专用车产品轻量化的实施途径

王瑞斌

(天津星马汽车有限公司 天津 300457)

0 引 言

自 1956年中国第一台载重汽车诞生以来，重型汽车经历 60多年的不断发展，货车研发技术水平不断提高，汽车货运已经成为我国最重要的货运方式之一。依托其机动性高、中转快及能送达其他运输工具不能送到的地方的特点，汽车货运占整体货运的比重越来越高。在整个货运车辆体系中，专用车占 1/3以上。随着我国货运的高速、高效、专业化发展，专用车承担专门的运输或作业任务，其保有量及专用化率仍逐年递增，但带来的安全、环保、能源问题却日益严重。专用列车的总质量最高可达49,000,kg，是乘用车的20多倍，发动机排量为10～12,L，是乘用车的6～8倍。据有关数据显示，专用汽车质量每减少 50,kg，每升燃油行驶的距离可增加 2,km；汽车重量每减轻1%,，燃油消耗下降 0.6%,～1%,[1]。专用汽车产品的轻量化，是解决专用车发展带来的各项问题的有效手段。汽车的轻量化设计在以载客为主的轿车设计领域已经较为普及，有些企业还成立了专门的轻量化部门，但是在以货运为主的专用车领域轻量化设计理念还尚未普及，专用车产品的轻量化还处于初级阶段。

专用车产品的轻量化设计，主要是通过选用新结构、新材料及新工艺，在保证设计强度提高或不变的情况下，用轻型材料替代重型材料或减少材料的使用，达到降低整车的整备质量，提高专用车的行驶稳定性及行驶速度，提高专用车的载质量利用系数[2]，降低空载工况下的整车油耗等。

1 选用轻量化结构

1.1 副车架结构的轻量化方法

在专用汽车设计时，为了改善主车架的承载情况，避免集中载荷，同时也为了不破坏主车架的结构，一般多采用副车架(副梁)过渡[3]。副车架作为专用车的支撑部分，其重量约占专用车上装部分总重量的1/3，副车架通常采用C型槽钢、工字型钢、矩形型钢，采用焊接、铆接、螺栓连接的方式构成组件。随着电子计算机技术的发展及 CAE技术的日益成熟，有限元、边界元等仿真分析手段已在轿车上得到广泛应用。拓扑分析、多工况分析、多目标分析等优化方法，可以在价值工程的理论基础上进行结构轻量化。基于 Workbench软件进行优化分析，在保证强度以及刚度的前提下，工字钢的质量可大幅降低，约占优化前工字钢质量的 13.3%[4]。按此比例进行优化，仅副车架结构的轻量化一项即可减重4.4%左右。

1.2 专用功能部分结构的轻量化方法

除专用车副车架外，专用车都配备有专用装置实现专门的运输及作业任务。其重量约占专用车上装部分的 2/3，因专用装置的用途不同，结构差异巨大，故不可一概而论地给出通用的结构轻量化方法。笔者根据以往的设计经验总结归纳为如下3种方法。

1.2.1 移除中性层材料

专用装置的支撑结构为满足专用装置安装尺寸的需求，设计截面的尺寸远大于承载所需截面，减免的应力和应变承载能力远大于实际承载值，可以采用开圆孔、椭圆孔、多边形孔的方法移除材料，降低重量。在减重过程中，应合理测算尖角处应力集中的极限值，避免因开减重孔导致的结构失效。

1.2.2 合理利用工字型结构

工字型结构与 C型结构、矩形结构相比，其断面力学经济性能最为优良。等截面积的情况下，强度和刚度都远优于C型、矩形结构。合理地采用工字型结构设计可以降低专用车产品重量。

1.2.3 变截面设计

基于专用装置的受力情况，运用理论力学、材料力学及 CAE计算机辅助等手段，将承载截面按受力方式进行合理分配，采用不同厚度的板材拼焊或在承载较高的截面贴焊板材以增加截面面积的方法进行轻量化设计。

2 选用轻量化材料

主要有两种途径：一种是通过先进的冶炼工艺，提升材料的屈服强度、抗拉强度的高强材料，通过采用高强的薄板代替传统厚板，实现专用汽车的轻量化；另一种是通过选用低密度的材料，在保证零件整体强度不减弱的情况下，降低体积与密度的乘积，实现专用汽车的轻量化。

