新材料与工艺手册

[轻量化客车] 基于重型商用车的轻量化技术研究

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发表于 2020-11-6 13:59:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】基于重型商用车的轻量化技术研究
张婷婷1,许彪2,张杰1,刘源泉1
(1.陕西汽车集团有限责任公司,陕西 西安 710200;2.陕西重型汽车有限公司,陕西 西安 710200)
摘 要:轻量化技术对于重型商用车有着非常重要的意义,是实现节能减排技术的重要方法,同时可以提升品牌在行业的竞争力,提升整车经济性和环保性 ,实现用户和企业“双赢”。文章主要从重型商用车轻量化概念以及方法,并以车架、车轮、前伸梁、悬架、货箱为例,阐述了轻量化在重型商用车上的发展与应用,为整车轻量化提供一定参考价值。
关键词:重型商用车;轻量化;结构优化;工艺优化

引言节能、环保、安全是当今世界汽车业关注的主要话题,我国石油进口依赖度增加,能源、环保压力不断增大,作为能源消耗大户的商用车行业备受关注。目前商用车保有量仅占汽车总保有量的20%~25%,但油耗却占汽车总油耗的50%~70%。如何设计制造出安全、节能、环保的汽车是当今汽车制造的重点方向。研究表明,当车辆的整备质量每减少100kg,可使百公里油耗降低0.3~0.5L/(100km),温室气体CO2 排放降低8~11g/(100km),加速性能提升8%~10%,制动距离缩短2~7m[1-2]。因此轻量化成为提高节能、环保、安全性能的有效途径,其研究具有重要意义。目前商用车生产企业是国内研究轻量化技术的主要单位之一,其中重卡轻量化效果和幅度较大。
1 商用车轻量化的概念汽车轻量化指满足原有的行驶安全性、可靠性、耐久性、舒适性等要求与成本控制条件下,将结构优化设计、材料技术与制造技术集成应用所实现的减重。决不能以牺牲整车性能为代价,相反,还应使整车性能得到加强。同时要满足国家法规要求,要想满足超载运输,就谈不上轻量化。其意义在于提高运输效率、提升燃油利用率、减少资源消耗。
2 商用车轻量化方法商用车主要采用的轻量化措施分为四个方面:结构优化、集成化设计、材料轻量化、工艺轻量化。
2.1 结构优化结构优化方法已普遍应用到汽车结构设计中,主要集中在利用有限元和优化设计方式对结构性能进行分析和设计。常用的结构优化方法有尺寸优化、形状优化、拓扑优化。
2.2 集成化设计通过减少冗余的零部件,进行跨功能整合,实现轻量化。如商用车上对悬架、发动机、车桥等总成进行集成化设计。
2.3 材料轻量化轻量化材料目前以高强钢、铝和镁合金复合材料等为主要选择[3]。
2.3.1 高强钢
高强钢的强度是低碳钢的5 倍,具有价格低、经济性好、性能优越的优点,但塑性相对较差。在等载荷、等强度设计条件下,应用高强钢可减小料厚、减轻质量,提高车体抗凹陷性、耐久强度和大变形冲击强度,是汽车轻量化的关键材料之一。重型商用车上主流的高强钢指650L、700L 等,可用于车架上的冲压件及辊压件[4]。目前国内外均在加速高强钢、超高强钢在汽车各总成上的应用。
2.3.2 铝镁合金
铝的密度约为钢材的l/3,铝中加入一种或几种元素后即构成铝合金,每使用1kg 铝合金,可使汽车降重2.25kg[5],铝合金具有良好的耐腐蚀性和延展性,在汽车行业已经得到广泛应用。如薄壁铸造铝合金、压铸铝合金、铝型材广泛应用于商用车的支架、框架、梁架、壳体等。
镁目前是工业应用材料中最轻的一种金属,镁合金的比强度和比刚度高,资源丰富。当前镁合金高压铸造工艺制备的转向柱支架、方向盘及仪表板骨架已在汽车行业得到应用。
2.3.3 碳纤维复合材料和塑料
碳纤维复合材料密度低、比强度高、比模量大、抗腐蚀性强、耐久性和抗冲击性能好,隔声降噪,材料性能具有可设计性,其性能许多金属材料无法比拟。轻量化效果明显,但大规模推广的工艺性和成本问题有待进一步解决[6-7]。
