商用車車身內(nèi)外飾輕量化設(shè)計(jì)的探討

孫雪 岳本朋

摘 要：在整個(gè)汽車領(lǐng)域，對(duì)于在汽車能源消耗中占絕對(duì)主導(dǎo)的商用車來(lái)說(shuō)，減輕自重，降低油耗，對(duì)于我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展來(lái)說(shuō)更加迫切。對(duì)貨運(yùn)與物流分析，降低燃油消耗量成為節(jié)能減排的關(guān)鍵。因此實(shí)現(xiàn)商用車輕量化、降低燃油消耗、增加載質(zhì)量、提高運(yùn)輸效率對(duì)我國(guó)貨運(yùn)與物流行業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本文將從商用車車身內(nèi)外飾方面，探析目前車身及附件層面的輕量化的方法及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：輕量化;車身;內(nèi)外飾;法規(guī);標(biāo)準(zhǔn)

1 商用車輕量化意義&趨勢(shì)

1.1 商用車輕量化實(shí)施的意義

隨著國(guó)家、行業(yè)等關(guān)于商用車超載超限整治力度，維護(hù)運(yùn)輸物流行業(yè)的健康可持續(xù)性發(fā)展，在目前的特有的貨運(yùn)環(huán)境下，所有的高速公路都實(shí)施計(jì)重收費(fèi)，按軸荷計(jì)重等舉措，加上近年來(lái)更為嚴(yán)格的超載治理，當(dāng)下如何既能提高載貨量，又能降低成本，只有不斷降低整車的裝備質(zhì)量上想辦法。

分析汽車輕量化與燃油消耗的關(guān)系，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率主要消耗在克服汽車行駛阻力上，汽車行駛阻力由空氣阻力、滾動(dòng)阻力、加速阻力和爬坡阻力等組成。空氣阻力主要與車身的形狀、迎風(fēng)面積等有關(guān)，特別在高速行駛時(shí)關(guān)系更大，但它與整車的總質(zhì)量無(wú)關(guān);而除空氣阻力以外的滾動(dòng)阻力、加速阻力和爬坡阻力均與整車的總質(zhì)量成正比，所以減輕自質(zhì)量，是減少上述三種阻力的重要因素，也是降低燃油消耗的有效措施。根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)資料計(jì)算，車輛減輕自質(zhì)量10%，可降低油耗6%～8%。對(duì)載貨汽車來(lái)說(shuō)，減輕自質(zhì)量還提高了有效載質(zhì)量，即增加了質(zhì)量利用系數(shù)，從而提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本，這相對(duì)來(lái)說(shuō)也是降低了燃油費(fèi)用。

1.2 商用車輕量化的趨勢(shì)

商用車輕量化是建設(shè)節(jié)約型社會(huì)和可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，車身及內(nèi)外飾作為整車輕量化的主要組成部分。內(nèi)外飾的輕量化技術(shù)隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，輕量化設(shè)計(jì)思維逐步得到重視和應(yīng)用。減輕整備質(zhì)量而不影響汽車的強(qiáng)度、功能和安全性是內(nèi)外飾輕量化的實(shí)施原則。在確保穩(wěn)定提升車身性能的基礎(chǔ)上，持續(xù)優(yōu)化車身內(nèi)外飾部件的材料、結(jié)構(gòu)、工藝，模擬分析、拓?fù)鋬?yōu)化，內(nèi)外飾設(shè)計(jì)會(huì)更傾向于環(huán)保性、安全性、節(jié)能型、智能性。設(shè)計(jì)過(guò)程中注重通用化、模塊化、綠色設(shè)計(jì)的原則，運(yùn)用新技術(shù)、新工藝、新材料是目前階段車身內(nèi)外飾件的設(shè)計(jì)和趨勢(shì)主要思路。

2 商用車內(nèi)外飾輕量化途徑

2.1 目前商用車車身件輕量化實(shí)施的環(huán)境分析

商用車的車身外飾件輕量化，就是通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化或應(yīng)用新材料和新工藝，達(dá)到降低整車質(zhì)量，而不影響汽車基本性能的一種設(shè)計(jì)方法。因商用車的使用工況的不確定性，加大了性能分析的難度，在高達(dá)3-4倍空滿載荷重比;路況的復(fù)雜性;氣候的差異性;用戶的文化差異;連續(xù)行駛的高負(fù)荷性等等都影響了輕量化設(shè)計(jì)的難度。

2.2 商用車內(nèi)外飾件輕量化的應(yīng)用途徑

輕量化材料應(yīng)用;內(nèi)外飾件支架類的高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料運(yùn)用;內(nèi)外飾件高強(qiáng)度材料、復(fù)合材料、三明治或蜂窩板夾層材料、低密度材料的應(yīng)用。例如：目前中重卡外飾件的大量使用的SMC片狀熱固成型的材料，有原密度1.8-1.9改為使用1.5左右的密度片狀材料，在通過(guò)配合結(jié)構(gòu)采用可變厚度的成型工藝，可以有效的降低零部件重量，在滿足零件理論的剛度、強(qiáng)度工況下，減重可以達(dá)到8～10%左右。目前很多主機(jī)廠已經(jīng)進(jìn)行小批量的運(yùn)用，取得了良好的效果。

