边梁式车架轻量化研究现状与发展趋势

2020-03-26张照军王镇江杨大勇盖琪欣

汽车零部件 2020年2期

张照军，王镇江，杨大勇，盖琪欣

(1.广西科技大学机械与交通工程学院，广西柳州 545006；2.广西科技大学广西车辆零部件与整车技术重点实验室，广西柳州 545006)

0 引言

近些年国家出台政策推进节能减排，限制汽车排放，减轻汽车质量首先能减少燃油消耗、减少排放、装载质量更大。据研究发现汽车质量每减少100 kg，每百公里节约燃油0.7%，排放减少5 g/km[1]。汽车总质量对燃油消耗量的影响如图1所示[2]。其次能提高汽车的动力性、燃油经济性、舒适性、操纵稳定性、制动性等性能[3]。当前实现车架轻量化的措施集中在优化车架结构、利用新材料、使用新工艺三方面[4]。

车架设计需要从安全性、舒适性、耐久性等多方位考虑，根据设计目的不同，优化后的车架结构也有所区别。以安全性为目的、增强耐撞性的车架，为了保证汽车在正面碰撞时能够尽可能地保证驾驶员及乘客安全，设计时重点考虑车架的耐撞性能，提高安全系数，会增加一些强化构件，强度增大了但质量有一定的增加，影响了汽车的舒适性、燃油经济性。以舒适性为目的车架受刚度影响较大，刚度越高舒适性越好[5]。设计时需要关注车架在不同工况下的固有频率、发动机的频率等。有时为了使两者频率尽可能远离不引起共振，会对车架某些结构刚度进行适当的增大，此时就会影响汽车安全性和燃油经济性。以燃油经济性为目的车架，设计的车架要尽可能地轻，需用不同方法设计车架结构，从中选择用材最少、质量最轻的一款。虽然某些部件进行了轻量化，安全系数和刚度会有所降低，但是车架质量减轻了，燃油经济性得到了提高。目前牵引车一般采用双层车架变单层车架、局部加强，载货车常用降低纵梁截面高度和减薄材料来实现轻量化。

新型轻质材料的应用是实现车架轻量化的重要举措[6]。过去制作边梁式车架的材料几乎都是普通钢，质量大强度还低。随着镁、铝、碳纤维、高强度钢等新材料的成功研发和市场化，它们在汽车上得到大量的应用[7]，如图2所示[8]。镁、铝、碳纤维等制作而成的车架以质量轻、强度高、刚度大等优点在汽车领域得到广泛应用。

图2 奥迪A8车身材料应用

汽车制造工艺随着制造业的发展也得到了提升。过去车架部件连接多采用人工焊接，钣金件采用冲压等工艺，产品质量难以保证，容易产生应力集中问题[9]。如今一般采用激光焊接、高压成型等先进工艺保证产品质量，也一定程度上实现了轻量化。例如通用汽车在CT6上成功地少用了约1 800个铆接点，通过激光焊接减重1.81 kg。

本文作者以边梁式车架为例详细介绍了车架结构优化，新材料、新工艺对轻量化的影响，阐述了车架轻量化过程中所遇到的问题及解决办法并对车架未来轻量化方向进行了预测。图3所示为边梁式车架。

图3 边梁式车架

1 边梁式车架轻量化国内外研究

1.1 结构优化研究

文献[10]中利用变密度法对某公交车车架进行拓扑优化，优化后的车架质量降低了19.6%，轻量化系数达0.005 8，小于原来的0.010 4。文献[11]中对某卡车车架进行区间分段拓扑优化，优化后车架厚度至少减小了1 mm,车架总质量减轻了10.16%。文献[12]中对某空投越野车车架采用尺寸优化方法优化，优化后车架部分零件厚度降低，质量降低11.7%。文献[13]中研究某载货汽车车架，通过拓扑优化对车架横梁位置、纵梁厚度进行优化。优化后车架质量减小，轻量化系数变小,从0.76到0.64。文献[14]中对某自卸车车架采用Gingrich近似模型进行拓扑优化，优化后的车架体积减小6.2%，质量减小4.24%。文献[15]中对BS960汽车车架前梁可变截面、纵梁厚度进行优化，优化后的车架质量减轻21%。

