節(jié)能與新能源驅(qū)動下商用車車架縱梁結(jié)構和工藝分析

凡次永，王希武，張洪，寧波

（1.昆明云內(nèi)動力股份有限公司，云南 昆明 650200；2.濟南鑄鍛所檢驗檢測科技有限公司，山東 濟南 250399）

商用車車架是車輛的主要結(jié)構件，作為車輛裝配的基體，將車輛駕駛室、懸架系統(tǒng)、車橋輪系、動力系統(tǒng)、貨箱等連接為一個高度協(xié)同的整體，要求車架具備足夠的精度、剛度、強度和抗扭曲能力，以保證車輛相關系統(tǒng)部件的正確安裝，為車輛安全穩(wěn)定行駛提供保障。車架主要結(jié)構由兩根縱梁和橫梁、板簧吊耳、加強件、拖鉤通過焊接、鉚接、螺栓連接而成，其中縱梁是車架的核心部件，在結(jié)構設計和生產(chǎn)工藝方面如何優(yōu)化和適應商用車轉(zhuǎn)型升級要求是本文分析的主要內(nèi)容。

1 商用車行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

商用車是重要的生產(chǎn)物資和主要生產(chǎn)要素，在國民生活和物流運輸上扮演著極其重要的角色。但隨著時代的發(fā)展和科技的進步，商用車行業(yè)發(fā)展進入了新的階段，面臨的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀如下：

（1）國內(nèi)商用車市場進入下行區(qū)間。隨著交通的多元化快速發(fā)展以及經(jīng)濟增速的放緩，商用車市場已從“增量競爭”轉(zhuǎn)向“存量競爭”，商用車年產(chǎn)銷量已連續(xù)兩年下降，市場競爭愈加激烈。

（2）節(jié)能與新能源商用車發(fā)展加速滲透。當前節(jié)能與新能源汽車逆勢大幅增長，2022 年滲透率已超過25%。在汽車碳排放總量上貢獻度占比超過50%的商用車，向節(jié)能與新能源發(fā)展是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑，未來商用車的發(fā)展將在純電、混合動力、燃料電池上逐步擠占傳統(tǒng)燃油車的份額，最終向純電和燃料電池動力轉(zhuǎn)換。

（3）消費升級和標準法規(guī)的不斷完善助推商用車向高端化、輕量化、電動化、數(shù)字化、智能化升級。

（4）行業(yè)集中度不斷提高。汽車銷量前十位的企業(yè)集團占汽車銷售總量的比例高達86.2%，隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級在汽車研發(fā)能力和生產(chǎn)投入資金方面的門檻越來越高。

（5）市場競爭走向國際化。一方面是國家層面放開了外商投資準入政策引入國際化的汽車企業(yè)；另一方面是國內(nèi)商用車市場已呈現(xiàn)產(chǎn)能過剩，促使各大汽車企業(yè)轉(zhuǎn)向海外市場尋求增長點。加速商用車國內(nèi)市場和出口市場向更充分的國際化競爭發(fā)展，汽車出口量不斷攀升。

節(jié)能與新能源動力汽車產(chǎn)銷連創(chuàng)歷史新高，技術不斷成熟，是商用車轉(zhuǎn)型升級的重點發(fā)展方向。隨著商用車市場消費升級疊加市場需求下行將進一步加速行業(yè)國際化競爭，行業(yè)集中度不斷提高。

2 商用車車架縱梁結(jié)構特點與發(fā)展分析

2.1 商用車車架縱梁結(jié)構分類及參數(shù)

商用車車架縱梁以U 型梁（C 型梁）為主，縱梁截面如圖1，U 型梁底部平直段通常稱之為腹面（腹面寬度為A），兩側(cè)部分稱之為翼面（翼面高度為B）。根據(jù)縱梁截面變化的主要形式分為前段下沉直通縱梁、異形變截面縱梁（燕尾梁）、整體直通縱梁三大類，如圖2、圖3、圖4。

