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      輕型廂式貨車貨廂面板材料輕量化選材優(yōu)化設(shè)計(jì)

      2022-05-06 01:11:54段瑛濤王智文栗娜孫壘尚紅波馬治國
      汽車工藝與材料 2022年4期
      關(guān)鍵詞:貨廂廂式蜂窩

      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。

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