基于重型商用车的轻量化技术研究

张婷婷 许彪 张杰 刘源泉

摘 要：轻量化技术对于重型商用车有着非常重要的意义，是实现节能减排技术的重要方法，同时可以提升品牌在行业的竞争力，提升整车经济性和环保性 ，实现用户和企业“双赢”。文章主要从重型商用车轻量化概念以及方法，并以车架、车轮、前伸梁、悬架、货箱为例，阐述了轻量化在重型商用车上的发展与应用，为整车轻量化提供一定参考价值。

关键词：重型商用车;轻量化;结构优化;工艺优化

中图分类号：U466  文献标识码：A  文章编号：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

节能、环保、安全是当今世界汽车业关注的主要话题，我国石油进口依赖度增加，能源、环保压力不断增大，作为能源消耗大户的商用车行业备受关注。目前商用车保有量仅占汽车总保有量的20%～25%，但油耗却占汽车总油耗的50%～70%。如何设计制造出安全、节能、环保的汽车是当今汽车制造的重点方向。研究表明，当车辆的整备质量每减少100kg，可使百公里油耗降低0.3～0.5L/（100km），温室气体CO2排放降低8～11g/（100km），加速性能提升8%～10%，制動距离缩短2～7m[1-2]。因此轻量化成为提高节能、环保、安全性能的有效途径，其研究具有重要意义。目前商用车生产企业是国内研究轻量化技术的主要单位之一，其中重卡轻量化效果和幅度较大。

1 商用车轻量化的概念

汽车轻量化指满足原有的行驶安全性、可靠性、耐久性、舒适性等要求与成本控制条件下，将结构优化设计、材料技术与制造技术集成应用所实现的减重。决不能以牺牲整车性能为代价，相反，还应使整车性能得到加强。同时要满足国家法规要求，要想满足超载运输，就谈不上轻量化。其意义在于提高运输效率、提升燃油利用率、减少资源消耗。

2 商用车轻量化方法

商用车主要采用的轻量化措施分为四个方面：结构优化、集成化设计、材料轻量化、工艺轻量化。

2.1 结构优化

结构优化方法已普遍应用到汽车结构设计中，主要集中在利用有限元和优化设计方式对结构性能进行分析和设计。常用的结构优化方法有尺寸优化、形状优化、拓扑优化。

2.2 集成化设计

通过减少冗余的零部件，进行跨功能整合，实现轻量化。如商用车上对悬架、发动机、车桥等总成进行集成化设计。

2.3 材料轻量化

轻量化材料目前以高强钢、铝和镁合金、复合材料等为主要选择[3]。

2.3.1 高强钢

高强钢的强度是低碳钢的5倍，具有价格低、经济性好、性能优越的优点，但塑性相对较差。在等载荷、等强度设计条件下，应用高强钢可减小料厚、减轻质量，提高车体抗凹陷性、耐久强度和大变形冲击强度，是汽车轻量化的关键材料之一。重型商用车上主流的高强钢指650L、700L等，可用于车架上的冲压件及辊压件[4]。目前国内外均在加速高强钢、超高强钢在汽车各总成上的应用。

2.3.2 铝镁合金

铝的密度约为钢材的l/3，铝中加入一种或几种元素后即构成铝合金，每使用1kg铝合金，可使汽车降重2.25kg[5]，铝合金具有良好的耐腐蚀性和延展性，在汽车行业已经得到广泛应用。如薄壁铸造铝合金、压铸铝合金、铝型材广泛应用于商用车的支架、框架、梁架、壳体等。

镁目前是工业应用材料中最轻的一种金属，镁合金的比强度和比刚度高，资源丰富。当前镁合金高压铸造工艺制备的转向柱支架、方向盘及仪表板骨架已在汽车行业得到应用。

2.3.3 碳纤维复合材料和塑料

碳纤维复合材料密度低、比强度高、比模量大、抗腐蚀性强、耐久性和抗冲击性能好，隔声降噪，材料性能具有可设计性，其性能许多金属材料无法比拟。轻量化效果明显，但大规模推广的工艺性和成本问题有待进一步解决[6-7]。

塑料作为高性能的轻质材料，工艺制作成本低，易成型、涂色、修复，抗扭曲和变形性好。设计上可使多个部件合成一体，增强功能，降低成本。同时便于废物回收和再循环使用，越来越多的应用在汽车上[3]。常见的零部件有塑料加油口盖、塑料水箱前端模块、塑料翼子板和挡泥板等。

2.4 轻量化工艺

2.4.1 先进的制造技术

热成型工艺：该技术已经非常成熟，国内供应商资源丰富，商用车上也逐渐广泛应用，成本已降低到15元/kg。其中变料厚热成型技术，设计灵活性高，多区域厚度光滑过度，有利于碰撞吸能，避免应力突变。

