摘要：近年來(lái)，為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖和能源危機(jī)，節(jié)能減排已然成為汽車技術(shù)發(fā)展的重大課題。有資料顯示，汽車質(zhì)量每減少100kg，每百公里可節(jié)約約0.6L燃油。為此，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化有著重要意義。目前，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化涉及到汽車多方面技術(shù)。選擇使用輕量化材料是現(xiàn)在整車輕量化的重要途徑。新實(shí)施的《營(yíng)運(yùn)貨車安全技術(shù)條件》，其中關(guān)于駕駛室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度法規(guī)的要求，使得商用車駕駛室輕量化面臨新的挑戰(zhàn)，本文就現(xiàn)階段輕量化材料在商用車駕駛室上的應(yīng)用以及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了介紹，以為滿足更高要求的輕量化駕駛室設(shè)計(jì)提供思路。

關(guān)鍵詞：輕量化材料;商用車;駕駛室

汽車工業(yè)體現(xiàn)了國(guó)家的制造業(yè)水平，其發(fā)展也影響著我國(guó)能否從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的邁進(jìn)。我國(guó)自20世紀(jì)80年代以來(lái)，對(duì)于汽車輕量化的研究已經(jīng)達(dá)到了新的高度，其中關(guān)于輕量化材料在商用車駕駛室中的應(yīng)用也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

關(guān)于商用車駕駛室的輕量化設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)滿足駕駛室的安全性能放在首位，進(jìn)而借助優(yōu)化結(jié)構(gòu)、應(yīng)用新材料新技術(shù)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自身重量減少，其中新材料中的輕量化材料的開發(fā)應(yīng)用是當(dāng)前可操作性最強(qiáng)的研究方向之一。在商用車駕駛室中使用的輕量化材料主要有高強(qiáng)度鋼板、輕型合金材料、工程塑料以及復(fù)合材料等四大類。

1.高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用

目前，鋼板依然是商用車駕駛室的主要用材，因此高強(qiáng)度鋼板在商用車駕駛室中的應(yīng)用是可以有效實(shí)現(xiàn)輕量化。高強(qiáng)度鋼板，屈服強(qiáng)度較高，抗凹陷性強(qiáng)，且降低料厚不會(huì)影響整體強(qiáng)度。因此，根據(jù)以上特性，在中低端是汽車的輕量化處理中，在保證安全性的前提下，通過(guò)可以直接通過(guò)降低料厚來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化。另外，利用高強(qiáng)度鋼板的抗凹陷性能可以用來(lái)制作駕駛室的易碰撞部位，提高碰撞安全性。

在國(guó)內(nèi)，作為代表使用高強(qiáng)度鋼板的是一汽集團(tuán)。該集團(tuán)采用抗拉強(qiáng)度為340MPa高強(qiáng)度鋼板代替普通鋼板生產(chǎn)的解放CA1092型載貨汽車駕駛室，零件涉及車門、地板和后圍等41種零部件，其中18種零件使用BIF340含磷鋼板替換DC04鋼板，23種零部件使用BH340烘烤硬化鋼板替換DC03鋼板，高強(qiáng)度鋼板用量達(dá)到228kg，駕駛室減重約21kg，東風(fēng)天龍D310駕駛室高強(qiáng)度鋼板用量86.3kg，涉及零件160件，占到總重量的30%。

在國(guó)際，先進(jìn)商用車的白車車身340MPa以上級(jí)別高強(qiáng)度剛鋼板，其用材高達(dá)40%～60%，甚至部分高達(dá)72%。然而，目前國(guó)內(nèi)商用白車身仍然以普通低碳鋼板為主。有研究指出，高強(qiáng)鋼是在保障碰撞安全性、經(jīng)濟(jì)型、可加工性等綜合性能最佳的輕量化材料，其使用量的多少可以體現(xiàn)汽車水平的高低。目前，我國(guó)的平均使用量?jī)H為25%，與國(guó)際相比，相差較遠(yuǎn)，有很大的發(fā)展空間。

