浅析重型商用车车架轻量化技术的发展及应用

浅析重型商用车车架轻量化技术的发展及应用
东风柳州汽车有限公司　
姓名：周友明 学号：Ｐ１２０２０１２１　
0 引言
随着经济的快速发展，环境污染和能源短缺问题越来越明显，而汽车数量的增加更使这些问题日益严重。

因而，轻型、节能、环保、安全、舒适、低成本成为各汽车制造厂家追求的目标。

2009年备受世界瞩目的哥本哈根会议在全球掀起一股热烈的“哥本哈根”环保风，“低碳经济”已成为社会各界最为关注的热门词汇[1]。

近年来，得益于国家政策的扶持和国内市场的旺盛需求，我国汽车工业发展极为迅速，同时汽车也消耗了大量的不可再生能源，使一些地区出现了大面积的汽油、柴油和天然气等能源相对不足的现象，对人们的日常生活和农工业生产带来了很大的影响，对经济的发展产生了直接限制作用，所以节能减排已成为汽车工业界目前有待解决的重大问题，尤其是节能和环保更是关系到人类的可持续发展。

因此，推进汽车的节能环保显得尤为重要。

1 商用车车架轻量化的意义
目前，我国商用车保有量占全部汽车保有量的23%左右，而燃油消耗占到整个汽车用油量的70%[2]，其中重型商用车的耗油量又占全部商用车耗油量的70%以上。

因此，汽车节能降耗重点就是要抓重型商用车的节能降耗。

轻量化技术是提高汽车燃油经济性、减少尾气排放、节约材料消耗的有效手段。

根据国外的研究数据表明，汽车整车质量每降低100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升；汽车整车质量每减重10%，油耗可降低5%～8%[3]。

国内通过试验对比分析，某典型重型商用车减轻自重的10%，可以降低油耗4.75%[4]。

另外，轻量化对环保也很有好处，车辆每减轻100公斤，CO
排放量可减少约5g/km[5]。

同时，轻量化可
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减少原材料消耗，降低零件成本，增加企业的收益。

因此，轻量化对于消费者、企业以及社会环境都是有益的。

对载货汽车来说，轻量化不但减轻了自身质量还提高了载质量利用系数（汽车最大承载质量与汽车整备质量之比），这是一个综合衡量轻量化的系数，也是
国内外商用车设计的基本准则。

轻量化系数较高的车型能够拥有更高的运输效率，从而降低运输成本[6]，为用户创造价值。

当前大部分商用车车架均为边梁式结构梯形车架，其由两根纵梁和若干根横梁通过连接板铆接或螺栓联接而成（如图1）。

一般重型商用车整备质量为8～18吨，车架重量一般为500kg～1200kg，车架占商用车整备质量的5%～10%，车架轻量化对整车轻量化的贡献非常可观。

因此对重型商用车车架进行轻量化设计就显得非常有必要和有价值。

图1 梯形车架结构
2 商用车车架轻量化的发展历程及趋势
车架总成是整个汽车的基础，是汽车的脊梁。

汽车上的其他大总成，如驾驶室、油箱、电瓶框等都装配在车架上，货物的载荷也直接或通过副梁传递到车架上，车架总成既是整车上重要的承载结构同时也是传力构件。

发动机输出动力通过变速器、传动轴将扭矩传给驱动桥，驱动汽车行驶。

汽车承载的质量及动力都作用于车架，其结构性能影响着整车的正常行驶，所以车架需要满足一定的强度和刚度条件，其轻量化设计也必须在满足这两个条件的基础上进行。

因商用车车架需要安装各大总成及承受其所产生的载荷，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（如图2）。

在2000年以前，国内各商用车主机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，国内各主机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590MPa级的热轧高强度钢板，2007年批量用于车架纵梁的生产[7-8]。

同时在2007年，就已经开始了抗拉强度为700MPa级热轧高强度钢板纵梁的试制工作，目前已在高端轻量化车型上采用。

一汽解放在2002年开始研究使用屈服强度为500MPa级的高强度钢板用于车架纵梁及横梁连接板等零件[9]。

2006年开始研发使用屈服强度为700MPa级（抗拉强度为750MPa级）的高强度钢板[10]，目前已在部分轻量化车型上采用。

图2 常见的槽型结构纵梁和横梁
2010年前后，国内各商用车主机厂家均推出了轻量化车型，如重汽豪泺2010款高速标载型牵引车（如图3），东风天龙2010款轻量化牵引车（如图4），解放J6高端国Ⅳ牵引车（如图5），陕汽2010款德龙F3000轻量化牵引车（如图6）。

