浅谈商用车驾驶室轻量化优化设计

qccl

【汽车轻量化在线】浅谈商用车驾驶室轻量化优化设计

陈晓春

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东广州 510641）

摘 要：本文介绍了商用车轻量化工作的目的、国内商用车轻量化的发展方向，并从材料角度阐释商用车驾驶室轻量化设计的思路，在保证驾驶室安全性、耐久可靠性、耐腐蚀性的前提下，实现驾驶室轻量化，并针对轻量化材料的结构设计做了概要介绍。

关键词：商用车；轻量化；高强钢；以塑代钢

0 前言

随着汽车的日益普及，消费者对汽车也越来越了解。环保、节能、安全等已成为消费者非常关心的关键性能。怎样设计出更节能、更环保、更安全的汽车也是如今汽车设计及制造的大力发展方向。众所周知，汽车油耗与汽车重量成正比，汽车重量越低，油耗随之降低。据研究表明，当汽车重量降低1%时，消耗可降低0.6%～1%，油耗下降，排放也随之降低。因此，降低汽车重量可有效提高节能环保效率。

而商用车驾驶室的轻量化研究，则是在满足驾驶室安全的前提下，采用新结构，应用新材料、新技术等方式，来实现其轻量化。其中，轻量化材料的开发与应用是当下主要的研究方向。商用车驾驶室中应用轻量化技术，主要通过高强材料、低密度板材来实现，具体可细分为高强度钢板、轻型合金材料、以塑代钢等大类。

1 高强度钢板的应用

在当前的制造领域，商用车驾驶室的材料仍以钢板为主，因此选用高强钢进行商用车驾驶室设计，可直接、简单、有效的实现驾驶室轻量化，同时有效保障其安全性能。利用高强度钢板屈服强度大的优点，通过降低料厚，而不引起整体强度的降低。进而，减薄料厚就可实现驾驶室轻量化。高强钢板应用于车身覆盖件，可显著提升抗凹陷性能；而当其应用于车身结构件时，可显著提升碰撞安全性。横向对比国内商用车品牌，一汽集团在商用车领域广泛应用高强钢。譬如，其生产解放CA1092 型载货汽车驾驶室零件，采用抗拉强度340MPa 级高强度钢板代替普通钢板，涉及后围、车门、地板和轮罩等41 种零部件，其中23 种零件使用BH340 烘烤硬化钢板替换DC03 钢板，18 种零件使用BIF340 含磷钢板替换DC04钢板，单车高强度钢板用量达到228kg，驾驶室减重约21kg。东风天龙（D310）驾驶室高强度钢用量86.3kg，涉及160 件，占总质量的30%。纵观国际商用车市场，一般商用车的高强钢用量达40%～60%，甚至超过70%，其比例及应用范围均超过国内商用车。我国国内制造的商用车白车身仍以普通钢板为主，具备很大的高强度钢板应用提升空间，同时也能显著提升商用车驾驶室的轻量化设计。

2 低密度材料的应用2.1 铝合金

铝合金作为日常生活中常见的材料，最大特点是轻便，其密度约为2.5～2.88g/cm3，仅为普通钢材的1/3。而铝合金除了轻便外，还兼顾成型性好、抗腐蚀、耐热疲劳等优点，作为轻量化材料用于结构设计，可起到显著的减重效果。目前国内的商用车中，应用最多的合金类材料就是铝合金，在动力、底盘、车身等领域均得到广泛使用。而在商用车驾驶室中，仪表板横梁、方向盘支架、转向管柱支架、踏脚板、行李架等零件均已广泛采用铝合金。譬如，东风天龙重卡铝合金用量已超过360kg，而美国彼得比尔特（Peterbilt）多款车型采用全铝材料驾驶室，可显著减轻整车重量，因此实现其降低油耗的目的。与其同时，驾驶室的强度和抗腐蚀等性能均得到提升。

但铝合金材料性能偏脆，且导热性能极好，因此其冲压成型难度很大，并且难以焊接拼接。此外，铝合金成本大概是普通钢材的两至三倍，大量使用铝合金材料也将显著提高整车成本。因此，铝合金材料的刚强度、以及铆接方式是制约其发展的瓶颈，也是当前的研究重点和方向。

