)，高性能球墨鑄鐵齒輪的生產(chǎn)成本較以往降低約30%，大大降低了企業(yè)的成本。我們相信，隨著等溫淬火工藝的不斷成熟，高性能球墨鑄鐵會更為廣泛地使用到汽車制造之中。

3、塑料在輕型商用車上的應(yīng)用。塑料是由以非金屬為主的有機(jī)物組成，具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防振、隔音隔熱等性能，同時(shí)又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。目前，塑料大都使用在汽車的內(nèi)外飾件上，如儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護(hù)板、側(cè)圍內(nèi)襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結(jié)構(gòu)件和功能件擴(kuò)展。例如，發(fā)電機(jī)及其相關(guān)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供油系統(tǒng)等。塑料也在向制作車身覆蓋件方向發(fā)展。

4、鋁合金的應(yīng)用。鋁的密度約為鋼的1/3，是應(yīng)用最廣泛的輕量化材料，而腐蝕、高強(qiáng)度、吸能好，汽車上應(yīng)用最多的是鑄造鋁合金和變形鋁合金，汽車上應(yīng)用鋁合金技術(shù)比較成熟，主要用于車身面板、車身骨架、發(fā)動機(jī)散熱器、空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、車輪、裝飾件和懸架系統(tǒng)零件等。但是鋁合金的應(yīng)用目前也存在不少問題，成本高，加工難度高于鋼材，不易焊接等缺點(diǎn)致使鋁合金的應(yīng)用還有一定的局限性。車輪輪輞、鋁合金的油箱、變速箱殼體等，目前在輕卡上的應(yīng)用比較成熟。材料的輕量化應(yīng)用是最具降重效果的，密度足夠小輕量化效果越好，卡車的結(jié)構(gòu)材料中約8成是鐵系材料，若將其更換為比重較小的鋁合金和樹脂的話，就能在很大程度上實(shí)現(xiàn)輕量化。但這些輕質(zhì)材料的強(qiáng)度一般都較鐵系材料為差，在外形不變的條件下實(shí)行更換比較困難。因此為了保證強(qiáng)度和剛性，采用CAE技術(shù)對外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對材料疲勞強(qiáng)度的精確測算，設(shè)計(jì)出合理的外形。

5、新工藝的應(yīng)用。汽車輕量化實(shí)現(xiàn)的又一途徑是采用新工藝，如采用激光焊接、超聲波焊接等技術(shù)，減少焊接添加物以達(dá)到重量降低。另外，采用汽車領(lǐng)域的新技術(shù)，如空氣懸架、橡膠懸架等也可以有效降低汽車的重量，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。

汽車輕量化是伴隨著可持續(xù)發(fā)展理念誕生的，對于資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。同時(shí)，其還可以降低汽車企業(yè)的生產(chǎn)成本、提升利潤，減少廣大車主的油耗支出，是一項(xiàng)一舉多得的技術(shù)。我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車輕量化會更為廣泛地應(yīng)用到汽車領(lǐng)域中。當(dāng)今世界，環(huán)境的日益惡化成為擺在人類面前的重大難題，保護(hù)環(huán)境、減少有害物排放是全世界的共同目標(biāo)。汽車作為能源消耗、資源消耗及排放的大戶，降耗、減排、降重成為其技術(shù)發(fā)展的重中之重。發(fā)展汽車輕量化，中國汽車企業(yè)需要付出更多的努力。

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