商用车轻量化并非减重那么简单

2020-10-27 09:37 260 0
简介
    “只有在细分市场和具体工况之下谈轻量化才更有意义”、“轻量化研究的单位要精确到克,要落实在每一个零部件上”、“轻量化容易,难在轻量化之后的耐久性问题”、“高强钢的使用在轻量化过程中不是放之四海 ...

  

  “只有在细分市场和具体工况之下谈轻量化才更有意义”、“轻量化研究的单位要精确到克,要落实在每一个零部件上”、“轻量化容易,难在轻量化之后的耐久性问题”、“高强钢的使用在轻量化过程中不是放之四海而皆准的”……

  近日,在由IQPA质量与生产力学院主办,日照市工业和信息化局、日照兴业汽车配件股份有限公司承办的“2020国际商用车峰会”上,整车企业与材料及零部件供应商就商用车轻量化问题展开激烈而深入的探讨。

  轻量化已成为大势所趋,客户如今对于货运效率的要求不断提高,对合规轻量化商用车的需求也越来越大。轻量化使商用车合规装载更多货物成为可能,在保障道路交通安全的同时,既能大幅提升燃油经济性,又可提升物流业运输效率,而从业者对轻量化的追求也逐渐从盲目转为理性。

  轻量化是汽车业发展“应有之义”

  

  除了高油耗和高排放之外,汽车负载过重还容易导致操控性差、加速慢、制动差。轻量化则意味着汽车遭遇突发情况下,驾驶员能够灵活控制车身姿态、躲避危险物和及时刹停。传统观念认为汽车越重越安全,事实上只要设计、选材和制造工艺合理,轻量化完全能够满足汽车安全标准。轻量化汽车拥有更强的主动安全性和操纵性能。同等条件下汽车越轻,制动器要消耗的能量就越小,制动距离越短,汽车主动安全性更强。根据国际铝业协会的研究,整备质量减轻10%,制动距离减少5%,转向力减小6%,行驶稳定性更好。

  汽车轻量化还有利于节能减排。一项研究显示,整车减重10%,可降低油耗6%~8%,节省电能6%~9%。另据了解,商用车行驶100公里的排放量约为乘用车的3~4倍。汽车重量每减少10%,可降低排放5%~6%。对于商用车(载货车)而言,车辆每减重1000kg,按年行驶10万公里计算,用户可获益3.5万~7万元。因此,商用车实现轻量化也是客户追求经济利益的需要。

  事实上,我国汽车产业的发展一直伴随着两个问题:一是环保,机动车已成为我国污染排放物的重要来源之一;二是资源,由于多煤少油缺气的能源格局,我国石油对外依存度较高,预计2020年汽车耗油约占我国石油消费量的57%。

  针对这两个问题,政府一方面积极推行汽车电动化,并在新能源汽车补贴政策中设置能耗门槛,不断降低单位载质量能量消耗量;另一方面不断提高对传统燃油车的能耗要求。无论推动能源多元化还是提高油耗标准,由于现有整车结构及技术的限制,都会倒逼整车企业在轻量化方面不断探索。特别是在电动化浪潮席卷全球汽车行业的当下,如何进一步提高续驶里程等新能源汽车性能,成为业界亟待解决的现实难题,轻量化恰有用武之地。

  材料、设计、工艺三方面缺一不可

  

  宝山钢铁股份有限公司中央研究院主任研究员王勇认为,要实现商用车轻量化,材料、工艺和结构三个方面缺一不可,这也是为什么宝钢作为材料供应商,还要花大力气研究结构的优化设计和先进的加工工艺的原因。“从材料的角度讲,我们首推高强钢,但如果仅从高强钢的角度去讲轻量化,效果也不一定最好。”

  首钢集团有限公司技术研究院主任工程师董现春对此深表认同。在他看来,商用车轻量化有多种途径可以实现,比如去除冗余结构、不必要的附件、不受力的部位,造孔或尝试镂空设计,由板式结构改为桁架架式结构;以及将钢板的厚度减薄,同时匹配以结构的改变。“轻量化是必由之路,关键在于如何解决轻量化之后的耐久性问题。”他说。

