新材料与工艺手册

[轻量化客车] 浅谈商用车驾驶室轻量化优化设计

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发表于 2020-7-30 11:11:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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.





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