其中重汽、解放和陕汽均对车架进行了轻量化设计。

通过采用拓扑优化，CAE分析等先进的设计方法，应用高强度钢板，在保证不降低车架本身强度的条件下尽可能地降低车架重量，实现减少整车整备质量，降低油耗的目的。

图3 豪泺2010款高速标载牵引车图4 天龙2010款轻量化牵引车
图5 解放J6P轻量化牵引车图6 德龙F3000轻量化牵引车
我公司从2005年开始研发并在牵引车车架纵梁上应用抗拉强度为590MPa 级的热轧高强度钢板，用于提高车架的承载能力。

2008年开始进行全新的车架轻量化研究工作，在2012年，设计推出了第一款量产的轻量化牵引车（如图7），其车架采用基于高强度材料替代的拓扑优化进行轻量化设计，通过采用750L高强度钢板，由原来的双层车架优化为单层车架，局部通过增加加强板以满足强度要求，车架重量由原来的828Kg减少为624Kg，降重幅度达24.6%，轻量化效果非常显著。

图7 东风柳汽霸龙M7轻量化牵引车
在重型商用车设计制造过程中，发达国家已普遍采用了屈服强度为700MPa 级的高强度钢板制作车架纵梁，取消纵梁的内加强板，有效减轻了车架自身质量。

近几年，国外各主机厂已经陆续开始研究并试用屈服强度为800MPa级的超高强度钢板。

最新资料显示，近20年，国外乘用车平均每10年减轻质量8%～9%，商用车减轻质量10%～15%。

由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流，国际上平均每车每年自身质量减轻1%，国内自主乘用车较国外同类车自身质量约高8%～10%，商用车约高10%～15%[8]。

因此，要达到发达国家水平，国内各主机厂在轻量化方面还有很多工作要做。

为了提高汽车的承载质量，降低汽车制造成本，降低油耗，减少排放。

高强度钢板乃至超高强度钢板在国内外商用车车架制造中的应用越来越广泛，同时因为钢材强度的不断提高，车架零件的制造工艺与原来的生产工艺相比也会发生很大变化。

随着生产工艺的不断成熟，市场的逐步规范，未来5-10年国内商用车
车架会大量应用屈服强度在700MPa级的高强度钢板。

3 商用车车架轻量化的方法
汽车轻量化的主要途径：一是采用比如高强度钢板、铝合金、镁合金和新型复合材料等强度更高、重量更轻的新型轻量化材料；二是应用以CAE为基础的现代结构优化技术设计汽车各零部件的结构，使结构部件薄壁化、中空化、小型化以及对零部件进行结构形状变更等以寻求最大限度地减轻零部件的重量[11]。

3.1 高强度材料替代轻量化
采用高强度材料替代进行轻量化是最简单的也是大家在日常工作中最容易想到的轻量化方法，它仅需将原有普通材料更换为高强度材料，同时减薄或减小零件尺寸，在保证强度等同于原结构的前提下实现轻量化设计。

商用车车架因整车布置及各系统零部件安装的需要，目前采用的基本是边梁式梯形结构车架，另外为了减少工艺生产难度，所以其各零部件的结构也会设计的尽可能简单。

因此在车架纵梁和车架整体结构这一块，商用车车架无法像乘用车那样可以设计为中空或其他更有利于轻量化的结构。

更多的便是通过将车架总成上的各零部件采用高强度钢板替代原来的普通钢板进行减薄设计实现轻量化。

3.2 优化车架结构轻量化
优化车架结构进行轻量化，是指在不更换原有零件的材料，通过以CAE为基础的现代结构优化技术设计手段，在保证车架强度和刚度的前提下，对车架的结构形状进行改变，将对车架强度和刚度无贡献或贡献小的零件进行取消，减薄或缩小尺寸实现轻量化。

如以前的商用车车架普遍采用双层大梁，通过优化分析，可以设计为单层大梁，根据不同工况需要适当对车架做些局部加强，以保证车架总成的强度和刚度和原车架相当。

另外车架总成上除了大量的冲压板件之外，还有部分的铸件或锻件，对这些零件进行轻量化也是十分有必要的，而这些零件的结构形状是可以根据需要改变的，有较大的更改空间，因此可以对这些零件进行等应力设计。

等应力设计相对于等厚度设计，出于整车安全系数需要的等厚度设计必然会造成材料的浪费和重量的增加。

通过采用CAE分析、拓扑优化等手段，对零部件进行优化设计，使零
部件各个部位的应力值相等或接近，即各个部位的壁厚不一致，受力小的部位减薄料厚或不要材料，从而实现减轻零件的重量[5]。

