商用车轻量化和高强度钢板应用

商用车轻量化和高强度钢板的应用中国汽车工程研究院中国汽车工程研究院马鸣图中国汽车工程研究院报告的主要内容中国汽车工程研究院一、中国汽车工业发展简况二、汽车工业发展带来的三大问题三、汽车轻量化意义重大四、乘用车轻量化的表征参量五、商用车轻量化意义更大六、对汽车轻量化用材和能耗的新的评估方法七、国内某载重车的材料构成八、商用车轻量化手段和方法九、商用车高强度钢板的应用十、汽车典型构件的功能和板材性能的关系十一、有限源分析和计算机模拟是实施轻量化的重要手段十二、结论一、中国汽车工业发展简况产量的增长情况从53年建立一汽到2009年中国汽车工业走过了56年里程1953年—1992年100万辆1993年—2000年200万辆2001年—2002年326万辆2003年—445万辆，轿车高达45.4%，比例亦较合理2005

年—570万辆，居全世界第四。2006年—728万辆,销量居世界第二,产量居世界第三2007年接近900万辆,如果在加农用车150-180万辆,产销均居世界第二.汽车保有量,超过4000万辆,汽车工业已成为名符其实的支柱产业.2008年汽车产量为938万辆，汽车保有量接近5100万辆2009年全年产量1360万辆2010年全年汽车产量1800万辆，汽车保有量8000万辆从2000年以后中国汽车工业发展进入了快车道。中国汽车工业发展简况Output

of

auto(*104units)100090080070060050040030020010001992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010Time(year)汽车产量的增长情况中国汽车工业发展简况汽车保有量的增长情况2009年中国汽车产销量为1364万辆，商用车产量340万辆；汽车保有量将近6300万辆；商用车将近1500万辆。18022053238326943159369743585099628078020.0%5.0%10.0%15.0%20.0%25.0%1000020003000400050006000700080009000

30.0%2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010全国汽车保有量（万辆） 年增长率二.汽车工业发展带来的三大问题汽车工业发展、汽车产量增多、汽车保有量的加大带来了三大问题：油耗、环保和安全，针对这三大问题，各国都制定了相应的法规；20世纪70年代的两次石油危机，促进汽车工业提高了燃油经济性，80年代中期以后，保护人类居住和赖以生存的环境又一次推动汽车工业提高燃油经济性和排放。《BP世界能源统计2008》的数据，2007年全球石油产量为8

150万桶，按照这一数字，全球石油储量可满足40年的需求；目前美国53%依赖进口石油，欧洲高达76%，日本几乎全部依赖进口，中国石油对外依存度接近50%。在各行业的石油消耗中，汽车工业是耗油大户。中国汽车工程研究院汽车节油至关重要中国石油供应结构的变化目前美国53%依赖进口，欧洲高达76%进口，日本几乎全部依赖进口，2010年中国石油对外依存度55%。中国汽车消耗燃油的增长情况2006年，我国汽车用燃油消耗占国内石油消耗总量的27％，其中车用汽油占全国汽油消耗量的86.4％，目前，为95%，车用柴油占全国柴油消耗量的38.5％，农用车对柴油消耗达到11％。我国石油消费中汽车燃油的增长情况各个行业的排放情况美国各个产业的温室气体排放情况（数据来源美国EPA，2005）中国汽车工程研究院按2005年美国环保局（EPA）的数据,各个产业的温室气体排放情况见下图，交通运输的温室气体排放量是仅次于电力工业。这些数据表明：汽车工业节能减排对于一个国家的能源供应和环境保护都具有重要的意义。百万吨全球经济活动加速，大气中二氧化碳含量增长，温室气体排放和全球变暖成为人类共同面对的问题。大气中的二氧化碳含量增长情况中国汽车工程研究院交通事故死亡人数统计比较89455日本英国德国美国6639329842642中国80K60K40K20K04949死亡人数中国汽车工程研究院中国道路交通死亡状况分析2000004000080000600001000001200002003行人死亡人数数据来源：《中华人民共和国道路交通事故统计年报（2007年）》从1998年到2007的统计数据可以看到，2002年至2004年，每年的死亡人 数都超过10万人，道路交通事故形势极为严峻。从2005年开始，道路交通事故死亡人数呈逐渐下降的趋势，但行人占总死 亡人数的比例始终高居两成五以上，没有明显下降。1998

