高强钢材料在轻卡车厢上的应用

贾彩霞，陈 华，张龙柱，杨西鹏，王连轩

(河钢集团邯钢技术中心，河北 邯郸 056038)

2019年5月21日，央视《焦点访谈》播出了“空车超载 轻卡不轻”节目，曝光了中国重汽、陕汽集团等汽车生产企业生产的4.5吨以下轻型货车产品不符合车辆生产一致性管理要求的问题，轻型货车在空载情况下的整备质量就已经超过了车辆的标准质量，俗称“大吨小标”事件。随着央视“大吨小标”事件的曝光，蓝牌轻卡面临着无法获取牌照的问题，蓝牌轻卡的销量出现断崖式的下跌。 “大吨小标”事件曝光后，为轻卡减重成为各大主机厂迫在眉睫的工作，各大主机厂也纷纷开展超重车辆的轻量化工作。本文针对某主机厂的超重轻卡车型，从结构和高强钢材料两方面对超重车辆的车厢开展了轻量化工作，有效降低了车辆的整备质量，从而使超重车辆能够满足法规要求。

1 轻量化技术概述[1]

汽车轻量化技术一直是各个汽车厂家重点研究的内容，经过几十年的发展，它已经取得了长足的进步。目前，实现汽车轻量化主要有三种途径：1)轻量化结构设计；2)轻量化制造工艺；3)轻量化材料的应用。

1.1 轻量化结构设计

从车身结构方面实现轻量化，主要有整体车身的拓扑优化设计、尺寸形状再优化。拓扑优化为基于经验目标函数的宏观优化，尺寸形状再优化和材料布局优化则为局部的调整细化。

1.2 轻量化制造工艺

传统的板材连接方式如点焊，表面处理过程复杂、生产成本较高、生产效率较低，无法满足轻量化车身对板材连接的要求。而锁铆连接技术在连接轻质材料如铝合金、镁合金等材料上具有很大优势，在连接异种材质或表面有镀层的板料时，其优势更加显著。锁铆连接在连接前无需预冲孔、工艺步骤简单、生产效率高，在轻量化车身制造上具有广阔的发展前景，在汽车车身连接中占据很重要的地位。

1.3 轻量化材料的应用

轻量化材料包括高强度钢、铝合金、镁合金等。

高强度钢具有强度高、质量轻、价格低等特点，将其应用到汽车上可以有效降低车型的整备质量，同时还能提高汽车的安全性能。铝合金优势为低密度、高轻度、高弹性、高抗冲击性能、易着色等。铝合金已经成为了一种比较理想的轻量化材料，未来随着成形技术和连接技术的发展，铝合金的使用会越来越广泛。镁合金具有密度低、质量轻、比强度优于铝合金和钢等优势，但由于其高温疲劳性能较差和抗蠕变能力弱，限制了其在汽车上的应用。

结合商用车的强度和刚度性能，以及生产制造过程中的成本控制、材料的价格等因素，高强钢材料成为广大商用车制造厂的首选材料[2]。

2 轻量化技术应用

某款商用轻卡车厢如图1所示，车厢自重580 kg，最大载重量为7 t，车厢材料主要使用Q235，车厢地板厚度2.5 mm，侧围挡板厚度1.8 mm，客户存在强烈的轻量化需求。结合轻量化方法对车厢进行减重，一方面对车厢横梁和纵梁进行结构优化；另一方面使用高强钢材料HC980FG替换原先的普材Q235，并将料厚减薄以达到减重的目的。

图1 某款商用轻卡车厢Fig.1 The Compartment of a Commercial Light Truck

2.1 结构优化

原车厢横梁和纵梁结构采用槽钢的形式，如图2，最厚的地方达到10 mm。使用矩形结构后，如图3，厚度降低到2.5 mm，实现减重30 kg左右。对结构优化前后的大梁进行刚度分析[3]，如图4，结果表明能够满足使用要求。

图2 槽钢 图3 矩管Fig.2 Channel Steel Fig.3 Rectangular tube

图4 刚度分析Fig.4 Stiffness analysis

2.2 高强钢材料替换

高强钢材料具有强度高，质量轻的特点，是现阶段运用最为广泛的轻量化材料。该车型车厢的原始材料主要采用Q235，屈服强度在250 MPa左右，高强钢HC980FG材料的屈服在1000 MPa左右，使用高强钢材料代替普材，并将零件厚度进行减薄以实现轻量化的目的，设计经验公式为[4]：

(1)

式中：t2-高强钢的板材厚度，mm；

t1-普材的板材厚度,mm；

ReL1-普材的板材屈服强度，MPa；

ReL2-高强钢的屈服强度，MPa。

根据公式计算的高强钢材料的零件厚度如表1所示：

表1 轻量化方案

通过轻量化设计后，该车型车厢的质量降低了157 kg，减重达到27%。在对车厢进行轻量化设计后，需要对车厢进行耐冲击、强度和刚度分析[5]以验证轻量化后车厢的整体安全性能，如图5-7。

图5 耐冲击分析Fig.5 Impact resistance analysis

图7 强度分析Fig.7 Intensity analysis

工况一：地板耐冲击分析

为模拟车厢在装载矿石时对地板的冲击作用，使用直径为20 cm的小球以7 m/s的速度对地板进行冲击，小球密度900 kg/m3，质量为3.75 kg，地板受到的最大应力值为974 MPa，未超过材料的最大屈服应力，不会产生塑性凹坑。

工况二：刚度和强度分析

当车厢满载矿石时，车厢受到的载荷使用静水压力模型来模拟，挡板上端压力为0，挡板下端和地板受到的压力最大，最大载荷为：

(2)

式中：M-车厢的最大载货质量，单位t；

S-车厢地板的投影面积，单位m2。

经过计算，车厢的最大变形发生在挡板的中间位置(如图6所示)，变形量为29 mm，最大应力为943 MPa，未超过材料的最大屈服应力，不会产生塑性变形。

图6 刚度分析Fig.6 Stiffness analysis

经过以上分析，轻量化设计方案车厢能够满足设计要求，地板在使用过程中不会产生塑性凹坑，车厢边板也不会产生较大的塑性变形，并顺利通过客户的实车试验，在实际使用中得到用户的一致好评。

3 结语

随着“大吨小标”事件的曝光，会有越来越多的主机厂对轻卡车型进行轻量化设计，通过对车型进行结构设计和高强钢材料替换，有效降低了车辆的整备质量，并对车厢轻量化前后进行了CAE分析对比，结合车厢试验结果，验证了轻量化车厢的可行性，轻量化方案得到了用户的认可，实现了高强钢材料在轻卡车厢上的应用。