商用车轻量化发展趋势研究

经调研卡车货运量占全部货物运输量90%以上，近年来从国家层面及地方层面实施的各种强制法规治理超载，导致卡车市场环境发生重大变化。因此在保证车辆的强度、刚度和安全性能的前提下，尽可能地降低车辆的整备质量即轻量化具有重要意义。试验数据表明若汽车自重每降低100kg，那么行驶100km就可以节约0.3L至0.6L的燃油。卡车自重约占汽车总质量的20％，空载情况下，约70％的油耗作用在自重上。因此卡车轻量化是提高其动力性、减少燃料消耗、降低排放、最现实而又最有效的技术措施，文章主要介绍汽车行业轻量化的措施和未来的发展趋势。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。图9变速器铸钢壳体图10变速器铸铝壳体3结论汽车轻量化是一个由车辆结构与技术途径相结合的矩阵式工程项目，结构方面涉及汽车的发动机、底盘、车身、电气设备等各个领域，实现路径包含新材料、新技术及新工艺的应用。通过有效的项目管理，精准的模拟分析，充分的实验论证保障车辆降低自重的同时，承载能力、舒适性、可靠性等关键指标不降低。表1车辆结构与技术途径矩阵表目前我国