商用車輕量化發(fā)展趨勢(shì)研究

經(jīng)調(diào)研卡車貨運(yùn)量占全部貨物運(yùn)輸量90%以上，近年來(lái)從國(guó)家層面及地方層面實(shí)施的各種強(qiáng)制法規(guī)治理超載，導(dǎo)致卡車市場(chǎng)環(huán)境發(fā)生重大變化。因此在保證車輛的強(qiáng)度、剛度和安全性能的前提下，盡可能地降低車輛的整備質(zhì)量即輕量化具有重要意義。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明若汽車自重每降低100kg，那么行駛100km就可以節(jié)約0.3L至0.6L的燃油。卡車自重約占汽車總質(zhì)量的20％，空載情況下，約70％的油耗作用在自重上。因此卡車輕量化是提高其動(dòng)力性、減少燃料消耗、降低排放、最現(xiàn)實(shí)而又最有效的技術(shù)措施，文章主要介紹汽車行業(yè)輕量化的措施和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著社會(huì)生產(chǎn)效率的日益加快，物流運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展迅猛，急劇升高的商用車保有量對(duì)道路資源、環(huán)境保護(hù)等造成較大壓力。為解決車輛超載造成安全事故、排放超標(biāo)等問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)陸續(xù)出臺(tái)嚴(yán)格的法規(guī)政策，限制車輛載重。在這種背景下，汽車輕量化是提升運(yùn)輸效率，降低車輛燃油消耗及排放的重要措施。重型卡車輕量化是一個(gè)系統(tǒng)性工程，結(jié)構(gòu)方面包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、車橋、車輪等多個(gè)主要總成，技術(shù)途徑包括輕量化材料、工藝等。車輛各總車零部件應(yīng)用多種技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)整車降自重，同時(shí)結(jié)合CAE分析、仿真模擬及樣車實(shí)驗(yàn)等多種措施驗(yàn)證車輛承載能力及可靠性，保障重卡產(chǎn)品輕量化同時(shí)，不降低整車性能。圖1輕量化技術(shù)途徑從各卡車廠商推出的新產(chǎn)品來(lái)看，復(fù)合材料及輕質(zhì)合金材料在整車所用材料中的比例逐漸提高，大量使用復(fù)合材料及輕質(zhì)合金材料是必然的趨勢(shì)。在實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)途徑上，優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)及新材料的應(yīng)用成為選車的主要的因素，即使整車售價(jià)稍高，自重輕的卡車也會(huì)成為客戶的首選，因?yàn)樽灾剌p的卡車不僅拉得多跑得快還省油，所以更受歡迎。1政策法規(guī)對(duì)汽車輕量化的推動(dòng)2016年以來(lái)，新版GB1589、921治超、燃油消耗量限值等新政落地，隨著國(guó)家治超法規(guī)要求地日益嚴(yán)格，超限超載車型在市面上地生存空間也是逐漸地被壓縮，卡車自重的輕量化也就成為了行業(yè)發(fā)展地一種新趨勢(shì)。2卡車輕量化的路徑國(guó)家重大戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略及《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》等政策發(fā)布，明確了商用車在節(jié)能、環(huán)保、智能互聯(lián)等方面的技術(shù)路線，重卡的發(fā)展進(jìn)程中，排放法規(guī)、CO2限制、綜合成本、生產(chǎn)效率是驅(qū)動(dòng)商用汽車技術(shù)升級(jí)的主要因素：2.1高強(qiáng)度金屬材料應(yīng)用圖2高強(qiáng)度金屬材料隨著設(shè)計(jì)水平提升、加工制造工藝的提高及材料性能的提高，單層車架采用變截面高強(qiáng)度金屬材料（屈服強(qiáng)度500MPa級(jí)高強(qiáng)度與傳統(tǒng)材料16MnL相比，屈服強(qiáng)度提高43%，疲勞強(qiáng)度提高44%；使車架減重約300kg左右。