载货汽车轻量化浅析

载货汽车轻量化浅析

廖超林

身份证号码： 45260119781017****

摘要：环境污染，交通事故，能源紧缺等问题的影响，我国在道路运输发展新理念下提出了自己的措施。载货汽车轻量化已经成为载货汽车行业的重中之重，而受到行业特点的影响，先进的工艺和材料还很难得到有效的利用。将精益设计思想与结构优化设计结合在一起，设计了更加适合载货汽车行业发展的轻量化流程,为载货汽车的轻量化提供一个新的途径。

关键词：载货汽车；轻量化；浅析

引言

汽车工业的迅猛发展，给国家的环境保护、节能减排和能源安全等方面带来了极大的挑战。未来汽车技术发展的方向主要集中在轻量化、智能化、电动化等方面，其中，汽车轻量化的节能减排效果最佳，因此，它成为各国政府大力发展汽车工业、提高全球竞争力的必然选择，更是汽车企业和整个制造行业提高核心竞争力的现实需求。轻量化技术不仅适用于传统汽车，还可以应用在新能源汽车上。

1载货汽车轻量化设计流程

有3个方面需要注意：（1）轻量化不仅仅是CAE工程师的事情，流程中需要结构工程师、总布置设计师的参与；（2）当判定需要轻量化的零件是否必要时，要求CAE工程师具有足够的结构判断能力，否则将被结构工程师误导；（3）当判定是否满足轻量化目标时，不仅要关注零件的重量和成本，还要关注零件的强度、刚度、模态以及安全系数等相关参数。

2车身轻量化系数的优化

汽车车架结构形式通常采用边梁式、中梁式与综合式3种，对于载货汽车，考虑到其载重量、安全性能、零部件的安装位置等，其车架多采用边梁式结构。梁式结构车架的主要承载构件为纵梁与横梁，纵梁用于承受纵向载荷，横梁则保证车架的扭转刚度，一般载货汽车车架由2根纵梁和5～6根横梁组成。

2.1优化前车架

车架的纵横梁连接方式采用螺栓连接，且加强盒采用老式结构，发动机前支撑、驾驶室前后支撑、变速箱吊架横梁结构均未优化，导致车架重量大，材料成本增加，且在纵横梁连接的螺钉孔附近容易发生断裂。通过优化设计改进车架纵横梁的连接结构、发动机前支撑、驾驶室前后支撑、变速箱吊架横梁等的优化设计，在保证汽车的载重和安全性不降低的情况下，使车架减重约15%，通过新材料、新结构的应用，使单台车架成本大大降低，对节能环保有着重要的意义。

2.2部分必要零件

对于焊合零件，或者多个零件组合在一起实现某一功能，宏观上是必要零件，但微观分析，其中的部分零件为非必要零件，可以取消。为了保证功能实现，需要对保留的零件进行重设计。（1）某载货汽车的货箱撑杆固定座。原设计中的支座与固定架焊接后，共同固定货箱撑杆。利用精益设计的思想对该结构进行分析，则固定架为非必要件，支座为必要件，取消固定架，保留支座，并对支座进行重新设计，新的设计借用了纵梁（必要零件），与纵梁新加的孔共同组成新式的货箱撑杆座，实现固定货箱撑杆的功能。

2.3局部结构的优化设计

整体的车身框架结构形成后，还需要依据车身的刚度、模态、碰撞等性能，对局部的细节结构进行优化。在进行顶部强度试验时，由于局部截面变小，且发生明显弯曲，很容易发生折断，不能将顶压的力很好地传递给顶盖下部的车身骨架，影响车身性能。针对原车型顶盖梁的结构弱点，对折弯部位进行优化，尽量保持各个部位结构的均匀变化，提升零件的刚度，在碰撞过程中保证力能够传递顺畅。

3减轻车身质量的方法

3.1高强钢板的应用

高强度钢板的应用是车身轻量化的一个重要手段，在载货汽车新车型的开发中，对车身骨架的主要受力部位采用高强度钢板取代普通钢板，以达到车身轻量化的目的。由于地板、前围、后围总成基本沿用原车型，因此钣金材料未发生改变，与原车型相同。针对新开发零件，主要受力部位采用高强度钢板。