  董现春认为,在材料方面,高强钢的使用是基础,但同时也要提供可靠的连接方式来保证强度,连接材料要与钢板材料同步提升;结构方面,要寻找材料厚度与结构的平衡点。比如,大壁厚的材料刚度好,减薄之后刚度下降,就要通过结构设计优化弥补刚度的损失。以工字梁为例,可将其高度提高,寻找一个平衡点。

  值得注意的是,并不是所有车辆都适合轻量化,应谨慎考虑细分市场的情况。董现春举例,快递物流车通常是标载的,所载货物体积大、重量轻且较为单一,以高速公路为主的路况较好,这种细分市场车型就比较适合轻量化设计。相反,一些车型常往返于砂石厂的土石路,路况较差,扭转载荷振动载荷较多,不仅不适合轻量化,还要在局部采取加厚设计;还有一些车型常拉钢卷或较重的物资,这种车辆的载荷比较集中,也不适合轻量化。轻量化的车型最忌讳集中载荷,即重量集中在一个点,在坎坷路面中产生的载荷甚至可以达到自身重量的3~5倍,剧烈冲击下很容易造成车身断裂。

  “所以我们常会向车企或挂车厂提供一些技术支持,包括哪些车型可以使用高强钢,哪些车型还需保证结构刚度,协助车企分析原因并提出改进措施,到底在轻量化的过程中,应该提升原材料的强度还是改变结构尺寸,抑或改变外加载荷。”董现春说。

  创新开发模式考虑“人-车-环境”工况

  

  北京福田戴姆勒汽车有限公司(以下简称“福田戴姆勒”)高级工程师王宝昆认为,车架作为商用车最大的承载件,是实现车架轻量化的最有效着力点,宜采用高强度钢,在保证承载强度的情况下,减轻车架、整车重量,更好地满足市场需求。

  据介绍,福田戴姆勒应用“先行材料-结构设计-工艺调整-安全评价”的正向开发流程,即结合国内外的高强大梁钢数据整理,结合主流钢厂的工艺水平,确定成份体系和性能标准;在保证同等质量水平的前提下,国内首家将纵梁8mm减薄至7mm,结合不同方案的计算分析选取最优方案;国内的车架纵梁主要是两种工艺,辊压和冲压工艺,结合目前自身冲压生产工艺,首批进行产品中最长的车架工艺摸底,小批量对热销车型产品的重点工艺保证,反复对材料性能进行优化,达到材料的补充认证保障,运用“合适的板材用在适合的部位”的理念,保证批量生产中工艺阶段的材料的适应性;在零部件装配整车后进行道路的耐久性测试和可靠性验证,在极限工况中取得动态应力应变数据,与材料的疲劳数据对比,最终用量化的数据得出安全系数。在整个正向开发流程中,不断进行反复验证,并由研究类项目转化为应用类项目,从而保证了产品的质量和安全性的基础上,为公司和客户创造了双赢的价值。

  北汽福田汽车股份有限公司工程研究总院高级经理唐波补充道,传统的开发模式存在诸多问题:开发更多考虑通用性,没有针对性;对“人-车-环境”工况要素考虑不全,导致在满足用户实际需求方面存在缺失;工况采用广泛标准(法规、竞品数据、国家标准),存在过设计、过验证或欠设计、欠验证的情况。

  基于客户工况的商用车性能开发,需要从用户的实际使用条件中识别出运行条件、使用载荷、驾驶习惯、装置及附件使用四个要素的相关信息,通过统计分析提炼出开发可用的工况输入条件,转化到车架开发中。不过,唐波也直言,在现实中很多卡友没有货物选择权,比如一个散户拉货到新疆,回程时如果空车一定赔钱,只有展石可拉,大部分司机都会选择接单,但一个展石重量就达50吨,