1999

2000

2001

2002 2004

2005

2006

2007年死亡人数汽车各类安全法规要求日益严格各类安全法规的要求需要更高强度、更高性能的汽车冲压件。–

EURO-NCAP,

(64,4

km/h,

40

%)–

US-NCAP,

(56,3

km/h,

100%)–

Pole

(front),

(50

km/h,

middle)IIHS

low

speed,

(8

km/h,

others)AZT-front/rear,

(15

km/h,

40%)FMVSS

201FMVSS

208FMVSS

214Roof

hitting

testRoll

overJAPAN-NCAP,

(55

km/h,

90°)US-LINCAP,

(62

km/h)Pole

(side),

(29

km/h)IIHS

side,

(50

km/h)–

BMW

rear,

50

km/h,

40

%)–

US-FMVSS

301,

(80

km/h,

70

%)中国汽车工程研究院各类安全法规逐渐提升和严格C-NCAP中国汽车工程研究院汽车各类安全法规要求日益严格日本到2010年实现汽油乘用车燃油效率目标为15公里/升，比1995年提高了22.8%。欧盟乘用车燃油消耗目标为2009年单车平均排放CO2目标减少到140g/km(相当于耗油量5.7L/100Km)，2012年达到120g/km(相当于耗油量4.9L/100Km)。这使的人们更加关注汽车轻量化。我国《乘用车燃料消耗量限制标准》规定，2010年前，乘用车新车平均油耗比2003年降低15%以上，即2010年乘用车平均燃油消耗应为8.5升/100Km以下，大约相当单车平均排放CO2200g/km，与发达国家仍存在明显差距。轻量化是实现节能减排的有效手段汽车轻量化是解决汽车工业发展与能源环境之间矛盾的有效途径研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，降低汽车质量就可有效降低油耗以及排放。目前，大量研究表明，汽车质量每下降10%，油耗下降8%，排放下降4%。美国在欧洲全顺车的实验表明，在满足欧Ⅳ标准条件下，每百公里油耗Y与自重X满足以下关系Y=0.003X+3.3434对商用车的研究表明，汽车质量每减少1000kg，油耗可降低6%～7%。油耗的下降，意味着CO2、氮氧化物（NOx）等有害气体排放量的下降。据报道，在美国汽车质量如果减少25%，燃油消耗按减少13%计，一年可节省2.7亿桶石油，每消耗1升燃油，将产生CO22～2.5kg。因此燃油消耗的降低，就意味着温室气体和其他有害气体排放的下降。三.汽车轻量化意义重大2

轻量化是提高汽车动力性、舒适性的重要手段汽车质量减少，降低了动力和动力传动系统负荷明显提高行驶平稳性和舒适性。为提高汽车安全性、舒适性等性能，增加了一些辅助装置，导致汽车的

重量增加。这些重量也需通过轻量化予以补偿。在

石油价格连续攀升的形势下，汽车用户越来越关注

车辆的油耗，这表明高燃油经济性汽车是提高中国

汽车工业竞争力的重要因素，也是今后影响我国汽

车产量增长的首要因素。中国汽车工程研究院三、汽车轻量化意义重大3

汽车轻量化是社会发展的需要2003年中国已成为世界第二大石油消费国，机动车耗油超过6000万吨，2005年中国石油消耗量已达到1.3亿吨。我国曾将2020年的石油消耗从6.3亿吨规划减至4.7亿吨，就计算了汽车轻量化的节油。燃油消耗的节约，就会增加我国石油储备安全和降低石油进口量。汽车轻量化是汽车工业和交通运输业节能降耗、降低污染实现国家的节能减排的重要手段，是促进国民经济可持续发展、构建和谐社会的必然要求。轻量化的实施将产生重大的经济效益，同时亦为我国汽车工业和材料产业的产品结构调整和产品层次提升提供了动力和市场。中国汽车工程研究院三、汽车轻量化意义重大2021/6/10三.汽车轻量化意义重大汽车自身质量对燃油消耗的影响轻量化是实现节能减排的有效手段各类车型的燃油效率与车身自重的关系车型的燃油经济性km/L四种轿车产品减轻自重8-10%油耗降低6%以上NCAP碰撞（安全性）达到4星级以上商用车产品减重10%以上质量利用系数达到1.5以上建立共性技术平台：技术规范产品开发数据库近期全面提升我国汽车工业的综合实力为汽车工业节能减排总目标的实现做出贡献带动材料、装备等相关工业的发展远期以5

