載貨汽車輕量化淺析

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1、載貨汽車輕量化淺析 摘要：環(huán)境污染，交通事故，能源緊缺等問題的影響，我國在道路運輸發(fā)展新 理念下提出了自己的措施。載貨汽車輕量化已經(jīng)成為載貨汽車行業(yè)的重中之重， 而受到行業(yè)特點的影響，先進(jìn)的工藝和材料還很難得到有效的利用。將精益設(shè)計 思想與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)合在一起，設(shè)計了更加適合載貨汽車行業(yè)發(fā)展的輕量化流 程,為載貨汽車的輕量化提供一個新的途徑。 關(guān)鍵詞：載貨汽車；輕量化；淺析 引言 汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，給國家的環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排和能源安全等方面帶來 了極大的挑戰(zhàn)。未來汽車技術(shù)發(fā)展的方向主要集中在輕量化、智能化、電動化等 方面，其中，汽車輕量化的節(jié)能減排效果最佳，因此，它成為各國政府大力

2、發(fā)展 汽車工業(yè)、提高全球競爭力的必然選擇，更是汽車企業(yè)和整個制造行業(yè)提高核心 競爭力的現(xiàn)實需求。輕量化技術(shù)不僅適用于傳統(tǒng)汽車，還可以應(yīng)用在新能源汽車 上。 1載貨汽車輕量化設(shè)計流程 有3個方面需要注意：（1）輕量化不僅僅是CAE工程師的事情，流程中需 要結(jié)構(gòu)工程師、總布置設(shè)計師的參與；（2）當(dāng)判定需要輕量化的零件是否必要 時，要求CAE工程師具有足夠的結(jié)構(gòu)判斷能力，否則將被結(jié)構(gòu)工程師誤導(dǎo)；（3） 當(dāng)判定是否滿足輕量化目標(biāo)時，不僅要關(guān)注零件的重量和成本，還要關(guān)注零件的 強(qiáng)度、剛度、模態(tài)以及安全系數(shù)等相關(guān)參數(shù)。 2車身輕量化系數(shù)的優(yōu)化 汽車車架結(jié)構(gòu)形式通常采用邊梁式、中梁式與綜合式3種，對

3、于載貨汽車， 考慮到其載重量、安全性能、零部件的安裝位置等，其車架多采用邊梁式結(jié)構(gòu)。 梁式結(jié)構(gòu)車架的主要承載構(gòu)件為縱梁與橫梁，縱梁用于承受縱向載荷，橫梁則保 證車架的扭轉(zhuǎn)剛度，一般載貨汽車車架由2根縱梁和5?6根橫梁組成。 2.1優(yōu)化前車架 車架的縱橫梁連接方式采用螺栓連接，且加強(qiáng)盒采用老式結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)前支 撐、駕駛室前后支撐、變速箱吊架橫梁結(jié)構(gòu)均未優(yōu)化，導(dǎo)致車架重量大，材料成 本增加，且在縱橫梁連接的螺釘孔附近容易發(fā)生斷裂。通過優(yōu)化設(shè)計改進(jìn)車架縱 橫梁的連接結(jié)構(gòu)、發(fā)動機(jī)前支撐、駕駛室前后支撐、變速箱吊架橫梁等的優(yōu)化設(shè) 計，在保證汽車的載重和安全性不降低的情況下，使車架減重約15%，通過新

4、材 料、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使單臺車架成本大大降低，對節(jié)能環(huán)保有著重要的意義。 2.2部分必要零件 對于焊合零件，或者多個零件組合在一起實現(xiàn)某一功能，宏觀上是必要零件， 但微觀分析，其中的部分零件為非必要零件，可以取消。為了保證功能實現(xiàn)，需 要對保留的零件進(jìn)行重設(shè)計。（1）某載貨汽車的貨箱撐桿固定座。原設(shè)計中的 支座與固定架焊接后，共同固定貨箱撐桿。利用精益設(shè)計的思想對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分 析，則固定架為非必要件，支座為必要件，取消固定架，保留支座，并對支座進(jìn) 行重新設(shè)計，新的設(shè)計借用了縱梁（必要零件），與縱梁新加的孔共同組成新式 的貨箱撐桿座，實現(xiàn)固定貨箱撐桿的功能。 2.3局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 整

5、體的車身框架結(jié)構(gòu)形成后，還需要依據(jù)車身的剛度、模態(tài)、碰撞等性能， 對局部的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在進(jìn)行頂部強(qiáng)度試驗時，由于局部截面變小，且發(fā) 生明顯彎曲，很容易發(fā)生折斷，不能將頂壓的力很好地傳遞給頂蓋下部的車身骨 架，影響車身性能。針對原車型頂蓋梁的結(jié)構(gòu)弱點，對折彎部位進(jìn)行優(yōu)化，盡量 保持各個部位結(jié)構(gòu)的均勻變化，提升零件的剛度，在碰撞過程中保證力能夠傳遞 順暢。 3減輕車身質(zhì)量的方法 3.1高強(qiáng)鋼板的應(yīng)用 高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用是車身輕量化的一個重要手段，在載貨汽車新車型的開發(fā) 中，對車身骨架的主要受力部位采用高強(qiáng)度鋼板取代普通鋼板，以達(dá)到車身輕量 化的目的。由于地板、前圍、后圍總成基本沿用原車型