圖1 車架縱梁截面圖

圖2 前段下沉直通縱梁

圖3 異形變截面縱梁

圖4 整體直通縱梁

前段下沉直通縱梁和異形變截面縱梁屬于變截面U 型梁，主要應用在微卡、輕卡上。整體直通縱梁屬于等截面U 型梁，主要應用于中重卡車型。在車架縱梁強化結(jié)構方面，輕卡、微卡車架縱梁一般采用局部雙層梁或局部加強板結(jié)構，中卡車架縱梁一般采用高強等截面單層梁結(jié)構，重卡車型為了滿足重載工況一般采用整體雙層梁結(jié)構。

2.1.1 前段下沉直通縱梁

圖2 所示前段下沉直通縱梁通常用于常規(guī)輕卡的加寬加大車型，除前段高度降低外其余部分為整體直通結(jié)構，通常用于中體輕卡向?qū)掦w輕卡拓展，車架總成整體外寬通常在800mm 以上，發(fā)動機艙部分不需要額外加寬，實際應用中也可以根據(jù)需要將縱梁最前端部分車架寬度收窄以延用加寬前的駕駛室。車架縱梁腹面寬度尺寸A 在180～190mm 區(qū)間，材質(zhì)采用700L 以上牌號汽車大梁鋼，鋼材厚度集中在4～4.5mm 之間。

2.1.2 異形變截面縱梁

圖3 所示異形變截面縱梁是微卡、輕卡車型中應用最為廣泛的輕量化經(jīng)典結(jié)構，縱梁前后段腹面寬度收窄設計使車架更趨近于等強度設計，減少鋼材用量降低成本的同時實現(xiàn)整車的輕量化，提升貨物裝載量。車架總成外寬尺寸在700～800mm 區(qū)間，縱梁前段發(fā)動機艙位置通常加寬到750～850mm 范圍以提供足夠的發(fā)動機安裝空間。車架縱梁腹面寬度尺寸A 在140～180mm 范圍，材質(zhì)選用610L、700L牌號汽車大梁鋼，鋼材厚度集中在4～5mm 之間。

2.1.3 整體直通縱梁

圖4 所示整體直通縱梁通常應用在重載版輕卡、中重卡等對載重能力要求較高對整車質(zhì)量敏感度相對較低的車型，縱梁腹面寬度整體一致，車架整體外寬在850～920mm 之間。

重載版輕卡、中卡縱梁腹面寬度通常在190～250mm 范圍，鋼材牌號選用700L 汽車大梁鋼，鋼材厚度4.5～6mm。如圖5 所示，部分車型在車架前端采用分體式縱梁前段結(jié)構降低高度。

圖5 分體車架縱梁前段

重卡車架縱梁常用材料為7～10mm 單層梁，或者8mm+4mm、8mm+5mm 雙層梁結(jié)構，鋼材選用610L 及以上牌號汽車大梁鋼，縱梁腹面寬度通常在280～340mm 范圍。通常在車架前端需要加寬車架外寬以提供足夠的發(fā)動機安裝空間。

2.2 商用車車架縱梁結(jié)構特點分析

（1）微卡、輕卡車架縱梁前段下沉。采用整體式縱梁前段下沉結(jié)構或安裝分體式縱梁前段，該結(jié)構主要是為了降低駕駛室安裝面高度，降低整車重心，提升整車安全性和穩(wěn)定性。

（2）縱梁前段腹面外擴以拓展發(fā)動機艙空間。在傳統(tǒng)燃油車設計時，通常在車架前段發(fā)動機艙部分外擴車架縱梁外寬尺寸，以提供足夠的空間進行發(fā)動機及相關附件的安裝。

（3）縱梁后段上翼面保持平直。商用車車架上部裝配部件為駕駛室和貨箱，車架縱梁上翼面通常保持平直狀態(tài)以保證貨箱安裝的安全可靠，采用變截面縱梁設計時縱梁腹面向上收窄，同時盡量避免在縱梁上翼面進行鉚接或螺栓連接造成貨箱安裝干涉，減少翼面孔有利于生產(chǎn)，提高孔位精度。