种目标车型为载体，开展7

项共性关键技术攻关，辅以4

项支撑措施，搭建2

个共性技术平台。“十二.五”目标汽车轻量化技术创新战略联盟汽车轻量化技术创新战略联盟联盟近期目标实现后预计联盟内整车企业2010～2012年期间到2015年累计轻量化车型产量25

万辆230

万辆节约标准煤23.9

万吨69

万吨减少CO2排放54.7

万吨157

万吨企业新增利润36.6

亿元116

亿元一汽奔腾B50奇瑞

B25吉利

NL-1长安

CV11东风

某商用车联盟目标车型汽车轻量化技术创新战略联盟宝马公司为评价白车身轻量化效果提出了轻量化系数L的概念。L可用下式表示，单位为kg/(Nm/°×m2)。L=m/Ct·A

（1）式中m

表示白车身的结构重量（不包括车门和玻璃），单位为Kg；Ct表示静态扭转刚度（包括玻璃），单位为Nm/°;A表示左右轮边宽度与前后轮中心距的乘积所得的面积，单位为m2；有关参量示意图见下图，汽车轻量化效果反应在L值的下降。白车身轻量化系数的相关参量示意图四.轻量化的评价参量轻量化系数轻量化的评价参量轻量化指数在一般情况下，在进行轻量化设计时，人们更多关心的是轻量化和安全的统一性，因此轻量化系数应该还涵盖有更多的相关内容。虽然轻量化系数具有一定的物理内涵，但对于不同车型、不同公司产品，用L的绝对值难以说明其轻量化效果，通常轻量化是与原标杆相比较所得相对值。因此，为了更直接的反映轻量化的效果，基于式（1）和相关的轻量化设计概念，也为了消除轻量化系数L的量纲，文献[7]提出了轻量化指数Li作为表征轻量化效果的指标，即Li

=

L1

-

L2

/

L1将L1、L2带入即可得轻量化指数的表征方程Li

=1-(m /

m

)

(C A

)

/(C A

)2

1

t1

1

t

2

2尽管商用车数量比乘用车少，但消耗的能源不可低估美国能源情报署（Energy

Information

Administration）1998年发表的不同类型汽车日消耗石油产品的统计和预测数据数据表明，1998年美国商用车（1-8级载货汽车）每天消耗石油约占全部汽车消耗量的60％商用车是燃油消耗的主体从增长趋势看，商用车表现为强劲的增长商用车的轻量化对于节约石油资源具有十分重要的战略意义中国汽车工程研究院五、商用车轻量化意义更大1

美国等发达国家十分重视商用车的轻量化和节能美国能源情报署（Energy

InformationAdministration）1998年发表的不同类型汽车日消耗石油产品的统计和预测数据，表明，1998年美国商用车（1-8级载货汽车）每天消耗石油约占全部汽车消耗量的60％，因而商用车是燃油消耗的主体。从增长趋势看，商用车表现为强劲的增长，商用车的轻量化对于节约石油资源具有十分重要的战略意义。因此美国提出了21世纪卡车计划，该计划是美国卡车、客车工业与其支持工业及联邦政府组成联盟，研究和开发商用车实用技术，在提高其安全和性能的同时,显著降低燃油消耗和排放。中国汽车工程研究院五、商用车轻量化意义更大美国商用车21世纪卡车计划及技术路线图THE

21st

CENTURY

TRUCK

PROGRAMCThes

21t

entury

Truck

Program

is

a

partnership

betweenthe

U.S.

