高強鋼材料在輕卡車廂上的應(yīng)用

賈彩霞，陳 華，張龍柱，楊西鵬，王連軒

(河鋼集團邯鋼技術(shù)中心，河北 邯鄲 056038)

2019年5月21日，央視《焦點訪談》播出了“空車超載 輕卡不輕”節(jié)目，曝光了中國重汽、陜汽集團等汽車生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的4.5噸以下輕型貨車產(chǎn)品不符合車輛生產(chǎn)一致性管理要求的問題，輕型貨車在空載情況下的整備質(zhì)量就已經(jīng)超過了車輛的標準質(zhì)量，俗稱“大噸小標”事件。隨著央視“大噸小標”事件的曝光，藍牌輕卡面臨著無法獲取牌照的問題，藍牌輕卡的銷量出現(xiàn)斷崖式的下跌。 “大噸小標”事件曝光后，為輕卡減重成為各大主機廠迫在眉睫的工作，各大主機廠也紛紛開展超重車輛的輕量化工作。本文針對某主機廠的超重輕卡車型，從結(jié)構(gòu)和高強鋼材料兩方面對超重車輛的車廂開展了輕量化工作，有效降低了車輛的整備質(zhì)量，從而使超重車輛能夠滿足法規(guī)要求。

1 輕量化技術(shù)概述[1]

汽車輕量化技術(shù)一直是各個汽車廠家重點研究的內(nèi)容，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，它已經(jīng)取得了長足的進步。目前，實現(xiàn)汽車輕量化主要有三種途徑：1)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計；2)輕量化制造工藝；3)輕量化材料的應(yīng)用。

1.1 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計

從車身結(jié)構(gòu)方面實現(xiàn)輕量化，主要有整體車身的拓撲優(yōu)化設(shè)計、尺寸形狀再優(yōu)化。拓撲優(yōu)化為基于經(jīng)驗?zāi)繕撕瘮?shù)的宏觀優(yōu)化，尺寸形狀再優(yōu)化和材料布局優(yōu)化則為局部的調(diào)整細化。

1.2 輕量化制造工藝

傳統(tǒng)的板材連接方式如點焊，表面處理過程復雜、生產(chǎn)成本較高、生產(chǎn)效率較低，無法滿足輕量化車身對板材連接的要求。而鎖鉚連接技術(shù)在連接輕質(zhì)材料如鋁合金、鎂合金等材料上具有很大優(yōu)勢，在連接異種材質(zhì)或表面有鍍層的板料時，其優(yōu)勢更加顯著。鎖鉚連接在連接前無需預沖孔、工藝步驟簡單、生產(chǎn)效率高，在輕量化車身制造上具有廣闊的發(fā)展前景，在汽車車身連接中占據(jù)很重要的地位。

1.3 輕量化材料的應(yīng)用

輕量化材料包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金等。

高強度鋼具有強度高、質(zhì)量輕、價格低等特點，將其應(yīng)用到汽車上可以有效降低車型的整備質(zhì)量，同時還能提高汽車的安全性能。鋁合金優(yōu)勢為低密度、高輕度、高彈性、高抗沖擊性能、易著色等。鋁合金已經(jīng)成為了一種比較理想的輕量化材料，未來隨著成形技術(shù)和連接技術(shù)的發(fā)展，鋁合金的使用會越來越廣泛。鎂合金具有密度低、質(zhì)量輕、比強度優(yōu)于鋁合金和鋼等優(yōu)勢，但由于其高溫疲勞性能較差和抗蠕變能力弱，限制了其在汽車上的應(yīng)用。

結(jié)合商用車的強度和剛度性能，以及生產(chǎn)制造過程中的成本控制、材料的價格等因素，高強鋼材料成為廣大商用車制造廠的首選材料[2]。

2 輕量化技術(shù)應(yīng)用

某款商用輕卡車廂如圖1所示，車廂自重580 kg，最大載重量為7 t，車廂材料主要使用Q235，車廂地板厚度2.5 mm，側(cè)圍擋板厚度1.8 mm，客戶存在強烈的輕量化需求。結(jié)合輕量化方法對車廂進行減重，一方面對車廂橫梁和縱梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；另一方面使用高強鋼材料HC980FG替換原先的普材Q235，并將料厚減薄以達到減重的目的。