塑料作为高性能的轻质材料,工艺制作成本低,易成型、涂色、修复,抗扭曲和变形性好。设计上可使多个部件合成一体,增强功能,降低成本。同时便于废物回收和再循环使用,越来越多的应用在汽车上[3]。常见的零部件有塑料加油口盖、塑料水箱前端模块、塑料翼子板和挡泥板等。
2.4 轻量化工艺2.4.1 先进的制造技术
热成型工艺:该技术已经非常成熟,国内供应商资源丰富,商用车上也逐渐广泛应用,成本已降低到15 元/kg。其中变料厚热成型技术,设计灵活性高,多区域厚度光滑过度,有利于碰撞吸能,避免应力突变。
内高压成型:应用于各类管件、管状支撑件、热胀型驱动桥壳体等。可降低钢管壁厚,增加压型,提升结构强度。商用车底盘上分布着众多管状零件,如排气管,他们的传统成型工艺为弯曲拼焊成型,焊缝多、表面质量差,不能满足重卡高端车型的整车外观要求。无焊缝耐高压成型工艺是内高压冲压成型,不存在薄壁管弯曲起皱工艺缺陷,且能保证图纸尺寸要求,适合批量生产。该工艺可使管壁厚度减小0.5mm,同时提高表面质量。
辊压技术:通过高性能级别材料辊压件的应用,可减少零件数。应用于地板边梁、纵梁、加强梁、门框等。
2.4.2 连接工艺
激光拼焊:技术成熟、成本较低,可实现同种牌号不同规格、及不同牌号不同规格零件拼焊。国内商用车车门、侧围、地板、纵梁已经采用。
自冲铆接:是一种快速连接两层或者多层板材的冷成型工艺,相对传统连接工艺有如下优势:
(1)可连接无法焊接或焊接性差的材料;
(2)可连接异种材质的板材;
(3)对镀层的损坏比较小;
(4)铆接过程简单、无需对被铆件进行预冲孔;
(5)无烟尘产生、低噪音等。
3 重型商用车轻量化具体应用3.1 车架总成车架是整车承载受力主要部分,纵梁可使用高强钢,已达到取消内加强板、改为单层梁或减小纵梁腹面宽度等结构设计。车架槽型横梁可优化为管式铸造梁,尾梁和横梁可采用铝合金材料。在整车总布置时要合理规划轴距,不宜过大。
3.2 车轮总成重型商用车后桥每个车轴两侧多为双胎,以6×4 牵引车为例,整车装有10 个轮胎,因而轮胎在整车轻量化中占有一定分值。如采用真空胎每条可降重20kg,也可尝试将目前普遍使用的双胎更换为大单胎。在车轮方面,传统重卡大多采用钢制车轮,较重,采用铝合金轮辋是有效的轻量化措施。同时对轮辐通风口进行优化,单个轮辐减重不多,但整车降重及降成本并不少。
3.3 前伸梁前伸梁是底盘上复杂的系统,集成了冷却系统固定支架、驾驶室前悬置、转向机、前下防护、保险杠、上车踏步、驾驶室翻转缸等功能实现。通过CAE 分析软件进行拓扑结构优化和应力状态分析,结合使用高拉伸强度和卓越延展性材料,进行集成化设计,可降重和提高装配效率。
3.4 悬架系统空气悬架具有优越减震性、行驶稳定性,较传统板簧悬架价格贵,可根据用户需求尝试在一些车辆上选装。传统板簧悬架多为等截面、前后多片,重量较重,如采用少片变截面结构代替传统结构,不但减轻重量,还可提高舒适性。
3.5 货箱传统货箱蒙皮和地板多为铁瓦楞板,结构复杂,影响货运效率。对货箱结构框架进行轻量化设计,可降重120kg 左右。同时货箱蒙皮可考虑采用铝合金或热塑性PP 蜂窝板、货箱地板采用铝花纹板。而对自卸车货箱采用高强度钢板、前顶液压举升机构、U 型货箱及动力密封篷布盖,可降低20%~40%的上装质量。
轻量化设计是一个伴随整车开发流程的系统性和连续性工作,在全生命周期都应保留这种理念。重型卡车很多总成都可进行轻量化设计,如通过结构优化对转向轴冗余结构进行减重,散热器护风罩由铁质材料改为塑料,转向轴和驱动桥制动器采用盘式结构替代鼓式结构等。
4 展望当今卡车市场竞争日趋激烈,伴随着节能减排、绿色环保政策的实施,车联网的快速发展,用户用车理念的转变,轻量化的商用车,特别是轻量化重型运输车正得到越来越多用户的青睐,商用车的轻量化势在必行。未来轻量化将是零部件结构设计、新材料供应和生产制造工艺等方面的共同努力,不是某一方面的单一应用。我国商用车轻量化现状与发达国家相比,还存在一定差距,只有行业共同努力才能使轻量化技术登上崭新台阶。

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