轻型商用车底盘轻量化的研究与应用

王金元

摘要：如今，商用车已成为主要交通工具之一，底盘和车身重量的轻量化可以提高交通效率，有助于缓解环境与交通问题。在汽车制造行业，实现节能环保一方面要提升汽车发动机的工作效率，达到汽油的充分燃烧；另一方面要减少汽车的整体重量，以实现轻量化的目标。就当前来说，汽车轻量化实现的有效途径是汽车底盘的轻量化。本文以轻型商用车底盘轻量化的应用為主题，提出了汽车底盘轻量化的方法。

关键词：轻型商用车；底盘；轻量化

随着“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题，轻量化也广泛应用到普通汽车领域，在提高操控性的同时还能有出色的节油表现。汽车轻量化是当前汽车制造行业竞相追求的目标，其一方面可以有效降低油耗、减少车主的开支，另一方面也可以使汽车的灵活性舒适性有较大的提升。从实际应用来看，底盘的轻量化是实现汽车轻量化的有效途径。

一、轻型商用车结构设计优化

1、结构的优化。对于商用车来说最要避免的就是在还没到使用寿命的时候出了毛病（结构不合理）而不能使用了。经常发生的结构不合理现象中，极少是“ 负荷过重导致的损伤”，而多数都是“ 疲劳断裂”。前者的“ 损伤” 产生于部件的内部，生成原因是被动地抵御外力，也可以说是由于初应力超过了允许值而导致的现象，所以必须增强基础结构部位的抗断裂性。后者的“ 疲劳断裂” 主要是由于局部外形的不连续性而带来的峰值应力所导致的现象，必须通过调整初应力来平缓应力承受部位的刚性变化。关于刚性，没有什么绝对的评价标准，但在使用中总是尽可能的使其具有柔顺感。为了增强该特性，我们必须研究以负荷点为初始点的载荷传递路线，这对设计能够保证内部刚性连续性的基本构造很有帮助。

2、结构优化技术。近年来以有限元素法为代表的CAE 技术的发展令人属目，它在结构研究中的应用已经变得不可或缺了。虽然如此，但目前实际使用的多数技术除了要求能够进行结构设计外，还要对设计好的结构在压力负荷下的反应做出分析，并非仅止于模拟试验。传统的结构开发，它的设计要求，即模拟环境条件下的结构反应特征，是预先提供给设计者的，只需要根据该数据进行设计就可以了。这是传统设计工程师的设计模式，它是一种基于长年积累的技术和经验来进行设计的方法。这样设计出来的结构，虽不能说是最稳妥，但却能满足大致上的设计要求。但相比过去，对于高要求的轻量化设计就不能继续沿用现有的技术了。再加上工程师的技术和技能的继承都不是件容易的事，这些都导致了与传统不一样的思考方法，即结构优化技术的出现，并正在走向实用化。结构优化技术大致可分为① 布局优化②外形优化③尺寸优化，在结构的开发过程中大致按照这种顺序进行。这其中对轻量化有较大贡献的，是在构思阶段能够有效确定大致框架的布局优化技术。现在虽说尚米完全实用化，但不久将会实现。另一方面，确立大致框架开始到完成具体结构制造这一阶段，为了少做无用功，研制出更为合理的结构，必须使外形和尺寸取得结构整体上的平衡，有效地利用外形优化技术和尺寸优化技术。关于外形优化，由于改变外形重新设计较为困难，所以只限于应用在简单外形部件的设计上，而在降低框架厚度问题上则不存在多少困难，目前该技术正在逐渐普及。

近来受到特别关注的汽车构造特征要算是撞击安全性了。由于受撞击后汽车结构发生剧烈改变，根据传统的经验或是常用的有限要素法来高效开发合理的汽车结构是比较困难的。针对该问题，近年来已在逐步采用结构优化法。从采用的方法来说，包括有灵敏度测算法、品质工程法、及曲面近似法等多种，借以获取各种有用的设计数据。但不论采用何种方法都将耗用庞大的计算机资源，所以对于像整车这样的大模型运算起来一般都很困难。

二、轻型商用车轻质材料的应用

实现汽车底盘轻量化的直接制约因素在于材料的选取，而轻质材料的应用可以使汽车底盘有效实现轻量化的目标。当前最为常用的轻质材料是轻质合金材料、高强度钢材料、高性能球墨铸铁及塑料材料等等，下面对种材料分别进行简述。

1、高强度钢材料。在汽车制造中，高强度钢是一种应用较早的轻量化材质，多用于前下摆臂的生产。当应用在轻量化制造时，一般采用单片钢板冲压成形，并且使用如FB780 等强度更高的材料。这可以保证在预期厚度不变的前提下减少重量，实现轻量化。

2、高性能球墨铸铁。高性能球墨铸铁多被使用在齿轮生产制造之中，较传统工艺生产出的钢齿轮，高性能球墨铸铁齿轮使用起来更为安静，重量上也较传统钢齿轮轻2% 左右。同时，高性能球墨铸铁齿轮的生产成本较以往降低约30%，大大降低了企业的成本。我们相信，随着等温淬火工艺的不断成熟，高性能球墨铸铁会更为广泛地使用到汽车制造之中。

3、塑料在轻型商用车上的应用。塑料是由以非金属为主的有机物组成，具有密度小、成型性好、耐腐蚀、防振、隔音隔热等性能，同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。目前，塑料大都使用在汽车的内外饰件上，如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩、座椅支架等。而后逐渐向结构件和功能件扩展。例如，发电机及其相关系统、冷却系统、供油系统等。塑料也在向制作车身覆盖件方向发展。

4、铝合金的应用。铝的密度约为钢的1/3，是应用最广泛的轻量化材料，而腐蚀、高强度、吸能好，汽车上应用最多的是铸造铝合金和变形铝合金，汽车上应用铝合金技术比较成熟，主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等。但是铝合金的应用目前也存在不少问题，成本高，加工难度高于钢材，不易焊接等缺点致使铝合金的应用还有一定的局限性。车轮轮辋、铝合金的油箱、变速箱壳体等，目前在轻卡上的应用比较成熟。材料的轻量化应用是最具降重效果的，密度足够小轻量化效果越好，卡车的结构材料中约8成是铁系材料，若将其更换为比重较小的铝合金和树脂的话，就能在很大程度上实现轻量化。但这些轻质材料的强度一般都较铁系材料为差，在外形不变的条件下实行更换比较困难。因此为了保证强度和刚性，采用CAE技术对外形进行优化设计，通过对材料疲劳强度的精确测算，设计出合理的外形。

5、新工艺的应用。汽车轻量化实现的又一途径是采用新工艺，如采用激光焊接、超声波焊接等技术，减少焊接添加物以达到重量降低。另外，采用汽车领域的新技术，如空气悬架、橡胶悬架等也可以有效降低汽车的重量，实现汽车轻量化。

汽车轻量化是伴随着可持续发展理念诞生的，对于资源节约和环境保护具有重要的意义。同时，其还可以降低汽车企业的生产成本、提升利润，减少广大车主的油耗支出，是一项一举多得的技术。我们相信，随着科学技术的不断发展，汽车轻量化会更为广泛地应用到汽车领域中。当今世界，环境的日益恶化成为摆在人类面前的重大难题，保护环境、减少有害物排放是全世界的共同目标。汽车作为能源消耗、资源消耗及排放的大户，降耗、减排、降重成为其技术发展的重中之重。发展汽车轻量化，中国汽车企业需要付出更多的努力。

参考文献：

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