内高压成型：应用于各类管件、管状支撑件、热胀型驱动桥壳体等。可降低钢管壁厚，增加压型，提升结构强度。商用车底盘上分布着众多管状零件，如排气管，他们的传统成型工艺为弯曲拼焊成型，焊缝多、表面质量差，不能满足重卡高端车型的整车外观要求。无焊缝耐高压成型工艺是内高压冲压成型，不存在薄壁管弯曲起皱工艺缺陷，且能保证图纸尺寸要求，适合批量生产。该工艺可使管壁厚度减小0.5mm，同时提高表面质量。

辊压技术：通过高性能级别材料辊压件的应用，可减少零件数。应用于地板边梁、纵梁、加强梁、门框等。

2.4.2 连接工艺

激光拼焊：技术成熟、成本较低，可实现同种牌号不同规格、及不同牌号不同规格零件拼焊。国内商用车车门、侧围、地板、纵梁已经采用。

自冲铆接：是一种快速连接两层或者多层板材的冷成型工艺，相对传统连接工艺有如下优势：

（1）可连接无法焊接或焊接性差的材料;

（2）可连接异种材质的板材;

（3）对镀层的损坏比较小;

（4）铆接过程简单、无需对被铆件进行预冲孔;

（5）无烟尘产生、低噪音等。

3 重型商用车轻量化具体应用

3.1 车架总成

车架是整车承载受力主要部分，纵梁可使用高强钢，已达到取消内加强板、改为单层梁或减小纵梁腹面宽度等结构设计。车架槽型横梁可优化为管式铸造梁，尾梁和横梁可采用铝合金材料。在整车总布置时要合理规划轴距，不宜过大。

3.2 车轮总成

重型商用车后桥每个车轴两侧多为双胎，以6×4牵引车为例，整车装有10个轮胎，因而轮胎在整车轻量化中占有一定分值。如采用真空胎每条可降重20kg，也可尝试将目前普遍使用的双胎更换为大单胎。在车轮方面，传统重卡大多采用钢制车轮，较重，采用铝合金轮辋是有效的轻量化措施。同时对轮辐通风口进行优化，单个轮辐减重不多，但整车降重及降成本并不少。

3.3 前伸梁

前伸梁是底盘上复杂的系统，集成了冷却系统固定支架、驾驶室前悬置、转向机、前下防护、保险杠、上车踏步、驾驶室翻转缸等功能实现。通过CAE分析软件进行拓扑结构优化和应力状态分析，结合使用高拉伸强度和卓越延展性材料，进行集成化设计，可降重和提高装配效率。

3.4 悬架系统

空气悬架具有优越减震性、行驶稳定性，较传统板簧悬架价格贵，可根据用户需求尝试在一些车辆上选装。传统板簧悬架多为等截面、前后多片，重量较重，如采用少片变截面结构代替传统结构，不但减轻重量，还可提高舒适性。

3.5 货箱

传统货箱蒙皮和地板多为铁瓦楞板，结构复杂，影响货运效率。对货箱结构框架进行轻量化设计，可降重120kg左右。同時货箱蒙皮可考虑采用铝合金或热塑性PP蜂窝板、货箱地板采用铝花纹板。而对自卸车货箱采用高强度钢板、前顶液压举升机构、U型货箱及动力密封篷布盖，可降低20%～40%的上装质量。

轻量化设计是一个伴随整车开发流程的系统性和连续性工作，在全生命周期都应保留这种理念。重型卡车很多总成都可进行轻量化设计，如通过结构优化对转向轴冗余结构进行减重，散热器护风罩由铁质材料改为塑料，转向轴和驱动桥制动器采用盘式结构替代鼓式结构等。

4 展望

当今卡车市场竞争日趋激烈，伴随着节能减排、绿色环保政策的实施，车联网的快速发展，用户用车理念的转变，轻量化的商用车，特别是轻量化重型运输车正得到越来越多用户的青睐，商用车的轻量化势在必行。未来轻量化将是零部件结构设计、新材料供应和生产制造工艺等方面的共同努力，不是某一方面的单一应用。我国商用车轻量化现状与发达国家相比，还存在一定差距，只有行业共同努力才能使轻量化技术登上崭新台阶。

参考文献

[1] 宋燕利，杨龙，郭巍等.面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术[J].材料导，2016，30（17）.

[2] 程江洪.基于性能关重度及富余量的车身轻量化设计与优化[D]. 2016.

[3] 刘雨婷，胡代钧，刘献栋等.关于汽车结构设计中存在轻量化极限的分析[J].汽车工程，2019，41（8）.

[4] 曹广祥，张洋，李莹娜.屈服强度700 Mpa级高强度钢在商用车轻量化中的应用[J].汽车工艺与材料，2017，（2）.

[5] 刘伟，邓翔，刘杨生等.用加法做商用车的轻量化[J].汽车科技，2018， （5）.

[6] 倪绍勇，王金桥.轻质材料在纯电动汽车轻量化中的应用[J].时代汽车，2016，（7）.

[7] 胡红舟，钟志华.一种汽车防撞梁轻量化结构的仿真分析与试验研究[J].汽车工程，2018，40（8）.