2.3 節(jié)能與新能源發(fā)展對車架縱梁結(jié)構的影響

（1）車架縱梁結(jié)構變化不大。純電動、混合動力、燃料電池商用車采用電機、電控、電池對車輛進行直接驅(qū)動或輔助驅(qū)動，保留發(fā)動機裝置的混合動力車型對發(fā)動機配置要求要低于傳統(tǒng)燃油車，純電動、燃料電池車型不使用傳統(tǒng)發(fā)動機和變速箱，因此發(fā)動機安裝空間的需求要低于傳統(tǒng)燃油車，電池、儲氫罐等大部件通常采用外掛形式安裝，電池安裝在車架外側(cè)前后輪之間。電動化的發(fā)展使整車動力布置更為靈活，充分釋放了車架的內(nèi)部空間尺寸剛性要求，結(jié)構設計上更為簡單，車架縱梁通常延用燃油車的結(jié)構以避免車架縱梁、駕駛室改動帶來的工藝裝備投入，只需要根據(jù)安裝部件的需求相應的調(diào)整孔位和固定方式即可。

（2）縱梁材料應用向高強輕量化發(fā)展。在節(jié)能減排降碳、超載安全整治的引導下，“國六排放標準”、“輕型貨車安全技術規(guī)范”等相繼落地，超載的整治力度不斷加碼，推動商用車行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。“大噸小標”、“十噸王”等問題得到有效管控，相關車型重載版的差異化市場受到打壓，商用車行業(yè)整體向著輕量化、規(guī)范化發(fā)展，各汽車廠家對整車重量的控制持續(xù)提升和優(yōu)化。車架在整車重量的高占比亟需向高強度輕量化發(fā)展，大部分的輕卡、中卡車型縱梁鋼材牌號提升到700L 以上，微卡、重卡普遍采用610L以上牌號大梁鋼，厚度和重量相應的降低。從車架輕量化需求出發(fā)重慶大學通過分析提出了將U 型梁調(diào)整為" 口" 型梁的設計結(jié)構[1]，福田、柳汽等汽車廠也在分析和研究鋁合金材料替代方案[2-3]，但真正實現(xiàn)推廣應用還有待技術、工藝的進一步革新。

3 商用車車架縱梁生產(chǎn)工藝分析

商用車車架縱梁生產(chǎn)工藝要同時兼顧生產(chǎn)效率提升和多品種小批量生產(chǎn)的需求，更廣泛的應用新材料新技術以滿足市場需求提升競爭力，數(shù)控自動化技術應用廣泛普及。

國內(nèi)各大鋼廠都在研發(fā)和生產(chǎn)高強度汽車大梁鋼并得到了大規(guī)模的使用，針對高強度鋼材的加工成形也面臨相關的工藝研究課題，比如高強鋼加工回彈量及旁彎、開裂、扭曲等問題控制分析[4-5]。但商用車車架縱梁生產(chǎn)工藝主要是沖壓成形和輥壓成形兩條路線[6-7]，在縱梁結(jié)構設計時要同時考慮生產(chǎn)工藝的可行性。

3.1 車架縱梁沖壓成形工藝路線分析

3.1.1 車架縱梁沖壓成形工藝

我國商用車制造起步相對于歐洲較晚，傳統(tǒng)的車架縱梁加工以金屬模具、大型壓機進行沖壓成形為主，工藝流程主要分2 種：

（1）開卷校平→切斷成大平板→剪板或切割縱梁展開料→平板制孔→大型壓機成形；

（2）開卷校平→切斷成大平板→大型剪板機縱切成條狀→大型壓機落料沖孔及成形。

車架縱梁沖壓成形需采用大噸位長臺面油壓機，根據(jù)縱梁規(guī)格，壓力機壓力通常在20000～63000 kN 范圍，加工縱梁長度通常在10m 以內(nèi)。油壓成形模具長度10m 以上，主要由鑄鐵模座、凸模模芯、凹模模芯組成，如圖6 所示，模芯成形面采用Cr12MoV鑲塊，單套模具費用投入較高且無法通用。

圖6 車架縱梁沖壓成形模具剖面圖

3.1.2 車架縱梁沖壓成形工藝新技術

為了適應柔性化快速產(chǎn)品調(diào)整的需求，近年來采用數(shù)控技術對縱梁展開料加工工藝和沖孔工藝進行了改進優(yōu)化，可實現(xiàn)部分工序快速產(chǎn)品切換調(diào)整。