2.1 高强度钢材的应用

汽车用钢在我国钢材使用中占有较高比重，随着汽车轻量化的市场需求增大，各汽车制造厂商纷纷与钢厂合作开发汽车用高强度材料。专用车产品主要由各种型钢的焊接件组成，其钢材组件的重量占据整车的70%,以上。以首钢为例，截至目前已开发出3大系列 27个牌号，既车轮用钢、汽车大梁用钢、工程机械用钢。传统材料 Q235的屈服强度为 235,MPa左右，首钢开发的 S980MC材料屈服强度高达980,MPa。如不考虑设计刚度、使用温度、焊接等工艺条件实施的限制，高强钢的材料替代就可以减重3/4。专用半挂车大梁采用700,L替代原有的Q345材料，仅这一处替代整车质量可降低 300,kg，且安全系数更高。高强度钢材的应用被认为是最有效、最直接的轻量化方式。

2.2 铝镁合金材料的应用

铝镁合金的密度约为钢材的 1/3，在满足相同强度的情况下，铝镁合金的替代品可以比传统材料减重56%,。铝镁合金与传统钢材相比具有可回收、耐腐蚀、免喷涂、刚度高及成型易等多种优点，但其轻量化的推广应用，受其价格高、短期性价比较低等因素限制。随着我国铝镁合金产品冶炼技术、循环利用技术的不断提高，一定可以广泛应用于汽车产品上。目前铝镁合金产品在专用汽车轻量化产品的推广应用方面，应以可选配的零部件或通用件为主，如铝合金工具箱、防护栏、走道平台、后防护及车轮等。

2.3 复合型材料的应用

新型符合材料主要以高分子材料为主，像玻璃纤维、碳纤维、聚氨酯、ABS及 PP等。其具有密度低、屈服强度好、抗腐蚀性强、成型易、美观等优势，同增材技术相配合，可以制作鸟巢式、镂空式等高强度的结构。部分材料还具有极好的绝缘、绝热性能，广泛应用于冷藏车、防弹车等专用车产品上。

3 选用轻量化工艺

3.1 焊接件、锻造件代替铸造件

影响铸件缺陷的工艺因素众多，且控制难度较大，其工艺可靠性系数低于焊接件和锻造件。在产品工艺设计上，为避免铸造件工艺可靠性低的情况，通常都采取更大的安全系数，采用增加壁厚的方式保证产品质量，增加壁厚的同时零件的重量也随之上升。

3.2 采用液压成型工艺

随着钣金液压成型工艺的发展，将钣金采用内部、外部施压，采用冷加工的方式，利用金属材料的延展性，一次性将筋、肋结构加工成型。液压成型技术与传统焊接工艺相比，具有冷加工、低应力、成型快、工艺可靠性高的特点。采用液压成型技术，可以适当降低设计安全系数，达到轻量化的目的。

3.3 优化焊接工艺及拼焊形式

CO2气体保护焊是利用二氧化碳(CO2)做保护气体的熔化极气体保护电弧焊；埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法[5]。埋弧焊与 CO2气体保护焊相比具有焊缝质量高、焊缝强度高的特点。在无焊缝探伤的情况下，采用埋弧焊可以直接有效地提高焊接接头系数，提高专用车结构的焊接强度，降低板材厚度，实现专用车产品的轻量化。

影响焊缝强度的另一个主要因素是拼焊形式。专用车产品在工艺实现时，由于板材限制，常采用拼焊的方式进行加工，现阶段通常采用直线型、折线型进行拼焊。有研究表明：直线焊缝拼焊板冲压时具有较高的极限成形高度，但焊缝移动量也很大；折线焊缝拼焊板在焊缝折点处容易出现应力集中导致板料破裂。相比较而言，圆弧焊缝具有较好的成形性能[6]。焊缝强度的加强可以提高工艺的可靠性，利于实现专用车产品的轻量化。

3.4 优化焊接工艺检验手段

专用汽车的上装部分主要采用焊接工艺进行连接，由筒体壁厚计算公式[7]可知，计算厚度与接头系数成反比，其中焊接接头系数的选取，全部无损检验比局部无损检验高 0.1～0.15，局部无损检验比不做无损检验高 0.2～0.4。目前专用汽车企业的焊接接头多数处于不做无损检验的状态，故接头系数选用较低。采用整车无损检验的手段，焊接接头系数可有效提高，结构板厚变薄，降低整车重量，实现专用车的轻量化。

4 结 语

目前我国专用车轻量化设计还处在初级阶段，专用车的轻量化趋势越来越明显。作为一名专用车产品的生产者，需要紧跟市场需求，借鉴国内外先进设计理念和设计方案，从新产品、新材料、新工艺等多个手段共同发力综合设计，自上而下，从整车到零部件，逐级优化。专用车的轻量化实施不是简单的材料替代，而是从工艺、成本、安全和环保等多方面综合考量。专用车产品正在从粗狂式发展向精细化发展转变，由“超载违规”向多拉快跑发展。我们应紧跟时代脚步，设计研发更优质的产品去满足发展所带来的日益增长的需求。