采用屈服強(qiáng)度700MPa級(jí)超高強(qiáng)度鋼板，縱梁減重達(dá)23%）在標(biāo)準(zhǔn)載荷的工況下是完全可以勝任的。圖3高強(qiáng)度變截面車架2.2復(fù)合材料應(yīng)用駕駛室是采用復(fù)合材料最多的總成，尤其是外覆蓋件。這樣一方面有效減輕了整車重量，另外一方面由于復(fù)合材料成形性好，造型結(jié)構(gòu)上較金屬?zèng)_壓件可以更復(fù)雜、更加美觀、尺寸更加精確。目前國(guó)產(chǎn)重卡仍偏好全鋼結(jié)構(gòu)的駕駛室結(jié)構(gòu)，這主要和中國(guó)重卡的惡劣工作環(huán)境有關(guān)，重卡面臨著太多的考驗(yàn)和傷害，復(fù)合材料受損后很難修復(fù)，提高了整車的維修保養(yǎng)成本。不過(guò)從近年來(lái)各重卡廠商推出的新產(chǎn)品來(lái)看，復(fù)合材料在整車所用材料中的比例逐漸提高，大量使用復(fù)合材料是必然的趨勢(shì)。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家將汽車使用復(fù)合材料量，作為衡量汽車設(shè)計(jì)和制造水平高低的一個(gè)重要標(biāo)志。如德國(guó)，復(fù)合材料的用量占汽車整體材料的15％。圖4外飾覆蓋件輕質(zhì)復(fù)合材料圖5內(nèi)飾覆蓋件采用碳纖維復(fù)合材料2.3鋁合金材料應(yīng)用鋁合金比鋼材密度小，且耐用。油箱采用鋁合金材料，不但自重減輕，而且油箱內(nèi)不易生銹，免除定期清洗的麻煩。多種材料多種組合，合適的材料用在合適的部位。車身也可以采用鋁合金代替冷軋鋼板。在一些復(fù)合材料無(wú)法替代的部位，使用鋁合金材料，包括鈑金件和鑄造件。油箱采用鋁合金材料，不但自重減輕，而且油箱內(nèi)不易生銹，免除定期清洗的麻煩。車身也可以采用鋁合金代替冷軋鋼板。輪輞、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、變速器機(jī)體等，都可以大量采用鋁合金鑄造，在保證有足夠強(qiáng)度、剛度的同時(shí)，最大限度的減輕重量。圖6輕量化鑄鋁材料2.4使用高強(qiáng)度鋼材鋼板彈簧由于都是金屬件，重量非常大，減輕板簧的重量，也是減輕整備質(zhì)量的重要措施。變截面少片簧是由幾片縱向方向上變截面的板簧組成的。變截面少片簧不但可以減輕重量，還可以通過(guò)減少板簧間的摩擦而提高駕乘的舒適性、延長(zhǎng)使用壽命。使用高強(qiáng)度鋼材可以減薄鋼板厚度，提高廂體強(qiáng)度、減輕自重。在制造工藝條件不變的條件下，采用屈服強(qiáng)度700MPa級(jí)熱軋鋼板代替?zhèn)鹘y(tǒng)400MPa級(jí)的熱軋鋼板，實(shí)現(xiàn)減重20%以上。圖7變截面少片簧圖8高強(qiáng)度傳動(dòng)軸管2.5新型鑄造工藝傳統(tǒng)的沖焊結(jié)構(gòu)零件，由于材料和制造工藝的限制，各部位只能是等厚度的，為了確保零件的整體強(qiáng)度和剛度，沖焊件往往都比較厚重，結(jié)構(gòu)件可以通過(guò)有限元軟件進(jìn)行CAE分析，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)各部位的受力情況設(shè)計(jì)成復(fù)雜的變厚度、變截面的結(jié)構(gòu)，在保證有足夠強(qiáng)度的前提下最大限度的削減不必要的局部厚度，從而大大減輕零件重量。重型卡車變速器殼體，通過(guò)應(yīng)用壓鑄鋁材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降重可達(dá)40%以上。圖9變速器鑄鋼殼體圖10變速器鑄鋁殼體3結(jié)論汽車輕量化是一個(gè)由車輛結(jié)構(gòu)與技術(shù)途徑相結(jié)合的矩陣式工程項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)方面涉及汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身、電氣設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)路徑包含新材料、新技術(shù)及新工藝的應(yīng)用。通過(guò)有效的項(xiàng)目管理，精準(zhǔn)的模擬分析，充分的實(shí)驗(yàn)論證保障車輛降低自重的同時(shí)，承載能力、舒適性、可靠性等關(guān)鍵指標(biāo)不降低。表1車輛結(jié)構(gòu)與技術(shù)途徑矩陣表目前我國(guó)