（1）采用等離子切割、激光切割設備進行縱梁平面展開料外形切割。激光切割工藝的精度要遠高于等離子切割工藝，以及激光切割核心元件國產(chǎn)化降本進程快速推進，目前等離子切割工藝已逐步被激光切割工藝替代，激光切割工藝具備切割熱變形小、切縫小、切縫美觀光滑等優(yōu)點。采用激光切割工藝可以滿足異形變截面縱梁板料不規(guī)則外形的加工，對縱梁展開料切割余料進行切割利用提高鋼材利用率，提高縱梁展開料尺寸精度的同時較剪板工藝降低勞動強度，在一定程度上消除了剪板機造成的板料變形。

（2）制孔工藝上采用數(shù)控平板沖孔設備取代搖臂鉆孔。大幅提高孔位精度降低勞動強度，能夠快速完成產(chǎn)品切換和調(diào)整，數(shù)控設備還可以加入沖孔檢測防錯以避免漏孔問題發(fā)生。

3.1.3 車架縱梁沖壓成形工藝特點

①工藝設備投入大，設備基礎要求較高，需要大噸位起重機配合吊裝模具；②油壓成形回彈影響因素較多，縱梁成形一致性難以控制；③油壓成形工序會造成縱梁孔位偏移及變形，孔位精度差，造成裝配困難；④柔性加工性能差，不能快速響應市場多品種、小批量需求；⑤油壓成形模具制造成本高，不能適應多變的車架結(jié)構；⑥易實現(xiàn)異形變截面結(jié)構縱梁成形；⑦采用激光切割和數(shù)控沖孔工藝后可實現(xiàn)縱梁板料尺寸和孔位柔性化調(diào)整。

3.1.4 車架縱梁沖壓成形工藝應用及發(fā)展

車架縱梁沖壓成形工藝主要用于異形變截面車架縱梁的生產(chǎn)，在異形變截面車架縱梁生產(chǎn)方面目前尚無成熟的產(chǎn)業(yè)化技術工藝替代。在節(jié)能、新能源、輕量化、合規(guī)化新賽道上，微卡、輕卡車架縱梁主要依賴該工藝方案，未來發(fā)展趨勢有望實現(xiàn)平臺化、模塊化以降低模具成本投入。

3.2 車架縱梁輥壓成形工藝路線分析

國內(nèi)車架縱梁輥壓成形工藝起步較晚，是在國內(nèi)重卡行業(yè)高速發(fā)展驅(qū)動下通過引進吸收歐洲先進裝備和工藝技術而逐步發(fā)展起來的[8]，國內(nèi)主要的重卡生產(chǎn)企業(yè)都不同程度引進了歐洲的車架縱梁生產(chǎn)裝備，目前相關設備基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化替代。輥壓成形技術也廣泛應用于汽車、建筑、道路交通等行業(yè)的型材成形加工。

車架縱梁輥壓成形工藝通常采用U 型縱梁輥壓成形、縱梁三面沖孔、機器人切割、縱梁腹面冷彎工藝完成車架縱梁生產(chǎn)制造，在縱梁成形、孔加工先后順序上與傳統(tǒng)的沖壓工藝不同，在等截面U 型車架縱梁生產(chǎn)上有較明顯的優(yōu)勢，可滿足高強度汽車大梁鋼的成形要求。具體工藝流程：鋼卷縱剪為規(guī)定寬度的窄卷→U 型縱梁輥壓成形→U 型縱梁孔加工→機器人切割縱梁異形部位→數(shù)控大梁彎成形實現(xiàn)發(fā)動機艙部位加寬→內(nèi)外縱梁拼裝。

圖7 所示是一臺國產(chǎn)化柔性縱梁輥壓成形設備，采用數(shù)控自動調(diào)整技術實現(xiàn)不同縱梁截面、不同材料厚度的車架直通縱梁快速切換生產(chǎn)。設備主要由鋼卷上料小車、開卷機、邊緣導向控制裝置、引料機、矯平裝置、料頭剪切機、入口導向裝置、輥壓成形機組、矯直裝置、切斷機、下料系統(tǒng)等部件組成，輥壓成形機組可通過電控實現(xiàn)上下軋輥間隙的調(diào)整適應不同料厚縱梁成形，以及控制軋輥沿軸向雙向開合調(diào)整縱梁腹面寬度，縱梁翼面高度由邊緣導向控制裝置進行控制，針對輥壓縱梁的垂直度、直線度等關鍵參數(shù)可通過手動微調(diào)進行調(diào)節(jié)，輥壓成形速度可達到12m/min。