6、，因此鈑金材料未發(fā)生改 變，與原車型相同。針對新開發(fā)零件，主要受力部位采用高強(qiáng)度鋼板。 3.2鋁合金 與鋼鐵相比，鋁合金具有質(zhì)量輕（其密度為鋼的1/3）、耐腐蝕性好、易于加工 等特點，但成本較高，是近20年來在國內(nèi)外載貨汽車上使用最多的輕量化材料。 常用的包括：鑄造鋁合金一一活塞、氣缸蓋、車輪、離合器蓋、曲軸箱、進(jìn)氣歧 管等；型變鋁合金一一發(fā)動機(jī)罩、貨箱地板、保險杠、車輪、熱交換器（散熱器與 加熱器）、溫度調(diào)節(jié)器（冷凝器與蒸發(fā)器）、油冷卻器以及冷藏車廂、保溫車廂、半 掛車的車廂與車架等。歐、美、日等國多年來鋁合金在汽車上的用量平均年增幅 為10%。據(jù)統(tǒng)計，2003年全球每輛汽車用鋁已從19

7、78年的50kg上升為140kg， 增長1.8倍。 3.3降低頂蓋外板材料的厚度 通過拓?fù)鋬?yōu)化出合理的車身框架結(jié)構(gòu)，局部結(jié)構(gòu)和接頭剛度的優(yōu)化設(shè)計以及 高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用，在保證車身性能的基礎(chǔ)上，可以降低部分零件的材料厚度， 比如頂蓋外板。原車型頂蓋外板選用的材料是DC04,料厚1.0mm。新開發(fā)車型 采用了加磷高強(qiáng)度鋼板B170P1，其屈服強(qiáng)度為170?240MPa，料厚降低到 0.9mm，減重7.6kg。同時，通過外板與頂蓋骨架梁的連接（焊接或膠接），保證 了頂蓋外板的抗凹性和局部剛度。 3.4米用先進(jìn)的制造工藝 通過對由不同制造工藝制造的構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化分析發(fā)現(xiàn)，在各構(gòu)件性能指標(biāo)相同 的

8、情況下，先進(jìn)工藝生產(chǎn)的構(gòu)件要比傳統(tǒng)工藝的輕很多。目前，輕量化制造工藝技 術(shù)主要包括輕量化成型工藝、結(jié)構(gòu)件優(yōu)化連接工藝兩大類。輕量化成型工藝技術(shù) 是在保證構(gòu)件的性能的前提下,通過各種先進(jìn)的成型方法達(dá)到減重的目標(biāo)。液壓成 型技術(shù)、發(fā)泡鋁成型技術(shù)、鎂型材的液壓熱擠出工藝和電磁成型技術(shù)等新的成型 工藝都是汽車輕量化可借鑒的主要技術(shù)方法。而結(jié)構(gòu)件優(yōu)化連接工藝主要是通過 實現(xiàn)部件間的可靠連接實現(xiàn)底盤部件減重。目前，復(fù)合連接、超聲點焊、激光焊接 等都具有很成熟的技術(shù),可以考慮應(yīng)用到底盤結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中。 4國產(chǎn)載貨汽車輕量化材料應(yīng)用展望 4.1競爭機(jī)制的形成 載貨汽車的不少構(gòu)件用材可多種選擇，這就形成

9、了一種競爭的格局。當(dāng)前國 內(nèi)外高強(qiáng)度鋼、鋁合金和塑料在載貨汽車車身外板、車架及車廂部分零部件等方 面的競爭尤為突出。此種競爭必然推動各材料生產(chǎn)廠家提高工藝水平、降低成本， 并推動汽車設(shè)計和制造工藝的進(jìn)步。只要把握好時機(jī)，一旦某種材料在技術(shù)、經(jīng) 濟(jì)及資源上取得了優(yōu)勢，就可使此類部件自身的份額獲得突破性的上升。競爭機(jī) 制的形成是推進(jìn)載貨汽車加速實現(xiàn)輕量化的動力。 4.2性能成本的評價 減輕自質(zhì)量應(yīng)滿足3個基本條件：一是不能影響構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度；二是不 能使成本負(fù)擔(dān)過重；三是修復(fù)成本不能太高。設(shè)計人員在應(yīng)用輕量化材料時除進(jìn) 行強(qiáng)度和剛度等的技術(shù)計算外，應(yīng)進(jìn)行價值分析(即：價值=功能/價格)。例如

10、， 一種載貨汽車需應(yīng)用鋁合金來取代鋼制車廂，需獲得多種資料(有關(guān)鋼材與鋁合金 型材的售價、兩者造價、燃油費、運價、預(yù)期運程、預(yù)期空載與滿載比、預(yù)期使 用壽命等)作為價值分析的基礎(chǔ)，以此作性能成本的綜合評價。 結(jié)束語 實現(xiàn)輕量化是衡量汽車工業(yè)技術(shù)成就的重要標(biāo)志之一，也是業(yè)內(nèi)人士長期追 尋的技術(shù)課題。雖然目前我國輕量化材料的應(yīng)用與國際先進(jìn)水平尚有差距，但我 們相信只要制定政策、明確目標(biāo)、措施得力，國產(chǎn)載貨汽車輕量化的進(jìn)展速度將 很快，其新產(chǎn)品也將會以嶄新的面貌出現(xiàn)在人們面前。 參考文獻(xiàn) [1] 范子杰，桂良進(jìn),蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué) 報,2014,5(1):15-16. [2] 胡建軍，楊長輝,秦飛龍，等.CAE在汽車零部件輕量化設(shè)計方法中的應(yīng)用[J].機(jī) 械工程 師,2014(8):140-141. [3] 王文彬，朱梅云.基于汽車輕量化的管材內(nèi)高壓成形技術(shù)研究[J].鍛壓裝備與 制造技術(shù),2018,?53(6):91-92.