基于重型商用車的輕量化技術(shù)研究

張婷婷 許彪 張杰 劉源泉

摘 要：輕量化技術(shù)對于重型商用車有著非常重要的意義，是實現(xiàn)節(jié)能減排技術(shù)的重要方法，同時可以提升品牌在行業(yè)的競爭力，提升整車經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性 ，實現(xiàn)用戶和企業(yè)“雙贏”。文章主要從重型商用車輕量化概念以及方法，并以車架、車輪、前伸梁、懸架、貨箱為例，闡述了輕量化在重型商用車上的發(fā)展與應(yīng)用，為整車輕量化提供一定參考價值。

關(guān)鍵詞：重型商用車;輕量化;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;工藝優(yōu)化

中圖分類號：U466 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-110-03

Research on Lightweight Technology Based on Duty commercial Vehicle

Zhang Tingting1， Xu Biao2， Zhang Jie1， Liu Yuanquan1

（1.Shaanxi Automobile Group Co.， Ltd， Shaanxi Xian 710200;

2.Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.， Ltd， Shaanxi Xian 710200）

Abstract： Lightweight technology is of great significance to heavy commercial vehicles， and it is an important method to realize energy saving and emission reduction technology. At the same time， it can enhance the competitiveness of brands in the industry， enhance the economy and environmental protection of the whole vehicle， and achieve a win-win situation between users and enterprises. In this paper， the concept and method of lightweight are adopted in heavy commercial vehicles， and taking the lightweight of frame， wheel， front extension beam， suspension and container as an example， the development and application of lightweight in heavy commercial vehicles are expounded， which provides a definite reference value for the lightweight of the whole vehicle.

Keywords： Heavy commercial vehicle; Lightweight; Structural optimization; Process optimization

CLC NO.： U466 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-110-03

引言

節(jié)能、環(huán)保、安全是當(dāng)今世界汽車業(yè)關(guān)注的主要話題，我國石油進(jìn)口依賴度增加，能源、環(huán)保壓力不斷增大，作為能源消耗大戶的商用車行業(yè)備受關(guān)注。目前商用車保有量僅占汽車總保有量的20%～25%，但油耗卻占汽車總油耗的50%～70%。如何設(shè)計制造出安全、節(jié)能、環(huán)保的汽車是當(dāng)今汽車制造的重點方向。研究表明，當(dāng)車輛的整備質(zhì)量每減少100kg，可使百公里油耗降低0.3～0.5L/（100km），溫室氣體CO2排放降低8～11g/（100km），加速性能提升8%～10%，制動距離縮短2～7m[1-2]。因此輕量化成為提高節(jié)能、環(huán)保、安全性能的有效途徑，其研究具有重要意義。目前商用車生產(chǎn)企業(yè)是國內(nèi)研究輕量化技術(shù)的主要單位之一，其中重卡輕量化效果和幅度較大。

1 商用車輕量化的概念

汽車輕量化指滿足原有的行駛安全性、可靠性、耐久性、舒適性等要求與成本控制條件下，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、材料技術(shù)與制造技術(shù)集成應(yīng)用所實現(xiàn)的減重。決不能以犧牲整車性能為代價，相反，還應(yīng)使整車性能得到加強(qiáng)。同時要滿足國家法規(guī)要求，要想滿足超載運輸，就談不上輕量化。其意義在于提高運輸效率、提升燃油利用率、減少資源消耗。

2 商用車輕量化方法

商用車主要采用的輕量化措施分為四個方面：結(jié)構(gòu)優(yōu)化、集成化設(shè)計、材料輕量化、工藝輕量化。

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法已普遍應(yīng)用到汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要集中在利用有限元和優(yōu)化設(shè)計方式對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析和設(shè)計。常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法有尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化。