圖7 車架縱梁輥壓成形機布置圖

輥壓成形后的縱梁采用三面數(shù)控沖孔設備、腹面沖孔設備以及人工少量補孔完成縱梁腹面、翼面孔位的加工。采用激光或等離子機器人進行局部三維切割，也可以實現(xiàn)縱梁孔切割，彌補大孔無法沖孔的缺陷。采用縱梁數(shù)控折彎設備完成縱梁加寬部位的折彎成形后達到裝配要求。設備采用數(shù)控技術可實現(xiàn)高度自動化，通過存儲程序自動完成加工。

3.2.2 車架縱梁輥壓成形工藝新技術

車架縱梁輥壓成形工藝在自動化、柔性化生產(chǎn)方面有著明顯的優(yōu)勢，通過與數(shù)字控制技術的高度融合，有效提升縱梁的質(zhì)量和精度，為后續(xù)車架總裝提供了可靠的品質(zhì)保證。適應汽車廠低投入、高效利用原材料、低維護成本、高效、高精度、高柔性化生產(chǎn)的車架縱梁制造需求。

（1）采用電控裝置對輥壓機組的軋輥進行連續(xù)可變相對位置調(diào)整，實現(xiàn)不同型號的等截面縱梁共線快速換型加工，大幅降低專用輥壓生產(chǎn)線換模工作量和勞動強度。

（2）采用不停線縱梁切斷技術和自動長度測量技術實現(xiàn)縱梁輥壓的不停線生產(chǎn)，大幅提升生產(chǎn)效率。縱梁切斷通常采用鋸切和液壓剪兩種方式。

氬弧焊打底加手弧焊填充蓋面的焊接工藝，經(jīng)過各專業(yè)公司多年的理論指導和實踐研發(fā)已經(jīng)能夠熟練掌握，合格率高，焊接設備簡單，相對于現(xiàn)場的施工條件能夠更好的接受和使用。不過對于一些返修無法進行背面充氣保護的位置，就增大了氬弧焊焊接工藝的難度和易出現(xiàn)缺陷的幾率。對此為了能夠更好地適應現(xiàn)場焊接環(huán)境的多變性和不可確定性，提出使用焊條電弧焊打底的焊接工藝，并進行試驗。

（3）采用高度協(xié)同的多主機進行同步?jīng)_孔加工，提升生產(chǎn)效率和定位精度。針對翼面孔較少的縱梁可采用腹面沖孔設備，后續(xù)工序單獨補充加工少量翼面孔以降低設備投入。

（4）采用等離子、激光機器人對縱梁進行三維切割，適應柔性化生產(chǎn)并提升加工精度。

（5）采用電控裝置調(diào)節(jié)折彎模具以適應不同截面的縱梁，對折彎角度進行數(shù)字化控制和角度檢測。

（6）采用自動上下料裝置和設備間連線協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)物料自動輸送和流轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

3.2.3 車架縱梁輥壓工藝特點

①能夠與數(shù)控自動化技術高度融合實現(xiàn)柔性化自動化生產(chǎn)，目前已得到廣泛應用。更好的適應小批量、多品種、特殊多變孔位的柔性化生產(chǎn)需求；②在高強度鋼材輥壓成形方面具備一定的矯正能力，提升縱梁尺寸精度，在長縱梁生產(chǎn)上優(yōu)勢明顯；③沖孔精度高，輥壓成形后沖孔工藝避免孔位拉伸變形，避免孔位基準不同造成的偏差；④生產(chǎn)切換響應時間快，即使是一根縱梁，也可以實現(xiàn)快速制造；⑤材料利用率較高；⑥在變截面縱梁生產(chǎn)上工藝復雜且適應性差。