truck

and

bus

industry

and

its

supporting

industriesand

the

federal

government

for

research

and

development(R&D)

of

commercially

viable

technologies

that

willdramatically

cut

the

fuel

use

and

emissions

of

commercialtrucks

and

buses

while

enhancing

their

safety

andaffordability

and

maintaining

or

enhancing

performance.21世纪卡车计划是美国卡车、客车工业与其支持工业及联邦政府组成联盟，研究和开发商用车实用技术，在提高其安全和性能的同时,显著降低燃油消耗和排放。中国汽车工程研究院五、商用车轻量化意义更大美国不同类型汽车日消耗石油产品的统计和预测数据中国汽车工程研究院五、商用车轻量化意义更大2009年中国汽车产销量为1364万辆，商用车产量340万辆；汽车保有量将近6300万辆；商用车将近1500万辆。五、商用车轻量化意义更大中国汽车工程研究院2

商用车轻量化的驱动力—法规与市场需求中国汽车工程研究院五、商用车轻量化意义更大五、商用车轻量化意义更大中国汽车工程研究院五、商用车轻量化意义更大中国汽车工程研究院3

国内外商用车典型车型自质量对比五、商用车轻量化意义更大中国汽车工程研究院五、商用车轻量化意义更大中国汽车工程研究院五、商用车轻量化意义更大中国汽车工程研究院4、商用车减重潜力大我国汽车产量与保有量的15—20%为商用车，而商用车的质量大，油耗大，运行里程高，轻量化效果显著，如，重型货车采用高强度大梁钢板，可减重300—400kg，采用变截面少片钢板弹簧结构，可使板簧的自重降低25—30%，而重型货车的钢板弹簧重量在600—1000kg左右，减重可达200kg以上。商用车的自质量也在逐年减少，以意大利IVECO商用车为例，80年代末，其商用车驾驶室的质量为1600kg，2004年已降为960kg，减少了40%，车架80年代末的重量

1200kg，目前已至降800kg，减重33%。中国汽车工程研究院五、商用车轻量化意义更大为了保证矿用车的节油或增加载重量，而又不影响其使用性能；十分重要的手段是轻量化，矿用车的翻斗和大梁占据矿用车自重的较大比例，通常二者相加的重量达到近4吨，使用高强度板后其减重的潜力很大，目前一般翻斗底板的重量为3.0吨左右，通过轻量化的研究和高强度钢板的应用，如可使翻斗底板减重250公斤左右，侧板减重

400公斤，以上累计650-700kg；又如Weoko的集装箱拖挂车，其大梁采用σs为700MPa的单梁设计；日本和俄罗斯的矿用车上早就采用抗拉强度级别为700-800MPa的高强度和可焊性相结合的高强度板作翻斗底板；而用抗拉强度为1000MPa作为翻斗的耐磨镶条，在25T自卸车，

100T电传动中国汽车工程研究院五、商用车轻量化意义更大自卸车以及其它重型自卸车上的大梁和翻斗上应用，减轻了翻斗的重量，改善了使用性能，延长了翻斗的寿命，取得较好的效果；采用高成形性、高强度双相钢制作汽车钢圈，减薄钢圈用材料的厚度，可以减轻汽车运动件自重，节油效果更加显著。采用锻造铝或半固态铝制车轮可有效减低重量，实现轻量化，同时车轮减轻，其转动惯量的减低，可明显的降低油耗。中国汽车工程研究院五、商用车轻量化意义更大六、对汽车轻量化用材和能耗的新的评估方法中国汽车工程研究院◆零件的制造能源◆汽车的回收能源合成材料的性能◆材料的使用性能1、能源的评估◆材料的生产能源◆汽车的使用能源2、性能评估◆原材料的性能◆制造的工艺性能3、价格评估◆求得最高的性价比4、回收再在的评估◆材料的循环再生七、国年某载重车的材料构成国内某载重车用材情况中国汽车工程研究院七、国内某载重车的材料构成中国汽车工程研究院八、商用车轻量化手段和方法中国汽车工程研究院实现汽车轻量化的主要途径有以下三个：结构优化设计与创新——如采用优化设计除去零部件的冗余部 分（使零部件薄壁化、中空化），部件零件化、复合化以减少 零件数量；设计全新的结构等。轻量化材料应用——主要是采用轻量化材料以减轻零部件重量。轻量化材料是指可用来减轻汽车自重的材料，它有两大类：一类是低密度的轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等；另一类是高强度材料，如高强度钢。先进成型技术应用——激光拼焊板坯（