3.2铝合金

与钢铁相比，铝合金具有质量轻(其密度为钢的1/3)、耐腐蚀性好、易于加工等特点，但成本较高，是近20年来在国内外载货汽车上使用最多的轻量化材料。常用的包括：铸造铝合金——活塞、气缸盖、车轮、离合器盖、曲轴箱、进气歧管等；型变铝合金——发动机罩、货箱地板、保险杠、车轮、热交换器(散热器与加热器)、温度调节器(冷凝器与蒸发器)、油冷却器以及冷藏车厢、保温车厢、半挂车的车厢与车架等。欧、美、日等国多年来铝合金在汽车上的用量平均年增幅为10%。据统计，2003年全球每辆汽车用铝已从1978年的50kg上升为140kg，增长1.8倍。

3.3降低顶盖外板材料的厚度

通过拓扑优化出合理的车身框架结构，局部结构和接头刚度的优化设计以及高强度钢板的应用，在保证车身性能的基础上，可以降低部分零件的材料厚度，比如顶盖外板。原车型顶盖外板选用的材料是DC04，料厚1.0mm。新开发车型采用了加磷高强度钢板B170P1，其屈服强度为170～240MPa，料厚降低到0.9mm，减重7.6kg。同时，通过外板与顶盖骨架梁的连接（焊接或胶接），保证了顶盖外板的抗凹性和局部刚度。

3.4采用先进的制造工艺

通过对由不同制造工艺制造的构件进行优化分析发现,在各构件性能指标相同的情况下,先进工艺生产的构件要比传统工艺的轻很多。目前,轻量化制造工艺技术主要包括轻量化成型工艺、结构件优化连接工艺两大类。轻量化成型工艺技术是在保证构件的性能的前提下,通过各种先进的成型方法达到减重的目标。液压成型技术、发泡铝成型技术、镁型材的液压热挤出工艺和电磁成型技术等新的成型工艺都是汽车轻量化可借鉴的主要技术方法。而结构件优化连接工艺主要是通过实现部件间的可靠连接实现底盘部件减重。目前,复合连接、超声点焊、激光焊接等都具有很成熟的技术,可以考虑应用到底盘结构轻量化设计中。

4国产载货汽车轻量化材料应用展望

4.1竞争机制的形成

载货汽车的不少构件用材可多种选择，这就形成了一种竞争的格局。当前国内外高强度钢、铝合金和塑料在载货汽车车身外板、车架及车厢部分零部件等方面的竞争尤为突出。此种竞争必然推动各材料生产厂家提高工艺水平、降低成本，并推动汽车设计和制造工艺的进步。只要把握好时机，一旦某种材料在技术、经济及资源上取得了优势，就可使此类部件自身的份额获得突破性的上升。竞争机制的形成是推进载货汽车加速实现轻量化的动力。

4.2性能成本的评价

减轻自质量应满足3个基本条件：一是不能影响构件的强度和刚度；二是不能使成本负担过重；三是修复成本不能太高。设计人员在应用轻量化材料时除进行强度和刚度等的技术计算外，应进行价值分析(即：价值=功能/价格)。例如，一种载货汽车需应用铝合金来取代钢制车厢，需获得多种资料(有关钢材与铝合金型材的售价、两者造价、燃油费、运价、预期运程、预期空载与满载比、预期使用寿命等)作为价值分析的基础，以此作性能成本的综合评价。

结束语

实现轻量化是衡量汽车工业技术成就的重要标志之一，也是业内人士长期追寻的技术课题。虽然目前我国轻量化材料的应用与国际先进水平尚有差距，但我们相信只要制定政策、明确目标、措施得力，国产载货汽车轻量化的进展速度将很快，其新产品也将会以崭新的面貌出现在人们面前。

参考文献

[1]范子杰,桂良进,苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报,2014,5(1):15-16.

[2]胡建军,杨长辉,秦飞龙,等.CAE在汽车零部件轻量化设计方法中的应用[J].机械工程师,2014(8):140-141.

[3]王文彬,朱梅云.基于汽车轻量化的管材内高压成形技术研究[J].锻压装备与制造技术,2018,?53(6):91-92.