重型商用車橋輕量化研究

張仲江，張新明，李龍，霍鶴年

引言

節(jié)能、環(huán)保、安全是當(dāng)今世界汽車業(yè)關(guān)注的主要話題，而輕量化是實(shí)施這一目標(biāo)的重要途徑。

我國石油進(jìn)口依賴度增加，能源、環(huán)保壓力不斷增大，在節(jié)能減排被空前重視之時(shí)，作為能源消耗大戶的商用車行業(yè)無疑更令人關(guān)注。世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)報(bào)告指出，若汽車整車重量降低 10%，燃油效率可提高 6%～8%；汽車整車質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升。如何降低汽車耗能，除了大力發(fā)展先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、發(fā)展新能源汽車等措施之外，有效減輕車重，實(shí)施汽車輕量化也是節(jié)約能源的重要舉措之一。

1、汽車輕量化的概念

汽車輕量化是指在保持原有的行駛安全、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能不降低，且汽車本身造價(jià)不被提高的前提下，有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量。汽車輕量化是設(shè)計(jì)、材料和先進(jìn)的加工成型技術(shù)的優(yōu)勢集成。商用車輕量化可以有效的提高車輛的載貨系數(shù)（即有效載荷與車輛自重的比值），提高平均燃油效率，從而降低油耗，減少運(yùn)營成本。

2、我國重型商用車橋輕量化的現(xiàn)狀

有業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，雖然汽車輕量化已是大勢所趨，但國內(nèi)車橋輕量化相關(guān)產(chǎn)業(yè)還未形成較大規(guī)模。畢竟，國內(nèi)汽車在輕量化技術(shù)方面與國外先進(jìn)水平相比存在較大差距。例如高端鋁及高強(qiáng)度鋼用量都比國際先進(jìn)水平少一半，鎂合金則差距更大。

數(shù)據(jù)顯示，中國重型商用車橋比歐洲主流商用車橋重量重10%～15%。例如，國內(nèi)載重40噸的6*4自卸車驅(qū)動(dòng)橋重量為1.9噸，國外同等車型驅(qū)動(dòng)橋只有1.7噸。

輕量化是各類汽車共同涉及的關(guān)鍵核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)，是世界汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。而且由于電池與續(xù)航能力的關(guān)系，對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化來說，輕量化的重要性更加突出。

在當(dāng)前汽車技術(shù)的發(fā)展中，我國重型商用車橋輕量化技術(shù)有所突破，車企也日益重視輕量化技術(shù)，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1．重型商用車橋企業(yè)從原來的不太關(guān)注輕量化，到把輕量化作為產(chǎn)品開發(fā)的一個(gè)重要指標(biāo)，多數(shù)企業(yè)制定了輕量化開發(fā)流程，建立了汽車輕量化的技術(shù)體系。

2．重型商用車橋汽車輕量化設(shè)計(jì)能力和水平不斷提高，已經(jīng)把拓?fù)鋬?yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于車橋產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)，優(yōu)化了車橋結(jié)構(gòu)，取得了良好的減重效果。

3、我國重型商用車橋輕量化的主要措施

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以從源頭上促進(jìn)輕量化。開發(fā)車橋整體加工技術(shù)和相關(guān)的模塊化設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，研究常用零部件模塊化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫及模塊化方案，建立模塊化設(shè)計(jì)知識(shí)庫和專家系統(tǒng)。

單個(gè)零件通過CAE、CATIA、ANSYS等有限元分析軟件對(duì)零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，出去零部件的冗余部分，使零件薄壁化、中空化、小型化，見圖1。

多個(gè)零件集成化，模塊化，見圖2。

3.2 材料優(yōu)化設(shè)計(jì)

超高強(qiáng)度鋼零件沖壓熱成型技術(shù)、高強(qiáng)度鋼零件先進(jìn)成型技術(shù)、纖維增強(qiáng)塑料模塊化設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)、形變鋁合金零件開發(fā)和以整車減重為目標(biāo)的多種輕量化技術(shù)集成應(yīng)用等汽車輕量化關(guān)鍵技術(shù)。

（1）高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼板仍舊是汽車行業(yè)最主要的輕量化材料。汽車用鋼主要分為兩類，一類是合金結(jié)構(gòu)鋼，主要用于懸架系統(tǒng)的主要構(gòu)件，包括非調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、齒輪鋼等；另一類是高強(qiáng)度剛，主要用于橋殼等沖壓零件上，某車橋廠在橋殼上采用490MPa高強(qiáng)度鋼代替460MPa級(jí)材料，降低橋殼壁厚，重量減輕10%。

（2）鎂鋁合金。目前，整車制造中所運(yùn)用的材料，仍以鋼鐵為主，但是鋁、鎂合金等輕質(zhì)材料的應(yīng)用正在逐漸增加，并在原本使用鋼鐵材料的汽車零部件上發(fā)揮減重作用。如重型商用車橋的輪轂使用鋁鑄件代替鐵鑄件、端蓋使用鋁鑄件代替沖壓鋼板，可使重量減輕30%～40%，見圖3。

（3）塑料和復(fù)合材料。在世界汽車行業(yè)輕量化的大潮中，“以塑代鋼”的概念廣為流傳。塑料是由非金屬為主的有機(jī)組成，具有密度小，成型性好、耐腐蝕、防震、隔音隔熱等性能，同時(shí)具有金屬板不具備的外觀色澤和觸感。塑料件在車橋上的運(yùn)用也越來越多，例如ABS支座等，與鋼件比較可實(shí)現(xiàn)減重40%～50%。

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。他可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、腐蝕性好等特點(diǎn)，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。如輪邊減速驅(qū)動(dòng)橋的止推墊片等, 與鋼件比較可實(shí)現(xiàn)減重40%～50%，見圖4。

3.3 采用先進(jìn)的制造工藝

如激光拼焊制動(dòng)蹄取代傳統(tǒng)的鑄造制動(dòng)蹄，高強(qiáng)度鋼冷沖壓橋殼技術(shù)取代傳統(tǒng)的熱沖壓成型技術(shù)；內(nèi)高壓成型技術(shù)取代傳統(tǒng)的拼焊技術(shù)，提高強(qiáng)度和質(zhì)量的同時(shí)降低了能源消耗，可實(shí)現(xiàn)減重10%～15%。

4、結(jié)論

輕量化技術(shù)的發(fā)展涉及結(jié)構(gòu)、材料、工藝等眾多學(xué)科，需要運(yùn)用多學(xué)科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)性知識(shí)體系。因此，未來汽車產(chǎn)業(yè)的輕量化需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)各界的共同努力和探索。

隨著我國汽車保有量的不斷攀升，以及汽車尾氣排放對(duì)城市空氣污染的加劇，車身輕量化發(fā)展的要求變得更加迫切，目前我國的汽車輕量化技術(shù)很不成熟的階段，未來還有很大的發(fā)展前景。

[1] 羊秋林等.汽車輕量化材料[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

[2] 劉維信.汽車設(shè)計(jì)（第1版）[M].北京：清華大學(xué)出版社,2001.

[3] 《汽車工程手冊(cè)》編委會(huì).汽車工程手冊(cè)設(shè)計(jì)篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4] 丁福厚.工程材料[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社.