2.輕型合金材料的應(yīng)用

2.1 鋁合金

鋁合金密度約為鋼的1/3，即2.5～2.88 g/cm3，強(qiáng)度和密度均低于剛強(qiáng)度鋼，價(jià)格較鋼鐵高，在高端汽車中較為常見。鋁合金具有密度低，耐腐蝕性好，塑性好，抗熱疲勞性好，比強(qiáng)度和比模量高，在駕駛室中作為結(jié)構(gòu)輕量化材料使用效果明顯。

現(xiàn)階段，商用車領(lǐng)域中使用最廣泛的輕型合金材料便是鋁合金。在駕駛室中，應(yīng)用合金的零件涉及到方向盤芯骨、轉(zhuǎn)向柱支架、儀表臺(tái)支架等。在國(guó)內(nèi)作為的代表東風(fēng)天龍重卡的鋁合金用料已經(jīng)已超過(guò)360kg。在國(guó)際，美國(guó)彼得比爾特的多款車型采用全鋁材來(lái)制造料駕駛室，實(shí)現(xiàn)了重量輕、燃油效率高的目標(biāo)，并且駕駛室可靠性和耐腐性表現(xiàn)優(yōu)秀。

鋁合金在力學(xué)性能方面，表現(xiàn)為脆硬性，且導(dǎo)熱性能好，焊接性能差，因此在加工成型方面具有一定的難度高。同時(shí)，相對(duì)鋼鐵來(lái)說(shuō)，在力學(xué)性能相同的條件下，是使用鋁合金的輕量化效果更明顯。目前如何提高其強(qiáng)度和韌性以及采用何種連接方式是其研究的重點(diǎn)。

2.2 鎂合金

鎂合金的密度為1.75～1.90 g/cm3，是鋼密度的1/4，較鋁密度低，約為鋁密度的2/3。鎂是所有結(jié)構(gòu)材料中在當(dāng)前工程應(yīng)用領(lǐng)域中最輕的金屬，被認(rèn)為較理想的輕量化材料。鎂合金的密度小，重量輕，強(qiáng)度較低，比強(qiáng)度高，比剛度高熱傳導(dǎo)性能良好，另外，鎂合金還具備一定的電磁屏蔽性能、防輻射性能和阻尼減震性能，是一種前景良好的高質(zhì)量輕量化材料。

近年來(lái)，鎂合金在乘用車上的應(yīng)用已經(jīng)得到突破性的進(jìn)展。在商用車中，已有60多種零部件有使用，其中最具代表性的是在車身及底盤零件，以及各種支架、基座等產(chǎn)品上已被大批量應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，商用車領(lǐng)域，作為代表的是東風(fēng)汽車，其車身鎂合金應(yīng)用較早，主要為153系列、東風(fēng)天龍等車型的踏步、轉(zhuǎn)向柱支架等。另外東風(fēng)汽車用鎂合金方向盤芯骨、座椅骨架、儀表臺(tái)骨架等方向等方面也在近期取得了進(jìn)展。

鎂合金零件應(yīng)用于汽車輕量化的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，但由于其價(jià)格較高，耐腐蝕性較差，易氧化燃燒，強(qiáng)度較低以及加工困難等缺點(diǎn)，導(dǎo)致它一直未能得到大范圍的使用。因此，在短期內(nèi)，應(yīng)用鎂合金多應(yīng)用于的零件主要是對(duì)耐腐蝕性要求較低、強(qiáng)度要求不高的非結(jié)構(gòu)零部件。

3.工程塑料

3.1 玻璃纖維增強(qiáng)塑料

玻璃纖維增強(qiáng)塑料，即為通常所說(shuō)的玻璃鋼，密度約為1.4～2.1g/cm3，密度較合金材料更低。具有密度小，比強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此主要應(yīng)用于形狀復(fù)雜的零部件。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)重汽C7H駕駛室，使用的玻璃鋼復(fù)合材料零部件涉及20余件，涉及頂蓋、保險(xiǎn)杠、前面罩、腳踏板和裝飾板等眾多零部件，其總重量超過(guò)190kg。

