結構優(yōu)化和新材料技術對商用車輕量化的影響

童波，邵慶賢，湯艷，王雙龍，孫成武

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

結構優(yōu)化和新材料技術對商用車輕量化的影響

童波，邵慶賢，湯艷，王雙龍，孫成武

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

介紹了車身輕量化工作的重要意義、國內目前汽車輕量化的發(fā)展趨勢，描述了國內商用車企業(yè)輕量化所面臨的諸多困難。說明了商用車輕量化的基礎：必須在保證汽車安全性的前提下，同時達到車身剛度、疲勞耐久性、操控穩(wěn)定性和振動舒適性。論述了輕質材料和結構優(yōu)化設計在商用車輕量化上的綜合應用。

商用車；輕量化；結構；材料

0 前言

安全、節(jié)能和環(huán)保已成為汽車用戶最關心的性能指標。如何設計制造出更安全、節(jié)能、環(huán)保的汽車也是當今汽車制造的重點發(fā)展方向。研究表明:汽車的燃油消耗與汽車的自身質量成正比，汽車質量每降低1%，燃油消耗也隨之降低0.6%～1%，燃油消耗下降，排放也隨之減少。因此降低汽車自身質量成為提高節(jié)能環(huán)保性能的有效途徑。而白車身作為車身骨架，一般占整車質量的22%～25%，其輕量化對降低整車質量意義重大。因此，汽車車身輕量化技術已成為當今汽車技術的重點課題。

1 車身輕量化的基礎

車身輕量化必須在保證汽車安全性的前提下，同時達到車身剛度、疲勞耐久性、操控穩(wěn)定性和振動舒適性等要求，這是商用車及乘用車都必須遵循的規(guī)則。

1.1 車身結構安全

車身結構安全屬于汽車的被動安全范疇，目的在于保護車內乘員的安全。

自20世紀50年代起，國外已經(jīng)陸續(xù)開始制定汽車被動安全法規(guī)，如美國聯(lián)邦機動車法規(guī)體系(FMVSS)和歐洲法規(guī)體系(ECE/EEC)。而我國強制性汽車被動安全標準(GB)主要是參考歐洲法規(guī)體系。另外還有各國的新車評價體系(NCAP)全面地為消費者提供汽車安全性能方面的信息。

車身結構直接影響整車是否滿足被動安全法規(guī)。包括正面碰撞、側面碰撞、后面碰撞、翻滾和低速碰撞等。車身結構在設計上一般分為低速行人保護區(qū)、相容吸能區(qū)和乘員保護區(qū)。

1.2 車身剛度

評價車身結構力學性能的主要指標是車身剛度，包括動態(tài)剛度和靜態(tài)剛度，靜態(tài)剛度分為扭轉剛度和彎曲剛度兩個方面。在車身輕量化中，必須保證達到車身剛度的要求才能使整車的疲勞耐久性和振動舒適性不受影響。

1.3 車身輕量化系數(shù)

為了評價輕量化的效率，引申出了車身輕量化系數(shù)的概念，通過如下公式計算：

式中：L為輕量化系數(shù)；mBIW為白車身質量；CT為白車身靜態(tài)扭轉剛度；A為白車身投影面積，由整車軸距與輪距相乘獲得。輕量化系數(shù)L值越小，車身輕量化做得越好。

2 商用車輕量化的方法

商用車輕量化的思路參考乘用車，分為3個方面：采用輕質材料、結構優(yōu)化設計、制造工藝優(yōu)化。

2.1 采用輕質材料

主要是采用輕量化材料和輕量化材料成型技術，以達到減輕零部件質量的目的。汽車車身設計中輕質材料的比重不斷增加,合金、高強鋼、塑料、復合材料及陶瓷等的應用越來越多。而對于商用車來說，鋁合金、塑料的應用越來越多。圖1所示為材料成分隨年份的改變情況。

2.1.1 高強鋼板

高強鋼是汽車用材料主要發(fā)展方向之一。有高強鋼(屈服強度大于210 MPa)、超高強鋼(屈服強度大于550 MPa)和先進高強鋼。

他也確實這樣做了，他經(jīng)常去鎮(zhèn)里的書店看書，從他的村子到鎮(zhèn)上，步行要一兩個小時，他早上出門可能中午才能到，有時候回來時天都已經(jīng)黑了，他卻不覺得疲倦，臉上往往有滿足的笑容。