通过研究以上文献，作者发现研究人员都只是单纯地从结构方面来研究车架的轻量化而没有考虑制造的工艺及成本。由于不熟悉当前制造工艺手段，设计出的新车架加工困难、进行相应部件安装时不方便，甚至需要增加某些零部件，最终导致车架质量几乎没有减少成本却增加了。再者都没有考虑使用新型轻质材料对车架结构中受力小的部件进行替换，没有达到理想的轻量化效果。

1.2 车架材料研究

文献[16]中对某国产SUV车架用正交试验法确定需轻量化部件并将之用铝合金替换设计出钢-铝混合车架，并根据形貌优化方法优化横纵梁的截面、长度尺寸，优化后总质量减小6.7 kg。文献[17]中分析优化了合金车架结构和制造工艺，实现了车架轻量化。文献[18]中用镁合金制作的车身有更好的乘坐舒适性，较一般的钢铁车架实现了车辆的轻量化。文献[19]中针对某车架，用铁、铝合金、镁合金制作3种不同材料车架并进行质量对比，结果显示铝合金车架质量比铁制车架减轻70%，镁合金车架质量比铝合金车架减轻40%。文献[20]中利用高强度钢制作低平板载货货车车架，结果显示新材料车架质量降低13.25%。文献[21]中采用碳纤维-铝合金设计比赛用节能车车架，实现了车架的轻量化。文献[22]中采用轻量化复合材料设计客车车架及车体，研究显示此材料车体比铝合金车体减重20%，实现轻量化。

新型轻质材料能够减轻车架质量毋庸置疑，因此很多研究者设计时就简单地采用轻质材料或者对原车架材料进行简单替换，并没有考虑连接工艺与价格问题，导致制作出的车架并没有达到理想的轻量化效果。铝、镁、碳纤维等新型轻质材料的连接必须应用电阻点焊、铝合金钎焊、胶粘等先进工艺，而新材料和新工艺的应用会使成本提高，设计者却并未考虑。此外，通过观察发现市场上很多所谓高强度钢并不是真正意义上的高强度钢，两者性能差异大，要达到同样的强度，利用此种材料制作的车架质量并没有减少。

1.3 车架制造工艺研究

文献[23]中等对某卡车车架上将螺栓连接替换成铆接的可行性进行了分析，分析结果表明铆接的剪切强度比铆钉提升了14%，比螺栓提高了38.5%，寿命是螺栓的3.65倍，使用铆接技术车架质量减小了67%。文献[24-27]中研究铆接工艺、纵梁孔及制作工艺对车架的影响，也表明了采用先进的工艺不仅产品质量得到保证还能实现轻量化。

新型轻质材料的出现推动了汽车轻量化的进程，对于新型材料连接，传统工艺已无法满足要求，促使粘接、TIG/MIG焊等先进工艺出现。随着新型材料应用越来越广泛，新型工艺也将得到快速发展。

2 边梁式车架轻量化发展趋势

2.1 车架结构方面

从结构方面实现车架轻量化可通过两个方式进行：第一，利用CAE设计新的车架结构或者是优化原有结构，目前常采用拓扑优化等方法对车架进行减薄、减尺寸、打孔以达到轻量化的目的；第二，通过车架的集成化，减少零部件数量，实现轻量化。

2.2 车架材料方面

未来10年，增加高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料的用量是实现汽车轻量化的重要举措。通过研究铝合金力学性能如耐烧蚀、焊接工艺[28-33]，碳纤维吸能、耐腐蚀[34-37]，高强度钢的弹塑性力学特性[38-41]，知道了制作车架的新型材料的优点与缺陷，所以掌握新材料连接工艺并解决存在的问题，对企业在市场竞争中能否占据优势地位具有重要影响。主要轻量化材料在汽车上的应用及用量趋势如图4所示[42]。

