輕型廂式貨車貨廂面板材料輕量化選材優(yōu)化設(shè)計(jì)

段瑛濤 王智文 栗娜 孫壘 尚紅波 馬治國

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

1 前言

GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外輪廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》對商用車的質(zhì)量提出了明確要求，但是輕型廂式貨車在過去很長時(shí)間內(nèi)，商用車超重的現(xiàn)象屢見不鮮，對于道路安全、承載運(yùn)力等方面均造成了較大的影響，減重需求已經(jīng)迫在眉睫。

貨廂作為輕型廂式貨車的重要組成部分，在整車上的質(zhì)量占比超過20%，其輕量化水平將在很大程度上決定了車輛能否滿足法規(guī)要求。貨廂面板是貨廂的主要覆蓋件，占比可達(dá)到貨廂質(zhì)量的45%~60%，是貨廂輕量化的重要途徑。

但是，由于國內(nèi)主機(jī)廠對于貨廂輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)注度較低，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的流程體系；而面板材料的種類眾多，包括鋼板、鋁板、玻璃鋼板、蜂窩板[1-5]、輕木板[6]等。只有制定了合理的選材和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，才能進(jìn)行有效的貨廂開發(fā)和驗(yàn)證。

針對常用的貨廂面板材料進(jìn)行了細(xì)致的對比分析，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了面板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了面板減重60%，成本上升低于10元/kg的技術(shù)目標(biāo)。設(shè)計(jì)結(jié)果已搭載某輕型廂式貨車車型，完成了疲勞臺架驗(yàn)證和7 000 km道路可靠性驗(yàn)證（相當(dāng)于實(shí)際路況26萬km）。

2 輕型廂式貨車貨廂輕量化目標(biāo)定

2.1 輕型廂式貨車貨廂質(zhì)量、成本目標(biāo)設(shè)計(jì)

根據(jù)法規(guī)要求，基于某輕型廂式貨車車型的質(zhì)量分解目標(biāo)，其貨廂的目標(biāo)質(zhì)量為不大于400 kg，相對于傳統(tǒng)瓦楞板貨廂的900 kg質(zhì)量，減重率為55%；在此基礎(chǔ)上，對面板材料提出了減重率大于60%的設(shè)計(jì)要求，設(shè)定了面板材料質(zhì)量目標(biāo)為210 kg，減重率為61.1%。

同時(shí)，在市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)整車綜合成本的平衡要求，要求單公斤減重所帶來的成本提升不應(yīng)超過10元，因此貨廂面板的成本目標(biāo)為不大于7 800元/件。

材料的質(zhì)量及成本目標(biāo)如表1所示。

表1 貨廂質(zhì)量目標(biāo)分解表

2.2 輕型廂式貨車貨廂性能目標(biāo)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目搭載的輕型廂式貨車車型貨廂如圖1所示，貨廂箱體的尺寸要求“長×寬×高”為4 140 mm×2 100 mm×2 100 mm。

圖1 輕型廂式貨車貨廂示意圖

同時(shí)，在模擬滿載4 t貨物的加載條件下，針對貨廂10個(gè)典型工況，均要求面板材料不能發(fā)生破壞，最大變形量不能超出許用值。

典型工況及面板要求如表2所示。

表2 貨廂典型工況對面板的要求

3 面板材料對比分析

貨廂面板由地板、前圍板、側(cè)圍板、門板、頂板等組成，如圖2所示。

圖2 貨廂面板組成

貨廂面板材料的種類眾多。按照材質(zhì)進(jìn)行劃分，可分為鋼板、鋁板、復(fù)合材料板、木質(zhì)板等；按照結(jié)構(gòu)形式劃分，又可分為平板、瓦楞板、花紋板、蜂窩板、三明治板等。不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，均會對材料的性能和質(zhì)量產(chǎn)生巨大影響。

根據(jù)貨廂在使用過程中的受力情況，地板主要起到對貨物的承載和支撐作用，分擔(dān)的載荷較大，因此需要較高的結(jié)構(gòu)剛度；圍板、頂板、門板等結(jié)構(gòu)主要起到對貨物的隔檔作用，并在加減速、轉(zhuǎn)彎、過檻等特定工況下起到一定的承載作用，其結(jié)構(gòu)剛度可適當(dāng)降低。

以前圍板為例，在極端工況下，前圍板的應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 前制動(dòng)工況下前圍板應(yīng)力云圖

在滿足工況性能需求的情況下，對不同面板材料的面密度進(jìn)行了對比，如圖4所示。從圖中可以看到，與傳統(tǒng)瓦楞鋼板相比，除聚丙烯（Polypro?pylene，PP）蜂窩板和輕木板外，其他材料的減重幅度只能達(dá)到30%~40%，與60%的目標(biāo)要求相差較大，無法滿足目標(biāo)要求。

圖4 不同板材面密度對比

從表3可以看到，PP蜂窩板質(zhì)量更輕、價(jià)格較低，因此可作為貨廂面板的首選用材。

表3 PP蜂窩板與輕木板對比

但是，PP蜂窩板的抗壓性能相對較低，在作為底板面板使用時(shí)，無法滿足過坑等工況的承載要求。在表2所示的10個(gè)工況中可以看到，工況8~10對地板的承載要求顯著提升。對各個(gè)工況的壓應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖5～7所示。