目前汽車使用的高強度鋼主要為板材與管材，取代普鋼、鑄鐵用于車身零件和其他結構件，并且主要應用在汽車車身、底盤、懸架和轉向系零件上。

2.1.2 鋁合金

鋁合金具有比強度高、耐腐蝕性能優(yōu)良、適合多種成形方法、較易再生利用等優(yōu)點，是汽車工業(yè)應用較多的金屬材料。

隨著鋁合金技術的開發(fā)與應用，未來鋁材料在整車中的應用范圍將進一步擴大。預計鋁材料將成為僅次于鋼的第二大汽車材料。

2.1.3 工程塑料

汽車用塑料主要是通用工程塑料、塑料合金和增強塑料。在汽車中最早用于儀表板、車門內板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板等內裝件，而后逐漸向外裝件、結構件和功能件擴展,如車身外板、后阻流板等，見圖2。

今后汽車用塑料的發(fā)展方向是開發(fā)結構件、功能件、外飾件用的高性能樹脂材料、增強塑料復合材料、塑料共混物及塑料合金。

2.2 結構優(yōu)化設計

2.2.1 商用車貨箱結構優(yōu)化

貨箱的存在可以說是商用車不同于乘用車的標志之一，貨箱的質量是整車質量的重要組成部分，優(yōu)化貨箱結構，將大大地降低整車的質量。

見圖3，對部分車型貨箱的邊板進行了一次優(yōu)化，既不降低其使用性，又大大降低了質量，單臺可降低25 kg。

2.2.2 商用車駕駛室結構優(yōu)化

商用車的駕駛室就相當于乘用車的車身，只是它與底盤部件的連接有所不同。商用車車身的結構優(yōu)化工作類似于乘用車車身的結構優(yōu)化工作。對于新開發(fā)的商用車車身，按照目前的設計開發(fā)原則及采用的計算方法，基本上都屬于最為優(yōu)化的結構。因此商用車駕駛室輕量化的工作主要是對已存在的產(chǎn)品進行改進，優(yōu)化一些不好的結構。

對某輕卡的車身結構進行詳細的分析，對部分輕型卡車的駕駛室地板進行了優(yōu)化，消除了不必要的浪費，并通過大量的試驗驗證了其可靠性，是商用車駕駛室輕量化的一次典型應用，見圖4。

2.2.3 商用車底盤結構優(yōu)化

商用車底盤與乘用車的區(qū)別大，車架是底盤的重要組成部分，其結構的優(yōu)化對輕量化的推進起到?jīng)Q定性的作用，多采用變截面的方法對車架進行輕量化工作，因涉及到中國市場最為敏感的超載問題，車架的輕量化工作推進的難度大。目前某公司的車架輕量化工作正在沿著結構優(yōu)化的方向進行持續(xù)的研究。

3 總結

商用車輕量化技術是輕質材料、結構優(yōu)化設計等技術的綜合應用。得益于近年來新材料研究的迅速發(fā)展，可選輕質材料范圍不斷擴大，但是目前對于商用車來說，工程塑料和鋁合金是應用最多的輕質材料。而結構優(yōu)化設計則要對產(chǎn)品結構有足夠的理解，消除多余部件，優(yōu)化現(xiàn)有結構。

如何實現(xiàn)商用車的輕量化，達到最好的節(jié)能環(huán)保效果？應該根據(jù)產(chǎn)品定位、優(yōu)化設計能力和制造工藝水平進行整體考慮，同時考慮成本因素，在滿足車身剛度、結構安全性、疲勞耐久性、操控穩(wěn)定性等前提下，選擇最合適的輕量化途徑，最終增強產(chǎn)品的競爭力。

【1】姜超，張悅.汽車輕量化材料及成形技術[J].汽車工藝與材料，2008(12):9-16.

【2】倪紅.塑料在汽車上的運用及汽車翅料零件成本構成淺析[J].中國科技信息，2008(19)：132-133．

【3】王智文.汽車輕量化技術發(fā)展現(xiàn)狀初探[J].汽車工藝與材料，2009(2):1-6．

【4】高亞楠，溫龍飛.淺談汽車材料的輕量化發(fā)展態(tài)勢[J].汽車工程研究，2007(3)：33-35．

【5】中國汽車工程學會.世界汽車技術發(fā)展跟蹤研究[M].北京：北京理工大學出版社，2006．

EffectsofStructuralOptimizationandNewMaterialsTechnologyonCommercialVehiclesLightweight

TONG Bo，SHAO Qingxian，TANG Yan，WANG Shuanglong，SUN Chengwu

(Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601,China)

The important meaning of body lightweight and the vehicles lightweight development tendency in China were introduced. The difficulties about vehicle lightweight in front of Chinese commercial vehicle company were described. The basis of commercial vehicle lightweight was：under the requirement of assuring vehicle safety, body stiffness, fatigue durability, control stability and vibration comfort should be achieved. Comprehensive application of the lightweight materials and structural optimization design on commercial vehicles were discussed.

Commercial vehicle；Lightweight；Structure；Material

2015-01-19

童波，男，本科，從事項目管理工作。E-mail：ai041031@163.com。