图4 主要轻量化材料在汽车上的应用及用量趋势

(1)铝合金车架。虽然制作铝合金车架的铝板成型变形大、金属疲劳性差安全性不高，焊接较为困难[43]，但是通过文献[44-48]可知可以利用铝合金钎焊、电阻点焊等方式解决。铝合金一体化车架强度高质量却很轻，应用铝合金车架可以实现汽车轻量化。图5为某卡车铝合金车架图。

图5 铝合金车架

(2)碳纤维车架。碳纤维复合材料具有质量是铁的50%、铝的70%，强度是铁的10倍、铝的5倍[49]，密度是钢的1/4，刚度、强度却是钢的2倍以上，优良的延展性和耐腐蚀性[50]等优点，目前将它加入其他金属、非金属材料里面以改善材料性能。虽然碳纤维复合材料连接困难且价格高，但是等技术成熟、价格降下之后可设计碳纤维一体式车架，应用在汽车车架上将会极大减轻汽车质量。

(3)高强度钢车架。高强度钢和普通钢主要成分都是铁但高强度钢加有稀有元素，具有耐磨、强度刚度大、抗冲击强等特点，同等条件下实现相同的性能高强度钢用量更少[51]。虽然高强度钢(如双相钢、复相钢、马氏体钢、热成型钢等)容易断裂且遇到强电流容易退火破坏原有结构[52]，但是可以通过控制电流电压大小、热的输入量、焊接效率等方式解决高强度钢韧性差、焊接难问题。过去的卡车大梁至少两层即外纵梁和内加强梁，而采用高强度钢只用单层，满足性能的同时还能实现轻量化。图6为采用610L高强度钢板的某型卡车车架。

图6 610L高强度钢车架

(4)混合车架。混合车架即利用多种材料组合成的车架，可根据实际需求进行多种材料自由组合，设计出侧重点不同的车架。混合车架使各部分材料都能充分发挥性能的同时还能实现质量最轻。虽然多种材料间的连接工艺目前还不成熟，但是相信随着科技的发展多材料连接工艺将会得到快速发展。如EXPERT公司发明了一种变频微波固化技术，使胶在20 s以内就能固化，生产效率极大提高[53]，对于非金属间的连接非常实用。混合式车架是未来车架轻量化发展的主要方向。

2.3 车架工艺方面

汽车工艺包括成型工艺和连接工艺。汽车制造拥有9大先进成型工艺(高强钢热成型、内高压成型、辊压成型、激光拼焊等)，每种工艺都有其特点也有应用场合。激光拼焊用于纵、横梁，车身、B柱等的拼接。内高压成型用于扭梁、副车架等制作。热成型工艺用于保险杠、A柱等的制作[54]。为进一步减轻汽车质量，有些汽车公司已经开始使用树脂传递模塑成型工艺制作碳纤维底板。目前汽车工业生产多采用点焊和二保焊，传统焊接工艺已经不适用铝合金等的焊接，因为焊接时存在强度降低问题。因此，目前采用TIG/MIG焊、铆接、胶粘接、铝合金钎焊等方法。据一项研究报告：到2030年轻量化材料在汽车上的应用将从5%提升到30%，相应的连接工艺也发生变化。点焊将被取代，胶接、铆接等先进工艺将会在汽车上大量应用[55]。

(1)高强度钢车架与传统的承载式车身制作过程相似，只是采用的工艺略有不同。普通车架多为冲压成型，容易产生不均匀应力，焊接后刚度不够；高强度车架采用高压成型、热成型等，成型的构件分子分布均匀，不会产生上述问题[56]。

(2)车架上有很多地方通过铆接、焊接连接部件，但容易产生应力集中，操作也不方便。激光拼焊、胶粘连接[57]却能避免这类缺点，焊接、胶粘都不用打孔，不会对强度、刚度造成影响。如凯迪拉克使用了铝合金钎焊、铝激光焊、铝电阻点焊等先进工艺。图7为到2030年车身连接工艺技术发展趋势[58]。