2.2 集成化設(shè)計

通過減少冗余的零部件，進(jìn)行跨功能整合，實現(xiàn)輕量化。如商用車上對懸架、發(fā)動機(jī)、車橋等總成進(jìn)行集成化設(shè)計。

2.3 材料輕量化

輕量化材料目前以高強(qiáng)鋼、鋁和鎂合金、復(fù)合材料等為主要選擇[3]。

2.3.1 高強(qiáng)鋼

高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度是低碳鋼的5倍，具有價格低、經(jīng)濟(jì)性好、性能優(yōu)越的優(yōu)點，但塑性相對較差。在等載荷、等強(qiáng)度設(shè)計條件下，應(yīng)用高強(qiáng)鋼可減小料厚、減輕質(zhì)量，提高車體抗凹陷性、耐久強(qiáng)度和大變形沖擊強(qiáng)度，是汽車輕量化的關(guān)鍵材料之一。重型商用車上主流的高強(qiáng)鋼指650L、700L等，可用于車架上的沖壓件及輥壓件[4]。目前國內(nèi)外均在加速高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼在汽車各總成上的應(yīng)用。

2.3.2 鋁鎂合金

鋁的密度約為鋼材的l/3，鋁中加入一種或幾種元素后即構(gòu)成鋁合金，每使用1kg鋁合金，可使汽車降重2.25kg[5]，鋁合金具有良好的耐腐蝕性和延展性，在汽車行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。如薄壁鑄造鋁合金、壓鑄鋁合金、鋁型材廣泛應(yīng)用于商用車的支架、框架、梁架、殼體等。

鎂目前是工業(yè)應(yīng)用材料中最輕的一種金屬，鎂合金的比強(qiáng)度和比剛度高，資源豐富。當(dāng)前鎂合金高壓鑄造工藝制備的轉(zhuǎn)向柱支架、方向盤及儀表板骨架已在汽車行業(yè)得到應(yīng)用。

2.3.3 碳纖維復(fù)合材料和塑料

碳纖維復(fù)合材料密度低、比強(qiáng)度高、比模量大、抗腐蝕性強(qiáng)、耐久性和抗沖擊性能好，隔聲降噪，材料性能具有可設(shè)計性，其性能許多金屬材料無法比擬。輕量化效果明顯，但大規(guī)模推廣的工藝性和成本問題有待進(jìn)一步解決[6-7]。

塑料作為高性能的輕質(zhì)材料，工藝制作成本低，易成型、涂色、修復(fù)，抗扭曲和變形性好。設(shè)計上可使多個部件合成一體，增強(qiáng)功能，降低成本。同時便于廢物回收和再循環(huán)使用，越來越多的應(yīng)用在汽車上[3]。常見的零部件有塑料加油口蓋、塑料水箱前端模塊、塑料翼子板和擋泥板等。

2.4 輕量化工藝

2.4.1 先進(jìn)的制造技術(shù)

熱成型工藝：該技術(shù)已經(jīng)非常成熟，國內(nèi)供應(yīng)商資源豐富，商用車上也逐漸廣泛應(yīng)用，成本已降低到15元/kg。其中變料厚熱成型技術(shù)，設(shè)計靈活性高，多區(qū)域厚度光滑過度，有利于碰撞吸能，避免應(yīng)力突變。

內(nèi)高壓成型：應(yīng)用于各類管件、管狀支撐件、熱脹型驅(qū)動橋殼體等。可降低鋼管壁厚，增加壓型，提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。商用車底盤上分布著眾多管狀零件，如排氣管，他們的傳統(tǒng)成型工藝為彎曲拼焊成型，焊縫多、表面質(zhì)量差，不能滿足重卡高端車型的整車外觀要求。無焊縫耐高壓成型工藝是內(nèi)高壓沖壓成型，不存在薄壁管彎曲起皺工藝缺陷，且能保證圖紙尺寸要求，適合批量生產(chǎn)。該工藝可使管壁厚度減小0.5mm，同時提高表面質(zhì)量。

輥壓技術(shù)：通過高性能級別材料輥壓件的應(yīng)用，可減少零件數(shù)。應(yīng)用于地板邊梁、縱梁、加強(qiáng)梁、門框等。

2.4.2 連接工藝

激光拼焊：技術(shù)成熟、成本較低，可實現(xiàn)同種牌號不同規(guī)格、及不同牌號不同規(guī)格零件拼焊。國內(nèi)商用車車門、側(cè)圍、地板、縱梁已經(jīng)采用。

自沖鉚接：是一種快速連接兩層或者多層板材的冷成型工藝，相對傳統(tǒng)連接工藝有如下優(yōu)勢：

（1）可連接無法焊接或焊接性差的材料;