3.2.4 車架縱梁輥壓成形工藝應用及發(fā)展

車架縱梁輥壓成形工藝適用于等截面車架縱梁的生產(chǎn)，具有較好的柔性化自動化優(yōu)勢，能夠更好地適應多品種、小批量的市場訂單需求。中重卡車型基本采用等截面縱梁設計結(jié)構以充分適應縱梁輥壓工藝的優(yōu)勢，節(jié)能與新能源轉(zhuǎn)型升級對中重卡縱梁結(jié)構影響不大，僅需根據(jù)部件安裝需要調(diào)整相應的孔位即可。車架縱梁輥壓成形工藝未來仍然是中重卡車架縱梁的核心工藝。

國內(nèi)外針對輥壓成形工藝在變截面縱梁生產(chǎn)上的應用也開展了相關的研究[6、9、10]，國外DataM公司開發(fā)了3D 輥壓成形中心[6]，但輥輪設計結(jié)構和輥輪運動控制都較為復雜，真正推廣應用還有待時日。

4 商用車車架縱梁產(chǎn)品及工藝發(fā)展展望

4.1 車架縱梁行業(yè)痛點問題分析

（1）縱梁設計由各大汽車廠主導，缺乏相對統(tǒng)一的標準和規(guī)范。

（2）商用車市場競爭加劇助推汽車廠產(chǎn)品多而全，每家產(chǎn)品不一致但差異化不大，生產(chǎn)裝備方面重復投資。

（3）市場需求多元化，多品種小批量需求造成大量的成形模具投入。

（4）工藝裝備投入大，但產(chǎn)業(yè)融合度不高，生產(chǎn)企業(yè)多而散，造成一定的資源閑置。

4.2 車架縱梁產(chǎn)品及工藝發(fā)展展望

（1）產(chǎn)品設計向標準化、平臺化、模塊化發(fā)展。大部分汽車廠已著手推進內(nèi)部平臺化和標準化設計，但企業(yè)之間的壁壘需要汽車行業(yè)和相關部門推動。江淮汽車在國六輕卡開發(fā)時采用平臺化縱梁設計，寬體、中體、窄體車型共用一套縱梁成形模具，縱梁前后段加長滿足不同系列車型需求?？v梁孔位布置等孔距設計也是各大汽車廠的共識，但目前各車廠在孔徑規(guī)格上都還尚未統(tǒng)一，推進行業(yè)的標準化是解決該問題的關鍵。

（2）產(chǎn)品設計向高強度輕量化發(fā)展。在節(jié)能降碳政策落實及道路安全整治的推動下，整車標準化合規(guī)化已成必然，勢必推動產(chǎn)品結(jié)構設計和材料應用向高強度輕量化方向發(fā)展。

（3）生產(chǎn)工藝向柔性化自動化發(fā)展。消費升級帶動客戶需求多元化，小批量多品種是市場競爭發(fā)展的趨勢，對柔性化生產(chǎn)能力提出了更高的要求，隨著基礎工業(yè)水平的提升，數(shù)控自動化、智能化將助力行業(yè)不斷提升柔性加工水平，并廣泛應用防錯及在線檢測技術保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前縱梁展開料外形和加工孔位已逐步實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，后續(xù)工藝柔性化的關鍵是縱梁成形。

（4）生產(chǎn)企業(yè)向?qū)I(yè)化、集中化發(fā)展。車架縱梁行業(yè)集中度不高造成大量的重復投資和資源閑置，生產(chǎn)企業(yè)向規(guī)?；?、專業(yè)化、集中化發(fā)展有助于提高競爭力和專業(yè)水平?？赏ㄟ^平臺化、模塊化推進成形模具的共用或者局部共用，逐步形成產(chǎn)品系列，提升生產(chǎn)效率降低成本。

5 結(jié)束語

節(jié)能和新能源發(fā)展進一步帶動汽車消費升級，但對車架縱梁的影響更多的局限于安裝孔位的調(diào)整，車架縱梁可以延用傳統(tǒng)燃油車結(jié)構甚而進一步減少變截面優(yōu)化結(jié)構和工藝。微卡、輕卡車型主要采用變截面縱梁，適合采用傳統(tǒng)的壓機模具沖壓成形工藝，逐步推進平臺化、標準化、模塊化設計。中重卡車型主要采用等截面縱梁，適合采用柔性化更好的輥壓成形工藝。高強度輕量化將是未來車架縱梁產(chǎn)品結(jié)構設計、材料選擇和工藝開發(fā)的重點方向。