  唐波表示,物流行业有个“二八理论”,即20%的货物决定了80%的损伤,一次超载比一百次标载对车辆的损伤还要大。所以,轻量化更适于车辆使用一致性较好的用户,如快递物流企业。同时,现在也有最新的方式,通过车联网对车辆超载进行预警,进而对轻量化车型进行保护。

  专家观点:商用车轻量化设计必须充分考虑具体工况

  访谈嘉宾:

  首钢集团有限公司技术研究院主任工程师………………董现春

  宝山钢铁股份有限公司中央研究院主任研究员…………王勇

  北汽福田汽车股份有限公司工程研究总院高级经理……唐波

  《中国汽车报》:商用车的轻量化设计,目前还存在哪些难点?

  董现春:目前,车企进行轻量化设计已比较理性,不像以前那么盲目,难点主要还是在复合材料的应用上。高强钢不是放之四海而皆准的,它的应用有一定限制条件,而一些铝材、碳纤维、高强度塑料应用在挂车或货箱上,轻量化效果良好,但这些有机材料的连接是一个难题。此外,还有一些车企的轻量化结构设计做得不够到位,没有充分考虑实际工况,常导致驾驶室的踏板开裂等问题。

  王勇:商用车的轻量化设计与乘用车不同。通过实践,我们发现由于缺乏相关的参考标准,在轻量化方案实施前,很难去评价方案的可靠性。

  中国商用车行业发展向国外先进市场参考借鉴的比较多,国外商用车市场虽也未见到公开的行业轻量化标准,但企业自身的数据和经验积累较多。国内车企最近几年才在法律法规的驱动下,开始重视车辆轻量化,以前只关注多拉货、可靠性,所以轻量化经验积累还是少了一些。

  《中国汽车报》:目前,商用车轻量化应该重点着眼于哪些方面?

  董现春:轻量化的关键不在于材料,而在于设计。也就是说,要清楚了解各种材料的使用性能,在什么工况下使用什么强度的材料,有的放矢地进行轻量化设计,轻量化并不是越轻越好。

  王勇:这几年,我国商用车行业在轻量化方面取得的成绩可圈可点,企业开始根据具体工况进行设计优化,但总体而言考虑得还不够周全。市场越细分,对于轻量化方案的设定无疑越有利;但同时,越细分的车辆通用性就越差,专用车专车专用,但牵引车很难细分到理想的程度。

  国内外商用车情况不同,国外商用车的价格大概是国内市场的2~3倍,因为车辆装备费用太高而不敢盲目乱拉货,但国内商用车主一般1~2年即可回本,所以实际工况很复杂,这也导致了轻量化方案的效果很难得到保证,车企只能按照最恶劣的工况进行设计。所以,最重要的还是如何评价轻量化车型的安全可靠,高强钢材料的应用,以及对一些新工艺的探讨。

  唐波:轻量化设计的关键在于精准的场景工况定义,我认为要对客户使用产品的场景工况进行多维度采集,细化到四级;分析和判断客户场景工况的一致性,比如散户全国各地跑,装多种货物,就缺乏一致性;将客户使用场景工况转化为工程设计验证的输入条件;基于场景工况开展设计、CAE分析优化、台架试验、整车试验、小批量客户测试;轻量化的产品要精准销售给对应的客户;通过车联网对客户使用场景进行收集,以及客户误操作预警。

  同时,行业还应开展对国际先进车架的竞标研究。随着时代的发展,车架的设计思想也在不断变化,需要向国外很多标杆车型进行学习和借鉴。福田汽车长期跟踪国外标杆车型的车架发展趋势,对车架截面尺寸、材料、工艺以及应用场景、螺栓型号、扭矩等进行深入研究,并形成数据库,做大数据分析。通过这些研究,指导未来车架开发的技术方向。通过对国外先进产品的研究,轻量化研究的单位是克,轻量化研究要具体到每一个零部件。


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