（2）可連接異種材質(zhì)的板材;

（3）對鍍層的損壞比較小;

（4）鉚接過程簡單、無需對被鉚件進(jìn)行預(yù)沖孔;

（5）無煙塵產(chǎn)生、低噪音等。

3 重型商用車輕量化具體應(yīng)用

3.1 車架總成

車架是整車承載受力主要部分，縱梁可使用高強(qiáng)鋼，已達(dá)到取消內(nèi)加強(qiáng)板、改為單層梁或減小縱梁腹面寬度等結(jié)構(gòu)設(shè)計。車架槽型橫梁可優(yōu)化為管式鑄造梁，尾梁和橫梁可采用鋁合金材料。在整車總布置時要合理規(guī)劃軸距，不宜過大。

3.2 車輪總成

重型商用車后橋每個車軸兩側(cè)多為雙胎，以6×4牽引車為例，整車裝有10個輪胎，因而輪胎在整車輕量化中占有一定分值。如采用真空胎每條可降重20kg，也可嘗試將目前普遍使用的雙胎更換為大單胎。在車輪方面，傳統(tǒng)重卡大多采用鋼制車輪，較重，采用鋁合金輪輞是有效的輕量化措施。同時對輪輻通風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化，單個輪輻減重不多，但整車降重及降成本并不少。

3.3 前伸梁

前伸梁是底盤上復(fù)雜的系統(tǒng)，集成了冷卻系統(tǒng)固定支架、駕駛室前懸置、轉(zhuǎn)向機(jī)、前下防護(hù)、保險杠、上車踏步、駕駛室翻轉(zhuǎn)缸等功能實現(xiàn)。通過CAE分析軟件進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化和應(yīng)力狀態(tài)分析，結(jié)合使用高拉伸強(qiáng)度和卓越延展性材料，進(jìn)行集成化設(shè)計，可降重和提高裝配效率。

3.4 懸架系統(tǒng)

空氣懸架具有優(yōu)越減震性、行駛穩(wěn)定性，較傳統(tǒng)板簧懸架價格貴，可根據(jù)用戶需求嘗試在一些車輛上選裝。傳統(tǒng)板簧懸架多為等截面、前后多片，重量較重，如采用少片變截面結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)，不但減輕重量，還可提高舒適性。

3.5 貨箱

傳統(tǒng)貨箱蒙皮和地板多為鐵瓦楞板，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響貨運效率。對貨箱結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行輕量化設(shè)計，可降重120kg左右。同時貨箱蒙皮可考慮采用鋁合金或熱塑性PP蜂窩板、貨箱地板采用鋁花紋板。而對自卸車貨箱采用高強(qiáng)度鋼板、前頂液壓舉升機(jī)構(gòu)、U型貨箱及動力密封篷布蓋，可降低20%～40%的上裝質(zhì)量。

輕量化設(shè)計是一個伴隨整車開發(fā)流程的系統(tǒng)性和連續(xù)性工作，在全生命周期都應(yīng)保留這種理念。重型卡車很多總成都可進(jìn)行輕量化設(shè)計，如通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化對轉(zhuǎn)向軸冗余結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重，散熱器護(hù)風(fēng)罩由鐵質(zhì)材料改為塑料，轉(zhuǎn)向軸和驅(qū)動橋制動器采用盤式結(jié)構(gòu)替代鼓式結(jié)構(gòu)等。

4 展望

當(dāng)今卡車市場競爭日趨激烈，伴隨著節(jié)能減排、綠色環(huán)保政策的實施，車聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，用戶用車?yán)砟畹霓D(zhuǎn)變，輕量化的商用車，特別是輕量化重型運輸車正得到越來越多用戶的青睞，商用車的輕量化勢在必行。未來輕量化將是零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、新材料供應(yīng)和生產(chǎn)制造工藝等方面的共同努力，不是某一方面的單一應(yīng)用。我國商用車輕量化現(xiàn)狀與發(fā)達(dá)國家相比，還存在一定差距，只有行業(yè)共同努力才能使輕量化技術(shù)登上嶄新臺階。

參考文獻(xiàn)

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