圖1 某款商用輕卡車廂Fig.1 The Compartment of a Commercial Light Truck

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原車廂橫梁和縱梁結(jié)構(gòu)采用槽鋼的形式，如圖2，最厚的地方達到10 mm。使用矩形結(jié)構(gòu)后，如圖3，厚度降低到2.5 mm，實現(xiàn)減重30 kg左右。對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的大梁進行剛度分析[3]，如圖4，結(jié)果表明能夠滿足使用要求。

圖2 槽鋼 圖3 矩管Fig.2 Channel Steel Fig.3 Rectangular tube

圖4 剛度分析Fig.4 Stiffness analysis

2.2 高強鋼材料替換

高強鋼材料具有強度高，質(zhì)量輕的特點，是現(xiàn)階段運用最為廣泛的輕量化材料。該車型車廂的原始材料主要采用Q235，屈服強度在250 MPa左右，高強鋼HC980FG材料的屈服在1000 MPa左右，使用高強鋼材料代替普材，并將零件厚度進行減薄以實現(xiàn)輕量化的目的，設(shè)計經(jīng)驗公式為[4]：

(1)

式中：t2-高強鋼的板材厚度，mm；

t1-普材的板材厚度,mm；

ReL1-普材的板材屈服強度，MPa；

ReL2-高強鋼的屈服強度，MPa。

根據(jù)公式計算的高強鋼材料的零件厚度如表1所示：

表1 輕量化方案

通過輕量化設(shè)計后，該車型車廂的質(zhì)量降低了157 kg，減重達到27%。在對車廂進行輕量化設(shè)計后，需要對車廂進行耐沖擊、強度和剛度分析[5]以驗證輕量化后車廂的整體安全性能，如圖5-7。

圖5 耐沖擊分析Fig.5 Impact resistance analysis

圖7 強度分析Fig.7 Intensity analysis

工況一：地板耐沖擊分析

為模擬車廂在裝載礦石時對地板的沖擊作用，使用直徑為20 cm的小球以7 m/s的速度對地板進行沖擊，小球密度900 kg/m3，質(zhì)量為3.75 kg，地板受到的最大應(yīng)力值為974 MPa，未超過材料的最大屈服應(yīng)力，不會產(chǎn)生塑性凹坑。

工況二：剛度和強度分析

當車廂滿載礦石時，車廂受到的載荷使用靜水壓力模型來模擬，擋板上端壓力為0，擋板下端和地板受到的壓力最大，最大載荷為：

(2)

式中：M-車廂的最大載貨質(zhì)量，單位t；

S-車廂地板的投影面積，單位m2。

經(jīng)過計算，車廂的最大變形發(fā)生在擋板的中間位置(如圖6所示)，變形量為29 mm，最大應(yīng)力為943 MPa，未超過材料的最大屈服應(yīng)力，不會產(chǎn)生塑性變形。

圖6 剛度分析Fig.6 Stiffness analysis

經(jīng)過以上分析，輕量化設(shè)計方案車廂能夠滿足設(shè)計要求，地板在使用過程中不會產(chǎn)生塑性凹坑，車廂邊板也不會產(chǎn)生較大的塑性變形，并順利通過客戶的實車試驗，在實際使用中得到用戶的一致好評。

3 結(jié)語

隨著“大噸小標”事件的曝光，會有越來越多的主機廠對輕卡車型進行輕量化設(shè)計，通過對車型進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和高強鋼材料替換，有效降低了車輛的整備質(zhì)量，并對車廂輕量化前后進行了CAE分析對比，結(jié)合車廂試驗結(jié)果，驗證了輕量化車廂的可行性，輕量化方案得到了用戶的認可，實現(xiàn)了高強鋼材料在輕卡車廂上的應(yīng)用。