TWB），液压成形（hydroforming）、热成形（hotpressforming）、半固态成形（semi-solid

forming）等。八、商业车轻量化－整车开发减轻重量比例结构优化266Kg19%新材料、新技术574Kg41%功能配置优化560Kg40%合计1400Kg100%减重1400Kg某牵引车轻量化情况不同专业的优势集成，包括设计、分析、工艺、材料；不同材料的优势集成（高强度钢、铝合金、镁合金及塑料复合材料）；不同加工工艺和方法的优势集成；各种零件的优势集成和整车性能的优势集成。最终达到轻量化、高性能、低成本的效果，取得最佳的性价比。中国汽车工程研究院八、商用车轻量化手段和方法1

商用车大梁等构件的轻量化

做为商用车用钢铁材料，主要是车架用高强度热轧板，减少从而大大节约钢材的用量和使用过程中的燃油消耗；为满足双梁结构变单梁结构的设计要求及汽车制造大梁

工艺技术的进步的推动下，开发了屈服强度为600、650、700MPa级的系列高强度热轧汽车大梁钢板。

商用车轻量化其典型构件应该用高强度钢板车架大梁、车身、车轮用钢板的强度级别不断升高，其屈服强度已分别达780MPa、590

MPa、650MPa；

高应力变断面少片悬架弹簧开发了应用和多片等截面板簧相比，在承受同样的使用应力下板簧重量可减少

30%～50%，板簧的片数可减少50%～70%。根据拇指法则：t

HS

s

SMS采/s

用SHS

高强度零件的厚度可以中国汽车工程研究院=

t

MS九、商用车轻量化和高强度钢热轧板的应用九、商用车轻量化和高强度钢热轧板的应用中国汽车工程研究院2

我国目前商用车大梁、车轮、冲焊桥壳高强度热轧板使用情况长期以来，我国中、重型汽车的大梁均采用双梁结构，这既有设计、制造水平的原因，也有满足用户“多拉快跑”和货物运输车辆的超载使用，如通常标示5吨车其超装载量会在10—20吨左右，以有效的降低运输成本，提高经济效益。因此，目前我国中、重型汽车的大梁以双梁结构为主，钢板以510MPa为主；也有部分载货车采用8mm的590MPa钢板主梁，5mm的510MPa钢板为衬梁的。而700MPa的单梁仅极少企业在牵引车上使用，如一汽J6H型全挂牵引车的大梁采用宝钢的高强度钢（B700L）制造，该车型已经在

2007年批量生产并投放市场，每辆车的大梁钢板的高强度钢板的重量为300—400公斤，需高强度钢板坯料约400—500公斤；济南重汽也在其全挂牵引车上采用700MPa的单梁，并通过了各项试验，将于今年年底或明年年初投放市场。另外一个轻量化的典型零件为车轮用钢，目前我国车轮用钢的强度水平一般为Q235或Q345，应用强度级别较低，车轮重量较重，国外同样尺寸的车轮比我国要轻15-20%，如美国福特的皮卡车轮采用的材料为低硫的屈服强度为414MPa的专用车轮用钢，而我国大部分用CL380，车轮重量较高，而且使用寿命也低于美国福特的车轮。目前，中国汽车工程研究院已和江西五十铃公司与有关的钢厂一起开发高强度低硫的微合金化车轮用钢，以改善车轮的疲劳寿命、工艺性能及轻量化。另一个车轮用高强度的发展方向为是采用DP600制造车轮，与Q345相比，

DP600制成的同样尺寸的车轮，可以减重15%，且冲压成形性好，疲劳寿命高。中国汽车工程研究院九、商用车轻量化和高强度钢热轧板的应用车架与车桥核心为纵梁、横梁轻量化材料：高强化

Q345、16Mn

QSTE550TM、QSTE700TM加工：冲压/辊压成形、整体式大梁车桥轻量化材料：高强化Q345、16MnQ345、16MnBR600HF(桥壳)

