钢铝结合商用车车架轻量化技术综述

钢铝结合商用车车架轻量化技术综述

李舜酩; 张凯成; 丁瑞; 孙明杰

【期刊名称】《《重庆理工大学学报（自然科学版）》》

【年(卷),期】2019(033)010

【总页数】8页(P1-8)

【关键词】轻量化; 钢铝结合车架; 结构优化设计; 连接工艺

【作者】李舜酩; 张凯成; 丁瑞; 孙明杰

【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

【正文语种】中文

【中图分类】U463.32

目前，商用车保有量占汽车总量的10%左右，但总体燃料消耗量占汽车燃料总消耗量的55%～60%，百公里排放量约为乘用车排放量的3～4倍[1]。而轻量化技术作为提高汽车燃油经济性和减少尾气排放的有效手段，对商用车来说，在减轻了自身质量的同时，还提高了载质量利用系数[2]。

一般重型商用车整备质量为8～18 t，车架质量为500～1 200 kg，车架占商用车整备质量的5%～10%[3]，因此车架轻量化对整车轻量化的贡献非常可观。车架承受着整车的簧载质量，同时还要受到来自不平度路面、行驶速度和方向改变而产生的外部激励，以及动力传动系统等产生的内部激励，所以车架要求足够的刚度、强度和可靠性。

目前车架轻量化主要依靠3个方面进行[4]：① 结构优化设计，包括尺寸优化、形貌优化和拓扑优化等，并结合多学科手段使得优化结果满足所有学科的要求，目前车架优化考虑的性能主要有刚度、强度和模态，而大多数研究在优化过程中未将疲劳考虑在内；② 轻量化材料的应用，包括高强度钢和铝合金等，目前钢铝结合和

全铝在车身上的应用较为常见，而在车架上的使用相对较少；③ 先进制造工艺，

包括热冲压成形和激光焊等。生产超高强度钢和超强度铝需要更高要求的制造工艺，而且保证钢铝材料能够在车上正常使用，需要设计相应的钢铝异种材料的连接工艺。因此，基于传统的车架钢制结构，采用铝合金材料制作部分零件，根据性能模拟、优化设计等方式，综合考虑刚度、强度、模态和疲劳性能，对铝替代钢的零件加以确定，并配合相应的连接工艺是今后实现商用车架轻量化的一个重要方向。

1 钢铝材料在车架上的国内外应用现状

因商用车车架需要安装各大总成及承受所产生的载荷，所以目前商用车车架纵梁及横梁等多采用钢板冲压加工成槽型结构。随着车架的发展，车架的强度级别提高到510、590、610、700 MPa和750 MPa等，以适应不同用途的需求。2000年

以前，国内各商用车整车厂在车架上采用的主要是以如Q345和16MnL等普通强度等级的钢材。在2000年以后，国内整车厂开始研发使用高强度钢板。东风商用车在2004年开始研发使用抗拉强度为590 MPa级的热轧高强度钢板，其在

2007年批量用于车架纵梁的生产[5]。同年，开始了抗拉强度为700 MPa级热轧高强度钢板纵梁的试制工作。2012年设计推出的第一款量产的轻量化牵引车车架上采用了750 L高强度钢板，由原来的双层车架优化为单层，局部通过增加加强

板以满足强度要求，减重幅度显著[6]。近年来，北京福田戴姆勒汽车有限公司成

功试制了屈服强度为620～700 MPa级别的汽车用大梁钢的车架纵梁，试制产品

满足工艺及质量要求，并完成道路可靠性试验，使整车轻量化和安全性合理的匹配与平衡，达到了轻量化的目的[7]。目前，国内重型卡车车架纵梁截面多为U字型

直梁与变截面弯梁，材料多选用低合金高强度热轧中厚度钢板，厚度4～10 mm，材料牌号多为510～690 L，通过冲孔、压型、切割、合梁及钻孔等工序加工为成品纵梁。少部分车型采用了700～800 MPa级别的大梁钢板，甚至热处理车架。