4.復(fù)合材料

4.1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料密度約為1.6g/cm3，密度更小。具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)。碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料力學(xué)性能優(yōu)良，其密度雖然較低，但比強(qiáng)度比碳鋼（某些特殊合金高）要高的多。

在汽車領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已由最初的賽車領(lǐng)域逐漸向民用汽車拓展。目前，已經(jīng)有許多制造商開發(fā)出車門內(nèi)飾板、后視鏡外殼等碳纖維材料零部件，寶馬已經(jīng)取得優(yōu)先突破，比如嘗試在小型車上采用全碳車體。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用，正日益突破。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度、高比模量，在航天航空以及超級(jí)跑車領(lǐng)域得到了良好的應(yīng)用。但由于其價(jià)格高昂，成為其大面積推廣所面臨的問(wèn)題。

4.2玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

玄武巖纖維（CBF）是將天然玄武巖礦石經(jīng)過(guò)高溫熔融以后通過(guò)拉制而形成的連續(xù)的纖維[1]。玄武巖纖維具有抗拉強(qiáng)度高、耐熱性能強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好，且具有良好的吸音性能和隔熱性能，是碳纖維的最佳替代品。在汽車領(lǐng)域中，玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)罩以及對(duì)隔音隔熱降噪有一定要求的內(nèi)飾件。

4.3 聚雙環(huán)戊二烯

聚雙環(huán)戊二烯密度為1.03g/cm3，密度更低。是一種具有較高的抗沖擊性和彎曲模量、耐腐蝕性高、有一定耐候性的熱固性工程材料[3]。與玻璃纖維增強(qiáng)塑料相比，雖然PDCPD的拉伸模量較低，但其屈服性和抗沖擊性優(yōu)相對(duì)異。在商用車領(lǐng)域，PDCPD材料在引擎蓋、車頂蓋等眾多零部件上的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。

4.4空心玻璃微珠

空心玻璃微珠，體積小，重量輕，空心球形粉末。由于空心玻璃微珠的中空結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其具有質(zhì)輕隔音隔熱的優(yōu)點(diǎn)。它是近年來(lái)新出現(xiàn)的一種新型輕量化材料，可直接填充在多種塑料產(chǎn)品中，同時(shí)由于玻璃微珠具有重量輕的特性，填充后產(chǎn)品輕量化效果明顯。

4.5發(fā)泡聚丙烯材料

發(fā)泡聚丙烯材料（EPP）是以聚丙烯材料為基礎(chǔ)的樹脂制備的發(fā)泡塑料。EPP材料，隔熱性、隔音性優(yōu)良，耐熱性、耐腐蝕性表現(xiàn)優(yōu)秀，具備一定的抗震吸能性和良好的回彈性、表面保護(hù)性以及尺寸形狀穩(wěn)定性，同時(shí)質(zhì)量輕且能夠回收再利用。

在汽車領(lǐng)域中，可用于制造頭枕工具箱、保險(xiǎn)杠緩沖塊、門內(nèi)板吸能保護(hù)墊以及支撐行李箱支撐等多種零部件，例如在豐田標(biāo)志的部分車型中已經(jīng)配備了這種材料保險(xiǎn)杠。

4.6長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯反應(yīng)注射成型材料

長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯反應(yīng)注射成型（LFI）工藝是一種將長(zhǎng)玻璃纖維與彩聚氨酯原料混合，之后注入模具然后熱壓成型的工藝。該工藝制備的產(chǎn)品，具有重量輕，剛性強(qiáng)，力學(xué)性能好等特點(diǎn)，常用于制備形狀復(fù)雜的大型薄壁產(chǎn)品。當(dāng)前該技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，以汽車內(nèi)外飾件為主。在商用車主要應(yīng)用于儀表盤、裝飾板、導(dǎo)流裝置等產(chǎn)品中。

4.7 PHC復(fù)合材料，

PHC為夾層結(jié)構(gòu)，在蜂窩蜂窩夾芯材料的兩面鋪設(shè)纖維毯，經(jīng)聚氨酯噴射系統(tǒng)浸潤(rùn)后在模具中熱壓成型。與傳統(tǒng)板材相比，PHC材料重量輕，剛度高，具有顯著的耐火性、抗震性和吸音性。