采用高强度材料替代和通过CAE分析优化车架结构两种方法是目前车架轻量化采用最多，也是最有效的方法，效果也是非常明显的。

这两种方法在实际工作中应该是相辅相成，共同使用才能更大地挖掘出车架轻量化的空间，才能保证优化后的车架可靠。

在上述轻量化方法的基础上，通过细化扩展，借助先进的设计优化软件，学者、设计师或工程师们提出了很多的轻量化设计方法，开展了大量的车架轻量化设计工作。

如邓聚才的基于灵敏度仿真的重卡牵引车车架轻量化设计[12]，王孟的基于ANSYS二次开发的车架轻量化设计系统[13]，宋年秀的基于MSC_Patran的牵引车车架轻量化设计[14]，李鹏的基于台架试验的重型商用车车架研究[15]，张文博的重型商用汽车车架轻量化设计[16]，王继锋的参数优化技术在汽车车架轻量化中的应用[17]等。

为车架的轻量化提供了大量的参考理论依据。

4 商用车车架轻量化的工艺瓶颈及技术难点
4.1 高强度钢板的发展
目前国内已经批量生产高强度热轧钢板为700MPa级钢板，800MPa级及以上强度的高强度热轧钢板处于小批试用阶段，主要用在工程机械产品上，在商用车车架上暂时还无厂家试用。

特别是900MPa以上的材料金相组织为“贝氏体+马氏体”（900MPa以下的材料为铁素体析出强化+贝氏体），其延伸率较低，在10%左右，不适用于成型件，一般需采用焊接形式形成构件。

因目前的热轧技术已经基本做到极限，如果要再进一步提高抗拉强度，需要进行热处理，这样会导致钢材成本大幅增加。

随着钢材强度的提高，加工难度也会变大，对设备能力的要求也有所提高，因此需要调整设计方案和制造工艺，如设计上将零件厚度减薄。

4.2 高强度钢的成型能力
1）传统的车架纵梁成型工艺
传统的车架纵梁成型工艺主要为模具冲压成型，其具有生产效率高，质量稳定的特点，适用于单一品种的大批量生产，特别是可以进行双梁合压成型。

其采用的压力机吨位较大，一般在3000吨以上。

压力机有油压机和机械式压力机两
种，机械式压力机效率高；油压机成型过程中保压时间比机械式压力机稍长，对比同等吨位机械式压力机，具有成型后回弹少，质量更稳定的优点。

因此过去通常采用的机械式压力机逐步被油压机所替代。

图8为亚洲最大的6300吨机械式压力机，图9为5000吨油压机。

2）车架纵梁的辊压成型工艺
辊压成型是与模具成型完全不同的纵梁生产工艺，辊压成型是辊轮在做旋转运动把纵梁带动向前的同时将纵梁逐步弯曲成型。

其具有生产效率高，产品质量稳定，零件长度可以随时调整等优点。

国内的辊压线在生产不同纵梁高度（即槽型宽度）时，需要更换辊轮，而更换辊轮和调试的时间较长。

目前国外的辊压成型线通过伺服电机控制可在极短时间内完成产品料厚、槽宽和长度等参数的设置转换，且成型质量稳定，但设备非常昂贵，投入较大。

如东风和重汽采用了意大利Stam公司的辊压线[18]，如图10、图11所示。

图8 6300吨机械式压力机图9 5000吨油压机
图10 东风商用车纵梁辊压线图11 重汽商用车纵梁辊压线
对于高强度板，采用传统的成型工艺会因设备压力问题导致无法采用双梁合压。

因此传统的生产工艺必须要进行改造以满足高强度板的成型能力要求，如采
用辊压成型或采用单压工艺（即纵梁和纵梁加强板分别成型后再组合）。

同时，冲孔和剪切设备也需要相应升级冲头和刀具，采用强度更高、耐磨性更好的材料所制作的冲头和刀具，例如采用SKD12刀具材料。

若采用更高强度的钢板，上述工艺问题会更为严重，所以，车架的生产工艺也将会是未来几年内制约向更高强度钢板发展的重要因素之一。

4.3 轻量化和刚度的矛盾
车架进行轻量化的前提条件是基于强度和刚度条件进行的，要满足强度条件可以通过采用高强度钢板实现，但是要实现刚度的不变，需要进行结构的改变。

而一般情况下，商用车车架均是通过更改零件板厚实现的，而降低板厚，势必会导致刚度的下降。

而商用车车架纵梁结构因整车布置需要，无法做大的变更，要维持刚度不变，其轻量化的效果可能就不会太大，所以轻量化和刚度是相互影响也是相互存在矛盾的。

但是，对于某一款车架，其刚度在一定范围内也是可以适当改变的。

至于可调整的范围有多大，刚度能允许下降到什么程度，是进行轻量化工作中的难点，也是以后轻量化工作中的重点。

5 结束语
轻量化是现代汽车工业的重点课题，也是汽车工业长远发展的有力保障。

笔者结合自身工作，对商用车车架轻量化的意义和发展做了简单阐述。

同时对车架轻量化的方法、技术难点及影响轻量化发展的工艺瓶颈进行了简单的分析介绍。

希望能为从事车架轻量化研究工作者提供一点参考信息和意见。

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