欧美发达国家的重卡车系中，如奔驰、沃尔沃、斯堪尼亚、曼恩等系列车系，其车架用钢强度普遍已达到700～800 MPa级别水平[8]，部分公司还采用了1 200 MPa级别以上的热处理车架，甚至铝合金车架，车架重量明显低于国内同类产品。全钢制车架不符合轻量化，而全铝合金车架成本又太高且强度不足，钢铝结合车架利用铝合金替代部分钢制零件，在保证强度的同时，既节省成本，又达到了轻量化的目的。在发达国家，商用车的铝化率已经超过80%，而中国商用车的铝化率除

个别车种如冷藏车外，其他的均很低，发展空间较大[9]。北美地区车型轻量化设

计进行得较早，铸造铝合金研究处于领先水平，铸造工艺先进，也是最早将铸铝合金应用在重型货车底盘的连接及承载零部件上的地区。目前使用铸造铝合金的零件包括横梁及大部分底盘支架，主要采用普通铸造及加压铸造工艺[10]。但近几年随着新型的超高强度的铝合金的出现，汽车制造商有了一个真正的替代方案，超高强度铝合金关键优点是突出的密度-强度比，这允许其与超高强度钢相同的机械性能

并显著地节省重量[11]。在未来的十几年中，肯联铝业等铝制造商将继续投资于研究和开发，以推动超高强度的铝合金发展，为汽车制造商提供额外的选择，使车辆在不牺牲安全性的前提下，质量更轻。

国内新修订的GB1589于2016年7月正式发布，其对商用车的轴荷及质量限值

均进行了压缩。如果总质量下降而整备质量不变，会导致载质量降低，因此，商用车轻量化的需求因政策而加大。考虑到国内路况和超载问题，目前车架的纵梁和横梁仍采用钢制，但其他附件，如油箱和轮毂正逐渐由钢向铝合金过渡。扬州中集通华专用车有限公司于2016年2月推出了一款钢铝混合的45英尺的鹅颈骨架车，主体车架采用高强度钢板，附件一律采用5系和6系铝合金材质。就目前发展趋

势，材料是商用车轻量化的重要途径之一，先进高强钢、铝合金、镁合金、非金属复合材料等用在国产商用车上已经屡见不鲜，促进了商用车的轻量化，但是我国目前商用车先进材料的应用比例和应用的成熟度相较国外先进水平还是比较低的。国内特别是车架仍是以510～590 MPa级大梁钢板为主，铝合金在车架上的总体应用率较低。

2 钢铝结合车架所面临的关键问题

钢铝结合车架结构的理念虽然已经引起国内外汽车企业的高度重视，并在实际的车架制造中有了一定的体现，但是这种车架结构的开发方法与传统的单一材料车架结构相比有很大的不同，仍然面临着一些关键问题亟待解决。

首先，钢和铝的物理特性有较大的区别，2种材料的熔点与热膨胀系数相差较大，焊接过程中难以形成熔核，且易形成脆性的金属间化合物，难以保证接头强度，受热后引起内应力难以消除[12]。另外，铝和钢的电位相差较大，易于发生电化学反应，故钢铝材料结合车架很难通过传统的电阻点焊进行连接，如何克服铝和钢物理化学性质的巨大差异是连接技术的一大难点。

其次，车架轻量化的前提是基于强度和刚度条件进行的，对于铝合金来说，7075铝合金在T6温度下达到约500 MPa的屈服点，在T7温度下的屈服点约为450 MPa。450～500 MPa的屈服点已经非常高，然而如果考虑相同的产品厚度，超高强度钢仍然具有1 100 MPa的屈服强度，强度明显更高。铝合金在强度和刚度方面明显低于钢板。

再次，钢铝结合车架结构的核心是将合适的材料应用于合适的部位，以充分发挥钢和铝在强度、刚度、轻量化方面各自的优势，最大程度上实现车架的轻量化和重要性能的最优。然而，如何为每一个零部件确定其适合的材料，即如何科学地进行材料选择，从众多的可选材料组合中找出最符合设计要求的材料，显然是重点考虑的问题。