邊梁式車架輕量化研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張照軍，王鎮(zhèn)江，楊大勇，蓋琪欣

(1.廣西科技大學機械與交通工程學院，廣西柳州 545006；2.廣西科技大學廣西車輛零部件與整車技術重點實驗室，廣西柳州 545006)

0 引言

近些年國家出臺政策推進節(jié)能減排，限制汽車排放，減輕汽車質量首先能減少燃油消耗、減少排放、裝載質量更大。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)汽車質量每減少100 kg，每百公里節(jié)約燃油0.7%，排放減少5 g/km[1]。汽車總質量對燃油消耗量的影響如圖1所示[2]。其次能提高汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性、舒適性、操縱穩(wěn)定性、制動性等性能[3]。當前實現(xiàn)車架輕量化的措施集中在優(yōu)化車架結構、利用新材料、使用新工藝三方面[4]。

車架設計需要從安全性、舒適性、耐久性等多方位考慮，根據(jù)設計目的不同，優(yōu)化后的車架結構也有所區(qū)別。以安全性為目的、增強耐撞性的車架，為了保證汽車在正面碰撞時能夠盡可能地保證駕駛員及乘客安全，設計時重點考慮車架的耐撞性能，提高安全系數(shù)，會增加一些強化構件，強度增大了但質量有一定的增加，影響了汽車的舒適性、燃油經(jīng)濟性。以舒適性為目的車架受剛度影響較大，剛度越高舒適性越好[5]。設計時需要關注車架在不同工況下的固有頻率、發(fā)動機的頻率等。有時為了使兩者頻率盡可能遠離不引起共振，會對車架某些結構剛度進行適當?shù)脑龃?，此時就會影響汽車安全性和燃油經(jīng)濟性。以燃油經(jīng)濟性為目的車架，設計的車架要盡可能地輕，需用不同方法設計車架結構，從中選擇用材最少、質量最輕的一款。雖然某些部件進行了輕量化，安全系數(shù)和剛度會有所降低，但是車架質量減輕了，燃油經(jīng)濟性得到了提高。目前牽引車一般采用雙層車架變單層車架、局部加強，載貨車常用降低縱梁截面高度和減薄材料來實現(xiàn)輕量化。

新型輕質材料的應用是實現(xiàn)車架輕量化的重要舉措[6]。過去制作邊梁式車架的材料幾乎都是普通鋼，質量大強度還低。隨著鎂、鋁、碳纖維、高強度鋼等新材料的成功研發(fā)和市場化，它們在汽車上得到大量的應用[7]，如圖2所示[8]。鎂、鋁、碳纖維等制作而成的車架以質量輕、強度高、剛度大等優(yōu)點在汽車領域得到廣泛應用。

圖2 奧迪A8車身材料應用

汽車制造工藝隨著制造業(yè)的發(fā)展也得到了提升。過去車架部件連接多采用人工焊接，鈑金件采用沖壓等工藝，產(chǎn)品質量難以保證，容易產(chǎn)生應力集中問題[9]。如今一般采用激光焊接、高壓成型等先進工藝保證產(chǎn)品質量，也一定程度上實現(xiàn)了輕量化。例如通用汽車在CT6上成功地少用了約1 800個鉚接點，通過激光焊接減重1.81 kg。

本文作者以邊梁式車架為例詳細介紹了車架結構優(yōu)化，新材料、新工藝對輕量化的影響，闡述了車架輕量化過程中所遇到的問題及解決辦法并對車架未來輕量化方向進行了預測。圖3所示為邊梁式車架。

圖3 邊梁式車架

1 邊梁式車架輕量化國內(nèi)外研究

1.1 結構優(yōu)化研究

文獻[10]中利用變密度法對某公交車車架進行拓撲優(yōu)化，優(yōu)化后的車架質量降低了19.6%，輕量化系數(shù)達0.005 8，小于原來的0.010 4。文獻[11]中對某卡車車架進行區(qū)間分段拓撲優(yōu)化，優(yōu)化后車架厚度至少減小了1 mm,車架總質量減輕了10.16%。文獻[12]中對某空投越野車車架采用尺寸優(yōu)化方法優(yōu)化，優(yōu)化后車架部分零件厚度降低，質量降低11.7%。文獻[13]中研究某載貨汽車車架，通過拓撲優(yōu)化對車架橫梁位置、縱梁厚度進行優(yōu)化。優(yōu)化后車架質量減小，輕量化系數(shù)變小,從0.76到0.64。文獻[14]中對某自卸車車架采用Gingrich近似模型進行拓撲優(yōu)化，優(yōu)化后的車架體積減小6.2%，質量減小4.24%。文獻[15]中對BS960汽車車架前梁可變截面、縱梁厚度進行優(yōu)化，優(yōu)化后的車架質量減輕21%。