2.2 镁合金

作为铝合金的邻居，镁合金的密度比铝合金略小，约在1.75～1.90g/cm3 之间，仅普通钢材密度的1/4，是目前工程应用领域中最轻的金属。其小密度、轻重量、高比强度比刚度、良好导热性能、磁屏蔽性能、防辐射性能的特点，使其在当今的材料研究领域大放异彩。当前，镁合金已应用于乘用车领域，譬如底盘、车身上都有应用，譬如仪表板横梁总成、转向管柱支架、座椅骨架等。而在商用车领域东风汽车车身镁合金应用较早，主要为153 系列、东风天龙等车型的踏步、转向柱支架等。其中，153 系列压铸镁合金踏步每年最大应用量达到16 万余件。另外，东风汽车还提前布局，针对商用车使用镁合金进行方向性研究。镁合金零件应用于汽车轻量化设计，其优点非常显著，但是也受到其成本制约，这也导致镁合金难以大范围推广应用。当前的商用车领域，还是以非外观件、低腐蚀要求的零件应用镁合金为主，短期内估计其性能及成本决定镁合金较难以大范围推广。

3 以塑代钢3.1 玻璃纤维增强塑料

玻璃纤维型增强塑料（FRP），既通常所说的玻璃钢，其密度与镁合金相仿，约为1.3～2.0g/cm3，因此同样具有小密度、高比强度、抗腐蚀的优点，但玻璃钢的成型性优于镁合金，可成型较为复杂的零部件。而在国内的商用车市场，我们对玻璃钢的研究较早，目前也已经发展的较为成熟，尤其以外饰件为甚。譬如中国重汽C7H 驾驶室共有玻璃钢复合材料零部件20 余件，涵盖驾驶室顶盖、保险杠、前面罩、导流罩、脚踏板和车门装饰板等众多产品件，总重量超过190kg。

3.2 碳纤维复合材料

碳纤维复合材料，密度介于镁合金平均值，约为1.6g/cm3，但碳纤维材料等体积下重量优势非常明显，同时兼具重量轻、耐热性好、抗腐蚀等特点。碳纤维凭借与镁合金相仿的密度，却拥有合金钢的比强度，甚至比合金钢的比强度还要高，因此也得到汽车设计领域的青睐。最开始，碳纤维材料广泛应用于赛车上，目前民用车、商用车均已开始应用，甚至宝马品牌已尝试整车使用碳纤维材料。在商用车领域，目前国外商用车品牌已实现车桥、车架、车厢等零件全碳纤维开发。例如沃尔沃的某款商用车，车厢局部采用碳纤维材料，整车总重量下降约1.8t，相比竞品车型降低约40%。而驾驶室采用碳纤维材料，即可保证强度，又可减重，并降低油耗。

然而受制于高昂的碳纤维价格，其大范围推广也受到制约。成本降低与否直接关系到碳纤维材料的发展。随着科技的进步，可以预见碳纤维材料应用将会迎来新的春天。

3.3 长玻璃纤维材料

长玻璃纤维材料的产品重量轻、刚度好、力学性能佳，并且成型性好，可以用于制作形状复杂的零件，尤其是薄壁化零件。与同类产品比，长玻璃纤维的产品可以减重30%～40%，具有显著的轻量化效果。目前长玻璃纤维的产品主要用于内饰零件，商用车上主要用于仪表板、装饰板等零件。

3.4 结构发泡材料

结构发泡材料是近段时间新起的技术，其具有低密度、高强度、高弹性模量、附着力好等特点，并且其防撞性能上佳，在抗压的同时可以显著提高产品强度，在碰撞中吸收更多的能量，因而可以降低碰撞时驾驶室的侵入量。除此之外，结构发泡材料还可以提高NVH 性能，其对降噪密封有显著效果。目前，结构发泡材料有两种实现方式：第一是随同骨架预成型加强块一起进入涂装线，电泳喷涂烘烤后再发泡，以实现蜂窝状加强结构；另一种是采用双组份发泡剂，驾驶室下线后再灌注发泡，已实现空腔结构。

4 结论

商用车的轻量化研究，尤其是驾驶室内材料的轻量化研究应用，可有效实现商用车的减重效果，并且提升其节能环保性能。随着轻量化材料的研究深入，以及基础学科的持续进步，可以预见新型的轻量化材料将层出不穷。我们需要做的是取长补短，利用好各项新型轻量化材料的特点，并运用在商用车领域，尤其是占比较重的驾驶室，这样才能真正发挥不同材料的优势，既保证驾驶室的安全，又实现驾驶室的轻量化，同时推进整车的减重，以实现节能环保的终极目标。

参考文献

[1]马鸣图，易红亮，路洪洲，等.论汽车轻量化[J]．中国工程科学，2009（9）：25-27.

[2]李芳，凌道盛.工程结构优化设计发展综述[J].工程设计学报，2002，9（5）：216-223.

[3]青山公彦，樱田澈．商用车轻量化技术[J]．轻型汽车技术，2002（8）：25-29．

[4]余景宏．欧洲牵引车在轻量化方面的有效举措[J]．商用汽车，2009（8）：95-98．