圖5 單側(cè)過坑工況壓應(yīng)力云圖

從分析結(jié)果可知，典型工況下，地板的壓應(yīng)力指標(biāo)為3.36~5.58 MPa，如表4所示。而從圖8的分析結(jié)果可以看到，PP蜂窩板的抗壓強(qiáng)度僅為2.9 MPa，顯然無法滿足安全要求，因此需要使用抗壓強(qiáng)度更高的輕木板進(jìn)行替代。

圖6 單側(cè)過包工況壓應(yīng)力云圖

圖7 前制動(dòng)+過包工況壓應(yīng)力云圖

表4 典型工況下的地板承載要求

圖8 PP蜂窩板與輕木性能對比

4 PP蜂窩板優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過面板對比分析，選定了PP蜂窩板和輕木板作為貨廂面板和地板的用材。但是，與61.1%的減重目標(biāo)相比，實(shí)際的減重率僅為58%左右，尚未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此需要進(jìn)行進(jìn)一步的質(zhì)量優(yōu)化。

PP蜂窩板的組成如圖9所示，其質(zhì)量由上下蒙皮、蜂窩芯、蒙皮與蜂窩芯之間的膠層構(gòu)成。

圖9 PP蜂窩板結(jié)構(gòu)組成

從表5可以看到，在蜂窩芯結(jié)構(gòu)不變的情況下，可通過調(diào)整蒙皮組成和膠層厚度進(jìn)行質(zhì)量控制。對于PP芯材體系，將蒙皮樹脂替換為熱塑性PP后，不僅可以降低蒙皮的面密度（見表6），還可以通過熱熔的方式與蜂窩芯粘合，取消了結(jié)構(gòu)膠，進(jìn)一步降低蜂窩板的質(zhì)量。

表5 PP蜂窩板質(zhì)量分析

表6 不同樹脂密度對比

在更換為熱塑性蒙皮體系的同時(shí)，還針對蜂窩芯的孔徑、高度等參數(shù)對性能的影響開展了對比分析。

從圖10可以看到，隨著面板蜂窩孔徑的增大，面板的抗壓剛度保持不變，但抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)顯著下降；與此同時(shí)，圖11曲線表明，材料的抗剪切性能表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。

圖10 不同孔徑蜂窩板壓應(yīng)力-應(yīng)變

圖11 不同孔徑蜂窩板抗剪性能

從圖12和圖13可以看到，隨著蜂窩高度的增加，其抗彎性能呈比例提升，潰縮吸能效果也更好，但抗壓性能則出現(xiàn)了較明顯的衰減，表明蜂窩芯的高度不宜過高或過低。

圖12 不同高度蜂窩板壓應(yīng)力-應(yīng)變

圖13 不同高度蜂窩板彎曲性能

根據(jù)蜂窩板性能影響因素，經(jīng)過綜合評估，選定20 mm、孔徑8 mm的蜂窩芯材，并采用連續(xù)玻纖增強(qiáng)PP復(fù)合材料為蒙皮材料，可滿足貨廂圍板、頂板等部件的性能需求；門板材料對于屈曲的要求略高，可適當(dāng)提高芯材高度，以25 mm為宜。

經(jīng)過上述優(yōu)化手段，PP蜂窩板的面密度由4~4.2 kg/m2降至3.7~3.8 kg/m2，且加工效率更高、易回收已修復(fù)，更好的滿足了面板用材需求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后的面板材料可以更好的滿足貨廂性能要求，質(zhì)量為184.5 kg，成本為7 776元，滿足了設(shè)計(jì)要求。質(zhì)量與成本明細(xì)如表7所示。

表7 貨廂面板BOM

對采用優(yōu)化方案制成的貨廂進(jìn)行了臺架疲勞試驗(yàn)，如圖14所示。結(jié)果表明，經(jīng)過經(jīng)10萬次臺架疲勞試驗(yàn)后，面板無破損。

圖14 貨廂臺架疲勞試驗(yàn)

同時(shí)，根據(jù)貨廂的可靠耐久性能要求，將貨廂搭載到輕型廂式貨車車型上，在國家公路交通試驗(yàn)場，完成了7 000 km可靠性驗(yàn)證（相當(dāng)于實(shí)際路況26萬km）。試驗(yàn)結(jié)果表明，貨廂整體無損壞，主要結(jié)構(gòu)件無開裂等失效，貨廂主要連接件力矩正常，未產(chǎn)生松動(dòng)，貨廂載荷布置正常無偏載。試驗(yàn)結(jié)果表明，面板材料的相關(guān)指標(biāo)均能夠滿足貨廂的性能要求。

圖15 貨廂整車搭載驗(yàn)證

6 結(jié)論

根據(jù)貨廂的輕量化要求，對貨廂面板進(jìn)行了輕量化選材和優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用熱塑性PP蜂窩板和輕木復(fù)合板材料完成了貨廂試制，最終質(zhì)量184.5 kg，較原始瓦楞板降低了355.5 kg，減重率達(dá)到65.8%，且每公斤上升的成本未超過10元，滿足了設(shè)計(jì)要求，取得了顯著的輕量化效果。

支撐的貨廂通過了臺架疲勞性能驗(yàn)證和整車性能可靠性驗(yàn)證，滿足了輕型廂式貨車的使用要求。目前，該貨廂已交付使用，經(jīng)測算，可實(shí)現(xiàn)燃油車單車節(jié)油2.8%、電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程提升7%的節(jié)能效果，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。