通過研究以上文獻，作者發(fā)現(xiàn)研究人員都只是單純地從結構方面來研究車架的輕量化而沒有考慮制造的工藝及成本。由于不熟悉當前制造工藝手段，設計出的新車架加工困難、進行相應部件安裝時不方便，甚至需要增加某些零部件，最終導致車架質量幾乎沒有減少成本卻增加了。再者都沒有考慮使用新型輕質材料對車架結構中受力小的部件進行替換，沒有達到理想的輕量化效果。

1.2 車架材料研究

文獻[16]中對某國產(chǎn)SUV車架用正交試驗法確定需輕量化部件并將之用鋁合金替換設計出鋼-鋁混合車架，并根據(jù)形貌優(yōu)化方法優(yōu)化橫縱梁的截面、長度尺寸，優(yōu)化后總質量減小6.7 kg。文獻[17]中分析優(yōu)化了合金車架結構和制造工藝，實現(xiàn)了車架輕量化。文獻[18]中用鎂合金制作的車身有更好的乘坐舒適性，較一般的鋼鐵車架實現(xiàn)了車輛的輕量化。文獻[19]中針對某車架，用鐵、鋁合金、鎂合金制作3種不同材料車架并進行質量對比，結果顯示鋁合金車架質量比鐵制車架減輕70%，鎂合金車架質量比鋁合金車架減輕40%。文獻[20]中利用高強度鋼制作低平板載貨貨車車架，結果顯示新材料車架質量降低13.25%。文獻[21]中采用碳纖維-鋁合金設計比賽用節(jié)能車車架，實現(xiàn)了車架的輕量化。文獻[22]中采用輕量化復合材料設計客車車架及車體，研究顯示此材料車體比鋁合金車體減重20%，實現(xiàn)輕量化。

新型輕質材料能夠減輕車架質量毋庸置疑，因此很多研究者設計時就簡單地采用輕質材料或者對原車架材料進行簡單替換，并沒有考慮連接工藝與價格問題，導致制作出的車架并沒有達到理想的輕量化效果。鋁、鎂、碳纖維等新型輕質材料的連接必須應用電阻點焊、鋁合金釬焊、膠粘等先進工藝，而新材料和新工藝的應用會使成本提高，設計者卻并未考慮。此外，通過觀察發(fā)現(xiàn)市場上很多所謂高強度鋼并不是真正意義上的高強度鋼，兩者性能差異大，要達到同樣的強度，利用此種材料制作的車架質量并沒有減少。

1.3 車架制造工藝研究

文獻[23]中等對某卡車車架上將螺栓連接替換成鉚接的可行性進行了分析，分析結果表明鉚接的剪切強度比鉚釘提升了14%，比螺栓提高了38.5%，壽命是螺栓的3.65倍，使用鉚接技術車架質量減小了67%。文獻[24-27]中研究鉚接工藝、縱梁孔及制作工藝對車架的影響，也表明了采用先進的工藝不僅產(chǎn)品質量得到保證還能實現(xiàn)輕量化。

新型輕質材料的出現(xiàn)推動了汽車輕量化的進程，對于新型材料連接，傳統(tǒng)工藝已無法滿足要求，促使粘接、TIG/MIG焊等先進工藝出現(xiàn)。隨著新型材料應用越來越廣泛，新型工藝也將得到快速發(fā)展。

2 邊梁式車架輕量化發(fā)展趨勢

2.1 車架結構方面

從結構方面實現(xiàn)車架輕量化可通過兩個方式進行：第一，利用CAE設計新的車架結構或者是優(yōu)化原有結構，目前常采用拓撲優(yōu)化等方法對車架進行減薄、減尺寸、打孔以達到輕量化的目的；第二，通過車架的集成化，減少零部件數(shù)量，實現(xiàn)輕量化。

2.2 車架材料方面

未來10年，增加高強度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料的用量是實現(xiàn)汽車輕量化的重要舉措。通過研究鋁合金力學性能如耐燒蝕、焊接工藝[28-33]，碳纖維吸能、耐腐蝕[34-37]，高強度鋼的彈塑性力學特性[38-41]，知道了制作車架的新型材料的優(yōu)點與缺陷，所以掌握新材料連接工藝并解決存在的問題，對企業(yè)在市場競爭中能否占據(jù)優(yōu)勢地位具有重要影響。主要輕量化材料在汽車上的應用及用量趨勢如圖4所示[42]。

圖4 主要輕量化材料在汽車上的應用及用量趨勢

(1)鋁合金車架。雖然制作鋁合金車架的鋁板成型變形大、金屬疲勞性差安全性不高，焊接較為困難[43]，但是通過文獻[44-48]可知可以利用鋁合金釬焊、電阻點焊等方式解決。鋁合金一體化車架強度高質量卻很輕，應用鋁合金車架可以實現(xiàn)汽車輕量化。圖5為某卡車鋁合金車架圖。

