商用车轻量化发展趋势研究

文章来源：《汽车实用技术》发布时间：2020-09-28

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文章主要介绍汽车行业轻量化的措施和未来的发展趋势。

前言

随着社会生产效率的日益加快，物流运输行业发展迅猛，急剧升高的商用车保有量对道路资源、环境保护等造成较大压力。为解决车辆超载造成安全事故、排放超标等问题，近年来国内陆续出台严格的法规政策，限制车辆载重。在这种背景下，汽车轻量化是提升运输效率，降低车辆燃油消耗及排放的重要措施。

重型卡车轻量化是一个系统性工程，结构方面包括发动机、变速器、车桥、车轮等多个主要总成，技术途径包括轻量化材料、工艺等。车辆各总车零部件应用多种技术途径实现整车降自重，同时结合CAE分析、仿真模拟及样车实验等多种措施验证车辆承载能力及可靠性，保障重卡产品轻量化同时，不降低整车性能。

图1 轻量化技术途径

从各卡车厂商推出的新产品来看，复合材料及轻质合金材料在整车所用材料中的比例逐渐提高，大量使用复合材料及轻质合金材料是必然的趋势。在实现轻量化的设计途径上，优化零部件结构及新材料的应用成为选车的主要的因素，即使整车售价稍高，自重轻的卡车也会成为客户的首选，因为自重轻的卡车不仅拉得多跑得快还省油，所以更受欢迎。

1 政策法规对汽车轻量化的推动

2016年以来，新版GB1589、921治超、燃油消耗量限值等新政落地，随着国家治超法规要求地日益严格，超限超载车型在市面上地生存空间也是逐渐地被压缩，卡车自重的轻量化也就成为了行业发展地一种新趋势。

2 卡车轻量化的路径

国家重大战略的稳步推进，“中国制造2025”国家战略及《汽车产业中长期发展规划》等政策发布，明确了商用车在节能、环保、智能互联等方面的技术路线，重卡的发展进程中，排放法规、CO2限制、综合成本、生产效率是驱动商用汽车技术升级的主要因素：

2.1 高强度金属材料应用

图2 高强度金属材料

随着设计水平提升、加工制造工艺的提高及材料性能的提高，单层车架采用变截面高强度金属材料（屈服强度500MPa级高强度与传统材料16MnL相比，屈服强度提高43%，疲劳强度提高44%；使车架减重约300kg左右。采用屈服强度700MPa级超高强度钢板，纵梁减重达23%）在标准载荷的工况下是完全可以胜任的。

图3 高强度变截面车架

2.2 复合材料应用

驾驶室是采用复合材料最多的总成，尤其是外覆盖件。这样一方面有效减轻了整车重量，另外一方面由于复合材料成形性好，造型结构上较金属冲压件可以更复杂、更加美观、尺寸更加精确。目前国产重卡仍偏好全钢结构的驾驶室结构，这主要和中国重卡的恶劣工作环境有关，重卡面临着太多的考验和伤害，复合材料受损后很难修复，提高了整车的维修保养成本。不过从近年来各重卡厂商推出的新产品来看，复合材料在整车所用材料中的比例逐渐提高，大量使用复合材料是必然的趋势。欧美发达国家将汽车使用复合材料量，作为衡量汽车设计和制造水平高低的一个重要标志。如德国，复合材料的用量占汽车整体材料的15％。

图4 外饰覆盖件轻质复合材料

图5 内饰覆盖件采用碳纤维复合材料

2.3 铝合金材料应用

铝合金比钢材密度小，且耐用。油箱采用铝合金材料，不但自重减轻，而且油箱内不易生锈，免除定期清洗的麻烦。多种材料多种组合，合适的材料用在合适的部位。车身也可以采用铝合金代替冷轧钢板。

在一些复合材料无法替代的部位，使用铝合金材料，包括钣金件和铸造件。油箱采用铝合金材料，不但自重减轻，而且油箱内不易生锈，免除定期清洗的麻烦。车身也可以采用铝合金代替冷轧钢板。轮辋、发动机机体、变速器机体等，都可以大量采用铝合金铸造，在保证有足够强度、刚度的同时，最大限度的减轻重量。

图6 轻量化铸铝材料

2.4 使用高强度钢材

钢板弹簧由于都是金属件，重量非常大，减轻板簧的重量，也是减轻整备质量的重要措施。变截面少片簧是由几片纵向方向上变截面的板簧组成的。变截面少片簧不但可以减轻重量，还可以通过减少板簧间的摩擦而提高驾乘的舒适性、延长使用寿命。

使用高强度钢材可以减薄钢板厚度，提高厢体强度、减轻自重。在制造工艺条件不变的条件下，采用屈服强度700MPa级热轧钢板代替传统400MPa级的热轧钢板，实现减重20%以上。

图7 变截面少片簧

图8 高强度传动轴管

2.5 新型铸造工艺

传统的冲焊结构零件，由于材料和制造工艺的限制，各部位只能是等厚度的，为了确保零件的整体强度和刚度，冲焊件往往都比较厚重，结构件可以通过有限元软件进行CAE分析，对结构进行优化，根据各部位的受力情况设计成复杂的变厚度、变截面的结构，在保证有足够强度的前提下最大限度的削减不必要的局部厚度，从而大大减轻零件重量。重型卡车变速器壳体，通过应用压铸铝材料和结构优化，降重可达40%以上。