優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)外飾骨架的設(shè)計(jì)基于CAE分析進(jìn)行內(nèi)外飾零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。能提高新產(chǎn)品研發(fā)的效率和產(chǎn)品的性能，降低新產(chǎn)品研發(fā)的成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，選擇合理結(jié)構(gòu)和厚度，從而實(shí)現(xiàn)減重。車身內(nèi)外飾件選擇多種工藝路線的運(yùn)用，如：外飾件使用傳統(tǒng)的SMC材料改為使用可變厚度輕質(zhì)SMC材料、RIM-DCPD材料、氣輔注塑、碳纖維復(fù)合材料、玻纖及其他纖維復(fù)合材料等。內(nèi)飾零件如使用輕質(zhì)RTM材料、發(fā)泡成型材料、可變厚度的材料、蜂窩板、三明治板材形成的運(yùn)用等等。支架類采用鋁合金、玻纖強(qiáng)化高分子聚合材料;鈑金支架等支撐結(jié)構(gòu)連接逐步推廣使用激光焊接、摩擦焊、膠粘、鉚接、結(jié)構(gòu)膠、發(fā)泡硬化材料的使用等等，都是目前成熟的運(yùn)用主要方法。

3 商用車車身內(nèi)外飾的輕量化應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 一款商用車車身外飾輕量化應(yīng)用

以下是某車型的一款踏步裝置的輕量化應(yīng)用案例，根據(jù)該零部件的使用需求及用途，在保證正常使用功能而進(jìn)行適當(dāng)?shù)妮p量化設(shè)計(jì)。信息如下：

3.2 輕量化前的參數(shù)

3.3 輕量化后的參數(shù)

3.4 基于CAE的踏步裝置的輕量化后的靜強(qiáng)度及工況

基于HyperMesh進(jìn)行前處理;OptiStruct求解器進(jìn)行強(qiáng)度分析，使用HyperView進(jìn)行后處理的分析結(jié)果：

約束：按“左前123，右前13，左后3，右后3”約束白車身四個(gè)懸置的自由度載荷。

環(huán)境輸入：

工況1，極限工況，踏步踩踏位置施加負(fù)Z向2050N，負(fù)Y向1140N;

工況2，上車工況，踏步踩踏位置YZ平面內(nèi)，與Z軸夾角18°方向施加負(fù)1500N。

模態(tài)：踏步裝置的安裝模態(tài)分析為右側(cè)安裝的踏步狀態(tài)，約束白車身四個(gè)懸置全部自由度，計(jì)算50Hz內(nèi)的上車踏步整體狀態(tài)。

3.5 分析結(jié)果

3.6 分析結(jié)果匯總

優(yōu)化后的各部件最大應(yīng)力峰值：

踏步裝置輕量化后的整體工況分析：

踏步裝置優(yōu)化前后的強(qiáng)度對(duì)比：

結(jié)論：通過(guò)輕量化后的上車工況、極限工況的剛強(qiáng)度等，輕量化后的踏步滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。踏步裝置減重3.15kg，成本基本不增加的情況下實(shí)現(xiàn)重量降低。

4 商用車車身內(nèi)外飾輕量化目前階段面臨的問(wèn)題

輕量化制造技術(shù)的發(fā)展過(guò)程不盡相同，但是實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)只有一個(gè)，就是輕量化，并保證安全性，實(shí)現(xiàn)成本和效益的最佳化。內(nèi)外飾件輕量化面臨的主要問(wèn)題是技術(shù)瓶頸和成本壓力;例如玻纖填充的復(fù)合材料支架類的運(yùn)用，飾件裝置減重高達(dá)40～50%，但是成本增加50%，現(xiàn)狀：鈑金支架較為常用，鑄鋁件、纖維填充注塑材質(zhì)的支架可以互換，能夠隨時(shí)可實(shí)施。

外飾件SMC材質(zhì)中的玻纖材質(zhì)更換采用碳纖維，強(qiáng)度是2.5倍/-3倍，密度能減少1/3。但是工藝復(fù)雜：需要約30道工序。另外外觀件材料品質(zhì)的穩(wěn)定性、加工技術(shù)及制造體系的穩(wěn)定性都無(wú)法比現(xiàn)有工藝作比較。SMC等熱固性的材料、纖維填充材質(zhì)在可降解、可回收、環(huán)保等面臨更大的挑戰(zhàn)。另外如何推動(dòng)材料、工藝與設(shè)計(jì)三者之間的高效溝通等等，都是主機(jī)廠、供應(yīng)商、原材料等等進(jìn)行協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)與配合。因此在輕量化實(shí)施的路途上，需要汽車主機(jī)廠+零部件供應(yīng)商+材料供應(yīng)商聯(lián)合起來(lái)，共同研發(fā)、共同制造，共同為我國(guó)的商用車內(nèi)外飾的輕量化工作貢獻(xiàn)力量！

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