结构优化和新材料技术对商用车轻量化的影响

童波，邵庆贤，汤艳，王双龙，孙成武

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

结构优化和新材料技术对商用车轻量化的影响

童波，邵庆贤，汤艳，王双龙，孙成武

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

介绍了车身轻量化工作的重要意义、国内目前汽车轻量化的发展趋势，描述了国内商用车企业轻量化所面临的诸多困难。说明了商用车轻量化的基础：必须在保证汽车安全性的前提下，同时达到车身刚度、疲劳耐久性、操控稳定性和振动舒适性。论述了轻质材料和结构优化设计在商用车轻量化上的综合应用。

商用车；轻量化；结构；材料

0 前言

安全、节能和环保已成为汽车用户最关心的性能指标。如何设计制造出更安全、节能、环保的汽车也是当今汽车制造的重点发展方向。研究表明:汽车的燃油消耗与汽车的自身质量成正比，汽车质量每降低1%，燃油消耗也随之降低0.6%～1%，燃油消耗下降，排放也随之减少。因此降低汽车自身质量成为提高节能环保性能的有效途径。而白车身作为车身骨架，一般占整车质量的22%～25%，其轻量化对降低整车质量意义重大。因此，汽车车身轻量化技术已成为当今汽车技术的重点课题。

1 车身轻量化的基础

车身轻量化必须在保证汽车安全性的前提下，同时达到车身刚度、疲劳耐久性、操控稳定性和振动舒适性等要求，这是商用车及乘用车都必须遵循的规则。

1.1 车身结构安全

车身结构安全属于汽车的被动安全范畴，目的在于保护车内乘员的安全。

自20世纪50年代起，国外已经陆续开始制定汽车被动安全法规，如美国联邦机动车法规体系(FMVSS)和欧洲法规体系(ECE/EEC)。而我国强制性汽车被动安全标准(GB)主要是参考欧洲法规体系。另外还有各国的新车评价体系(NCAP)全面地为消费者提供汽车安全性能方面的信息。

车身结构直接影响整车是否满足被动安全法规。包括正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞、翻滚和低速碰撞等。车身结构在设计上一般分为低速行人保护区、相容吸能区和乘员保护区。

1.2 车身刚度

评价车身结构力学性能的主要指标是车身刚度，包括动态刚度和静态刚度，静态刚度分为扭转刚度和弯曲刚度两个方面。在车身轻量化中，必须保证达到车身刚度的要求才能使整车的疲劳耐久性和振动舒适性不受影响。

1.3 车身轻量化系数

为了评价轻量化的效率，引申出了车身轻量化系数的概念，通过如下公式计算：

式中：L为轻量化系数；mBIW为白车身质量；CT为白车身静态扭转刚度；A为白车身投影面积，由整车轴距与轮距相乘获得。轻量化系数L值越小，车身轻量化做得越好。

2 商用车轻量化的方法

商用车轻量化的思路参考乘用车，分为3个方面：采用轻质材料、结构优化设计、制造工艺优化。

2.1 采用轻质材料

主要是采用轻量化材料和轻量化材料成型技术，以达到减轻零部件质量的目的。汽车车身设计中轻质材料的比重不断增加,合金、高强钢、塑料、复合材料及陶瓷等的应用越来越多。而对于商用车来说，铝合金、塑料的应用越来越多。图1所示为材料成分随年份的改变情况。

2.1.1 高强钢板

高强钢是汽车用材料主要发展方向之一。有高强钢(屈服强度大于210 MPa)、超高强钢(屈服强度大于550 MPa)和先进高强钢。

他也确实这样做了，他经常去镇里的书店看书，从他的村子到镇上，步行要一两个小时，他早上出门可能中午才能到，有时候回来时天都已经黑了，他却不觉得疲倦，脸上往往有满足的笑容。