PHC材料厚度通常為6～30mm。在不改變表層厚度的前提下，可以通過(guò)調(diào)整芯材厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品厚度的改變。PHC材料的強(qiáng)度與芯材厚度正相關(guān)成正比，芯材越厚，則強(qiáng)度越高。由于單位體積芯材的重量相對(duì)小，在相同的承載能力下，PHC加成可以大大降低自身重量。與傳統(tǒng)材料相比，PHC材料可減重約30%～50%。

在國(guó)內(nèi)，中國(guó)重汽C7H車型頂導(dǎo)流罩通過(guò)質(zhì)量提升，使用PHD材料作為導(dǎo)流罩。這種導(dǎo)流罩表面層和底層兩部分組成，表面層成為共擠板復(fù)合材料吸塑件，本體層采用PHC材料，包括了蜂窩夾芯材料和玻纖材料，同時(shí)通過(guò)噴涂聚氨酯材料在模具熱壓中成型，使本體層與表層緊密復(fù)合。相比原玻璃鋼材料，這種新導(dǎo)流罩，外觀質(zhì)量都得到明顯提升，同時(shí)重輕量化效果明顯。

現(xiàn)階段，結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料主要有兩種使用方式，一種帶有骨架的預(yù)成型增強(qiáng)塊在駕駛室焊接預(yù)置于空腔內(nèi)部，之后后隨架子是一同進(jìn)入涂裝線，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)增強(qiáng);另一種則采用雙組份結(jié)構(gòu)增強(qiáng)泡沫發(fā)泡膠，可在駕駛室下線后直接室溫灌注發(fā)泡，實(shí)現(xiàn)空腔增強(qiáng)。

5.輕量化材料在商用車駕駛室所面臨的挑戰(zhàn)

隨著汽車輕量化技術(shù)全球化的到來(lái)，輕量化材料在商用車駕駛室中的應(yīng)用面臨著許多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。首先，輕量化材料成本高。高成本制約了各種輕量化材料在商用車駕駛室中的應(yīng)用。為此，需要不斷研發(fā)出較低成本的新型輕量化材料，同時(shí)優(yōu)化駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其次，維修難度和成本較高。當(dāng)輕量化材料損壞時(shí)，需要專業(yè)的維修設(shè)備和技術(shù)人員。最后，研發(fā)力度不足。這項(xiàng)應(yīng)用涉及面較廣，需要多方協(xié)調(diào)、多學(xué)科融匯貫通，進(jìn)而系統(tǒng)的進(jìn)行研究開發(fā)。

結(jié)語(yǔ)

在商用車的駕駛中采用，采用輕量化材料，對(duì)于為實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)有著深遠(yuǎn)意義。輕量化材料研究使用也已成為汽車行業(yè)的重要研究方向之一。隨著研究的不斷開展，新的輕量化材料將如雨后春筍，現(xiàn)有材料性能的開發(fā)也將得到提升，但是每一種材料都不可避免的存在著各自優(yōu)缺點(diǎn)。面對(duì)汽車輕量化材料在商用車駕駛室應(yīng)用上的困難，汽車行業(yè)應(yīng)當(dāng)抓住汽車材料全球化的發(fā)展機(jī)遇，對(duì)輕量化材料的應(yīng)用特性進(jìn)行充分的深入研究，同時(shí)借鑒輕量化材料應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，真正發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢(shì)，在保證駕駛安全性的基礎(chǔ)上，推進(jìn)汽車輕量化項(xiàng)目發(fā)展到新的水平。

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基金項(xiàng)目：安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)項(xiàng)目"某商用車駕駛室輕量化CAE分析"批準(zhǔn)號(hào) KJ2019A1064的階段性研究成果

作者簡(jiǎn)介：孫然（1982—），男，漢，安徽六安，講師，碩士，研究方向：汽車設(shè)計(jì)。