QSTE550TM、QSTE700TM(传动轴)加工：热冲焊/冷冲焊、管状液压成形、整体式车桥案例1某牵引车纵梁双梁8mm+5mm

B510L改为单梁

8mm

QSTE700TM纵梁双梁改单梁车架轻量化车架总成结构优化设计项目DFLX1DFLXX减重（Kg）结构形式车架8+5结构单车架局部加强结构83.7角板原结构优化后结构96.3三、轻量化主要工作－结构优化车架轻量化车架总成结构优化设计8+5结构单车架局部加强结构车架三轻、轻量量化化主要工作－结构优化原结构优化后结构车架总成结构优化设计8+5结构单车架局部加强结构车架三轻、轻量量化化主要工作－试验检测原结构优化后结构车架总成结构优化设计项目DFLX1DFLXX减重（Kg）结构形式车架8+5结构单车架局部加强结构83.7角板原结构优化后结构96.3三、轻量化主要工作－结构优化车架轻量化辊压不出现开裂，能够很好地控制回弹。1.采用DL700高强钢替代DL510材料生产商用车车架；2.热处理高强度钢板在车架上的应用（1200MPa）辊压整形热处理车架轻量化仓栅半挂车轻量化案例2车厢轻量化 －车厢开发序号箱长(m)原用材料现用材料减重效果14.8～5.4Q235DL700约200kg25.8～6.2Q235DL700约250kg38Q235DL700约300kg高强度钢自卸车车厢减重方案及效果成形性回弹模具磨损、寿命设备吨位焊接性能疲劳性能刚性变化高强减重应注意的问题项目普通仓栅半挂车配置（普通钢）轻型仓栅半挂车配置（高强度钢）普通仓栅半挂车重量轻型仓栅半挂车重量可降低自重翼板14/16mm8/8mm700MPa级876.2Kg470.1

Kg406.1

Kg腹板8mm5mm700MPa级758.5Kg468.1

Kg290.4

Kg地板3mm1.5mm1200MPa级693.6

Kg346.8

Kg346.8

Kg边梁16#

轻型槽钢3mm折弯件

700MPa级327.3

Kg149.6

Kg177.7

Kg立柱立柱外罩4mm,带内封板，宽度180立柱外罩3mm,无内封板，宽度120700MPa级252.0

Kg141.3

Kg110.7

Kg合计2907.6

Kg1575.9

Kg1331.7

Kg减重45.8％案例2仓栅半挂车轻量化九、商用车轻量化和高强度钢热轧板的应用中国汽车工程研究院我国现阶段商用汽车（8吨及以上）大梁大都采用

510MPa级大梁钢板制造，如，P510L、B510L、M510L、

W510L、Z510L钢板等；其结构为8mm主梁加5mm衬梁的双梁结构，翻斗矿用车另加付梁；主梁加衬梁的厚度达

13mm，重量在1.2—2.0吨范围。而国际上发达国家生产的商用汽车大多采用8mm、屈服强度（≥650MPa）钢板的单梁结构。在北京、上海的车展上欧洲各国参展的商用汽车大梁全是单梁结构；单梁结构又可分为等刚度单梁、变刚度单梁和变截面单梁结构等，如，重庆红岩汽车厂引进生产的意大利依维柯系列重型商用汽车的大梁就是采用650MPa、8mm的等刚度单梁结构，从而减少了材料消耗、降低了汽车重量，达到了轻量化目的。因此，我国未来重型商用汽车大梁必将大量采用高强度钢板的单梁结构，这是我国重型商用汽车轻量化的发展方向。为使商用车桥壳进行轻量化，而采用了冲压焊接桥壳，不仅缩短了制造的工艺流程，减轻了重量，与铸造桥壳相比，在同样的刚度下，可使桥壳减重20%，因此冲压桥壳用钢也是近年来，国内外研究重要课题之一，以提高强度、保证焊接性能和成形性，从而保证冲压焊接桥壳的使用寿命。中国汽车工程研究院九、商用车轻量化和高强度钢热轧板的应用悬架系统的轻量化由目前的等截