圖5 鋁合金車架

(2)碳纖維車架。碳纖維復合材料具有質量是鐵的50%、鋁的70%，強度是鐵的10倍、鋁的5倍[49]，密度是鋼的1/4，剛度、強度卻是鋼的2倍以上，優(yōu)良的延展性和耐腐蝕性[50]等優(yōu)點，目前將它加入其他金屬、非金屬材料里面以改善材料性能。雖然碳纖維復合材料連接困難且價格高，但是等技術成熟、價格降下之后可設計碳纖維一體式車架，應用在汽車車架上將會極大減輕汽車質量。

(3)高強度鋼車架。高強度鋼和普通鋼主要成分都是鐵但高強度鋼加有稀有元素，具有耐磨、強度剛度大、抗沖擊強等特點，同等條件下實現(xiàn)相同的性能高強度鋼用量更少[51]。雖然高強度鋼(如雙相鋼、復相鋼、馬氏體鋼、熱成型鋼等)容易斷裂且遇到強電流容易退火破壞原有結構[52]，但是可以通過控制電流電壓大小、熱的輸入量、焊接效率等方式解決高強度鋼韌性差、焊接難問題。過去的卡車大梁至少兩層即外縱梁和內(nèi)加強梁，而采用高強度鋼只用單層，滿足性能的同時還能實現(xiàn)輕量化。圖6為采用610L高強度鋼板的某型卡車車架。

圖6 610L高強度鋼車架

(4)混合車架?；旌宪嚰芗蠢枚喾N材料組合成的車架，可根據(jù)實際需求進行多種材料自由組合，設計出側重點不同的車架?；旌宪嚰苁垢鞑糠植牧隙寄艹浞职l(fā)揮性能的同時還能實現(xiàn)質量最輕。雖然多種材料間的連接工藝目前還不成熟，但是相信隨著科技的發(fā)展多材料連接工藝將會得到快速發(fā)展。如EXPERT公司發(fā)明了一種變頻微波固化技術，使膠在20 s以內(nèi)就能固化，生產(chǎn)效率極大提高[53]，對于非金屬間的連接非常實用?；旌鲜杰嚰苁俏磥碥嚰茌p量化發(fā)展的主要方向。

2.3 車架工藝方面

汽車工藝包括成型工藝和連接工藝。汽車制造擁有9大先進成型工藝(高強鋼熱成型、內(nèi)高壓成型、輥壓成型、激光拼焊等)，每種工藝都有其特點也有應用場合。激光拼焊用于縱、橫梁，車身、B柱等的拼接。內(nèi)高壓成型用于扭梁、副車架等制作。熱成型工藝用于保險杠、A柱等的制作[54]。為進一步減輕汽車質量，有些汽車公司已經(jīng)開始使用樹脂傳遞模塑成型工藝制作碳纖維底板。目前汽車工業(yè)生產(chǎn)多采用點焊和二保焊，傳統(tǒng)焊接工藝已經(jīng)不適用鋁合金等的焊接，因為焊接時存在強度降低問題。因此，目前采用TIG/MIG焊、鉚接、膠粘接、鋁合金釬焊等方法。據(jù)一項研究報告：到2030年輕量化材料在汽車上的應用將從5%提升到30%，相應的連接工藝也發(fā)生變化。點焊將被取代，膠接、鉚接等先進工藝將會在汽車上大量應用[55]。

(1)高強度鋼車架與傳統(tǒng)的承載式車身制作過程相似，只是采用的工藝略有不同。普通車架多為沖壓成型，容易產(chǎn)生不均勻應力，焊接后剛度不夠；高強度車架采用高壓成型、熱成型等，成型的構件分子分布均勻，不會產(chǎn)生上述問題[56]。

(2)車架上有很多地方通過鉚接、焊接連接部件，但容易產(chǎn)生應力集中，操作也不方便。激光拼焊、膠粘連接[57]卻能避免這類缺點，焊接、膠粘都不用打孔，不會對強度、剛度造成影響。如凱迪拉克使用了鋁合金釬焊、鋁激光焊、鋁電阻點焊等先進工藝。圖7為到2030年車身連接工藝技術發(fā)展趨勢[58]。

圖7 到2030年車身連接工藝技術發(fā)展趨勢

(3)新裝備不僅效率高，安全性得以保證，還能節(jié)約成本、不破壞材料原本屬性、不增加多余結構。激光打刻機是用來標記車架的一種裝備，儀器利用激光完成刻印工作，全程不接觸工件，不產(chǎn)生機械擠壓或機械應力而破壞工件，而且加工精細、速度快、無污染、質量不改變，在批量化生產(chǎn)過程中對車架進行標記有重要意義。

3 總結

設計最合適的車架需要從結構、材料、工藝、成本等多方面考慮，這樣才能使車架滿足性能的同時獲得最佳的輕量化結果。車架輕量化是一項復雜的工程，提出或者應用最新的方法理論，研發(fā)強度、剛度大、易制作、成本低等優(yōu)異性能的材料與材料相適應的工藝，應用到車架輕量化上將是必由之路。