浅析重型商用车车架轻量化设计

黄明德

摘要：随着制造技术的发展，商用车载重量极限越来越大。车架在汽车中的主要作用是承载货物与构件，其承受载荷来源于车的内外装置，包括连接汽车工具及车用设备。车架的结构决定于汽车的总体布置，对车架轻量化的承载特性研究，实际上是车架结构的改进与优化，进而保证汽车的整体性能。轻量化的设计研究，能够在一定程度上减小汽车的耗油量与废弃的排放，并在保持汽车整体性能与造价不变的条件下，降低汽车自身重量提升动力性能与可靠安全性能。因此，轻量化对汽车运输业的发展具有重要意义。

关键词：重型商用汽车；车架；轻量化；设计技术

前言

車架的轻量化实际上是从动静力学特征进行分析，结合载荷及位移边界条件，考察车架的受力分布，实现对车架架构的优化，最终使车架达到结构合理轻便，又强度可靠的效果。本文关于重型商用汽车的车架轻量化设计研究，将以重型商用汽车为研究对象，从重型商用汽车的车架结构特点入手，分析车架进行轻量化的重要意义，进而对轻量化的设计方法与设计难点进行具体研究，通过评价车架设计的合理性，确定结构改进的可行方案。并基于商用车车架量化的发展趋势作出展望。希望能够为我国的物流业及汽车运输的发展提供一份参考。

1 重型商用汽车的车架轻量化意义

轻量化技术可以对汽车的尾气排放与燃油量构成直接的影响，是节约材料的有效手段之一。目前，我国重型商用车在全部车辆中的比例为 23% 左右，但是重型商用车在燃油消耗上占比却高达 70%。国外的有关调查数据表明，汽车的质量受汽车油耗的影响。汽车质量每上升 100kg，油耗将提升 0.3-0.6L/100km，相对来说，汽车整体质量减少10%，油耗就降低 7% 左右。另外，汽车的轻量化不仅能减少耗油，为降低原材料做出贡献，还能减少有害气体的排放，每辆汽车减轻100kg，二氧化碳的排放量可降低 5g/km，有利于我国的保护环境基本国策的实施。而且，汽车的质量减少，零部件构造简化，可以为企业减少经济成本的投入，间接的减少消费者的支出。这对企业、环境、社会公众都是一件有意义的事 [1]。

2 重型汽车车架结构的有限元分析

根据市场输入要求进行车架结构改造，必须对车架进行有限元分析。在此基础上确定车架的强度及整体特性，这是为汽车车架进行轻量化的有效前提。对车架的有限元分析主要包含两方面。首先，需要针对车架建立模型并作出预处理。利用 CATIA原理搭建整车数学模型，利用车架数模作为建模对象，采用 Hyper-works 对车架及车架构成部件进行简化与网格划分。其次，分析出工况强度及疲劳程度。利用推导出的车架承重的最大载荷，将载荷数值设置在建立好的模型上，按照 IVECO 的分析方法，对车架的弯曲程度和扭转强度进行了解。根据有限元分析方法，我们可以认识到，车架的整体刚度过大，强度有富余，并且局部压力大，具有裂缝风险，该条件下完全可以进行结构优化，从而减轻自身重量，降低经济成本 [2]，如下图，为有限元分析流程图。

3 重型商用汽车的车架轻量化设计

3.1 轻量化设计方法

商用汽车车架的轻量化方法有两种。一种是采用更高强度的材料实现轻量化。这种方式需要将普通材料采用高强度材料替代，同时减小零件的尺寸，保证强度不变的基础上进行量化设计。商用车车架具有一定的系统零件及安装布置，采用边梁式的梯型结构车架，将零件结构尽量设计简单，通过车架各零件的替代进行减重设计。另外一种方法优化车架结构的轻量途径，应用 CAE 为基础的结构优化技术为，通过改变结构形状，使结构部件轻薄化、小型化。以缩小尺寸、结构中空化的优化分析，最大限度减轻零部件质量。设计中，需要根据不同的结构特点做局部加强，保证汽车整体强度不变。两种方法可共同使用，更大限度实现车架的轻量化 [3]。

3.2 轻量化设计技术难点

轻量化设计的工艺及技术难点体现三方面。第一，高强度钢板的生产受到限制，其主要应用在工程机械的制造方面，对商用车车架的应用暂无实例。强度过高的材料，延伸度较低，不适合以成型件进行生产。另外，提高抗拉强度需要进行高温处理，这会导致钢铁的生产成本上升。第二，高强度钢的成型能力有限。无论是传统的纵梁成型工艺，还是辊压成型工艺，都很难实现整体的成型组合。而且，相关设备也需要更高强度的材料进行制作，是限制高强度钢板发展的因素之一。第三，车架的轻量化和强度之间存在着矛盾，轻量化的前提条件是刚度与强度不变，要满足该要求，更要在结构上进行改造，势必会影响部件的刚度，因此，对于改造的系数范围有待研究 [4]。

4 结论

轻量化是现代化汽车工业中重要的研究课题之一，也是汽车工业长远发展的有效保障。本文针对重型商用汽车的车架轻量化的设计研究，是基于对重型商用汽车的研究对象，根据车架进行轻量化的重要意义与必要性，利用有限元法对汽车的零件结构与刚度进行分析，进而提出了高强度的材料及改造结构两种轻量化设计方法，同时又从设计方法中的设计重点与难点提出了注意事项。汽车的轻量化设计，是技术未来发展的必然趋势。结合现代工艺上的不足，我国对汽车轻量化的新工艺方法研究将不断持续，使轻量化的设计更好的应用在重型商业汽车运输上，同时将“低碳经济效应”应用在物流业及汽车运输中。减低经济成本，提高运输质量与安全系数，为我国的企业、社会公众及环境保护做出一份贡献。

参考文献：

[1]郝明刚，王铁，付文光，姚鹏华，张瑞亮，陈峙 . 重型自卸车主副一体式车架轻量化优化设计 [J]. 机械设计，2014（11）：56-59.

[2]张兵，王宗彦，陆春月，王珂 . 面向轻量化的重型卡车板簧压板优化设计 [J]. 机械强度，2015（01）：88-93.

[3]路洪洲，王文军，郭爱民等 . 铌微合金化高强度钢在轻量化商用车列车上的应用 [J]. 新材料产业，2015（06）：42-49.

[4]姜彪，谢小平，卿宏军 . 相对灵敏度与综合优化策略下的某商用车驾驶室轻量化设计 [J]. 机械科学与技术，2016（12）：1906-1913.