目前汽车使用的高强度钢主要为板材与管材，取代普钢、铸铁用于车身零件和其他结构件，并且主要应用在汽车车身、底盘、悬架和转向系零件上。

2.1.2 铝合金

铝合金具有比强度高、耐腐蚀性能优良、适合多种成形方法、较易再生利用等优点，是汽车工业应用较多的金属材料。

随着铝合金技术的开发与应用，未来铝材料在整车中的应用范围将进一步扩大。预计铝材料将成为仅次于钢的第二大汽车材料。

2.1.3 工程塑料

汽车用塑料主要是通用工程塑料、塑料合金和增强塑料。在汽车中最早用于仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板等内装件，而后逐渐向外装件、结构件和功能件扩展,如车身外板、后阻流板等，见图2。

今后汽车用塑料的发展方向是开发结构件、功能件、外饰件用的高性能树脂材料、增强塑料复合材料、塑料共混物及塑料合金。

2.2 结构优化设计

2.2.1 商用车货箱结构优化

货箱的存在可以说是商用车不同于乘用车的标志之一，货箱的质量是整车质量的重要组成部分，优化货箱结构，将大大地降低整车的质量。

见图3，对部分车型货箱的边板进行了一次优化，既不降低其使用性，又大大降低了质量，单台可降低25 kg。

2.2.2 商用车驾驶室结构优化

商用车的驾驶室就相当于乘用车的车身，只是它与底盘部件的连接有所不同。商用车车身的结构优化工作类似于乘用车车身的结构优化工作。对于新开发的商用车车身，按照目前的设计开发原则及采用的计算方法，基本上都属于最为优化的结构。因此商用车驾驶室轻量化的工作主要是对已存在的产品进行改进，优化一些不好的结构。

对某轻卡的车身结构进行详细的分析，对部分轻型卡车的驾驶室地板进行了优化，消除了不必要的浪费，并通过大量的试验验证了其可靠性，是商用车驾驶室轻量化的一次典型应用，见图4。

2.2.3 商用车底盘结构优化

商用车底盘与乘用车的区别大，车架是底盘的重要组成部分，其结构的优化对轻量化的推进起到决定性的作用，多采用变截面的方法对车架进行轻量化工作，因涉及到中国市场最为敏感的超载问题，车架的轻量化工作推进的难度大。目前某公司的车架轻量化工作正在沿着结构优化的方向进行持续的研究。

3 总结

商用车轻量化技术是轻质材料、结构优化设计等技术的综合应用。得益于近年来新材料研究的迅速发展，可选轻质材料范围不断扩大，但是目前对于商用车来说，工程塑料和铝合金是应用最多的轻质材料。而结构优化设计则要对产品结构有足够的理解，消除多余部件，优化现有结构。

如何实现商用车的轻量化，达到最好的节能环保效果？应该根据产品定位、优化设计能力和制造工艺水平进行整体考虑，同时考虑成本因素，在满足车身刚度、结构安全性、疲劳耐久性、操控稳定性等前提下，选择最合适的轻量化途径，最终增强产品的竞争力。

【1】姜超，张悦.汽车轻量化材料及成形技术[J].汽车工艺与材料，2008(12):9-16.

【2】倪红.塑料在汽车上的运用及汽车翅料零件成本构成浅析[J].中国科技信息，2008(19)：132-133．

【3】王智文.汽车轻量化技术发展现状初探[J].汽车工艺与材料，2009(2):1-6．

【4】高亚楠，温龙飞.浅谈汽车材料的轻量化发展态势[J].汽车工程研究，2007(3)：33-35．

【5】中国汽车工程学会.世界汽车技术发展跟踪研究[M].北京：北京理工大学出版社，2006．

EffectsofStructuralOptimizationandNewMaterialsTechnologyonCommercialVehiclesLightweight

TONG Bo，SHAO Qingxian，TANG Yan，WANG Shuanglong，SUN Chengwu

(Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601,China)

The important meaning of body lightweight and the vehicles lightweight development tendency in China were introduced. The difficulties about vehicle lightweight in front of Chinese commercial vehicle company were described. The basis of commercial vehicle lightweight was：under the requirement of assuring vehicle safety, body stiffness, fatigue durability, control stability and vibration comfort should be achieved. Comprehensive application of the lightweight materials and structural optimization design on commercial vehicles were discussed.

Commercial vehicle；Lightweight；Structure；Material

2015-01-19

童波，男，本科，从事项目管理工作。E-mail：ai041031@163.com。