轻型厢式货车货厢面板材料轻量化选材优化设计

段瑛涛 王智文 栗娜 孙垒 尚红波 马治国

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

1 前言

GB 1589—2016《汽车、挂车及汽车列车外轮廓尺寸、轴荷及质量限值》对商用车的质量提出了明确要求，但是轻型厢式货车在过去很长时间内，商用车超重的现象屡见不鲜，对于道路安全、承载运力等方面均造成了较大的影响，减重需求已经迫在眉睫。

货厢作为轻型厢式货车的重要组成部分，在整车上的质量占比超过20%，其轻量化水平将在很大程度上决定了车辆能否满足法规要求。货厢面板是货厢的主要覆盖件，占比可达到货厢质量的45%~60%，是货厢轻量化的重要途径。

但是，由于国内主机厂对于货厢轻量化设计的关注度较低，尚未形成标准的流程体系；而面板材料的种类众多，包括钢板、铝板、玻璃钢板、蜂窝板[1-5]、轻木板[6]等。只有制定了合理的选材和优化设计方法，才能进行有效的货厢开发和验证。

针对常用的货厢面板材料进行了细致的对比分析，并根据实测数据进行了面板结构的优化设计，实现了面板减重60%，成本上升低于10元/kg的技术目标。设计结果已搭载某轻型厢式货车车型，完成了疲劳台架验证和7 000 km道路可靠性验证（相当于实际路况26万km）。

2 轻型厢式货车货厢轻量化目标定

2.1 轻型厢式货车货厢质量、成本目标设计

根据法规要求，基于某轻型厢式货车车型的质量分解目标，其货厢的目标质量为不大于400 kg，相对于传统瓦楞板货厢的900 kg质量，减重率为55%；在此基础上，对面板材料提出了减重率大于60%的设计要求，设定了面板材料质量目标为210 kg，减重率为61.1%。

同时，在市场调研的基础上，根据整车综合成本的平衡要求，要求单公斤减重所带来的成本提升不应超过10元，因此货厢面板的成本目标为不大于7 800元/件。

材料的质量及成本目标如表1所示。

表1 货厢质量目标分解表

2.2 轻型厢式货车货厢性能目标设计

项目搭载的轻型厢式货车车型货厢如图1所示，货厢箱体的尺寸要求“长×宽×高”为4 140 mm×2 100 mm×2 100 mm。

图1 轻型厢式货车货厢示意图

同时，在模拟满载4 t货物的加载条件下，针对货厢10个典型工况，均要求面板材料不能发生破坏，最大变形量不能超出许用值。

典型工况及面板要求如表2所示。

表2 货厢典型工况对面板的要求

3 面板材料对比分析

货厢面板由地板、前围板、侧围板、门板、顶板等组成，如图2所示。

图2 货厢面板组成

货厢面板材料的种类众多。按照材质进行划分，可分为钢板、铝板、复合材料板、木质板等；按照结构形式划分，又可分为平板、瓦楞板、花纹板、蜂窝板、三明治板等。不同材质和结构，均会对材料的性能和质量产生巨大影响。

根据货厢在使用过程中的受力情况，地板主要起到对货物的承载和支撑作用，分担的载荷较大，因此需要较高的结构刚度；围板、顶板、门板等结构主要起到对货物的隔档作用，并在加减速、转弯、过槛等特定工况下起到一定的承载作用，其结构刚度可适当降低。

以前围板为例，在极端工况下，前围板的应力云图如图3所示。

图3 前制动工况下前围板应力云图

在满足工况性能需求的情况下，对不同面板材料的面密度进行了对比，如图4所示。从图中可以看到，与传统瓦楞钢板相比，除聚丙烯（Polypro⁃pylene，PP）蜂窝板和轻木板外，其他材料的减重幅度只能达到30%~40%，与60%的目标要求相差较大，无法满足目标要求。

图4 不同板材面密度对比

从表3可以看到，PP蜂窝板质量更轻、价格较低，因此可作为货厢面板的首选用材。

表3 PP蜂窝板与轻木板对比

但是，PP蜂窝板的抗压性能相对较低，在作为底板面板使用时，无法满足过坑等工况的承载要求。在表2所示的10个工况中可以看到，工况8~10对地板的承载要求显著提升。对各个工况的压应力进行分析，如图5～7所示。

图5 单侧过坑工况压应力云图

从分析结果可知，典型工况下，地板的压应力指标为3.36~5.58 MPa，如表4所示。而从图8的分析结果可以看到，PP蜂窝板的抗压强度仅为2.9 MPa，显然无法满足安全要求，因此需要使用抗压强度更高的轻木板进行替代。

图6 单侧过包工况压应力云图

图7 前制动+过包工况压应力云图

表4 典型工况下的地板承载要求

图8 PP蜂窝板与轻木性能对比

4 PP蜂窝板优化设计

通过面板对比分析，选定了PP蜂窝板和轻木板作为货厢面板和地板的用材。但是，与61.1%的减重目标相比，实际的减重率仅为58%左右，尚未达到设计要求，因此需要进行进一步的质量优化。

PP蜂窝板的组成如图9所示，其质量由上下蒙皮、蜂窝芯、蒙皮与蜂窝芯之间的胶层构成。

图9 PP蜂窝板结构组成

从表5可以看到，在蜂窝芯结构不变的情况下，可通过调整蒙皮组成和胶层厚度进行质量控制。对于PP芯材体系，将蒙皮树脂替换为热塑性PP后，不仅可以降低蒙皮的面密度（见表6），还可以通过热熔的方式与蜂窝芯粘合，取消了结构胶，进一步降低蜂窝板的质量。

表5 PP蜂窝板质量分析

表6 不同树脂密度对比

在更换为热塑性蒙皮体系的同时，还针对蜂窝芯的孔径、高度等参数对性能的影响开展了对比分析。

从图10可以看到，随着面板蜂窝孔径的增大，面板的抗压刚度保持不变，但抗压强度出现显著下降；与此同时，图11曲线表明，材料的抗剪切性能表现为先增加后降低的趋势。

图10 不同孔径蜂窝板压应力-应变

图11 不同孔径蜂窝板抗剪性能

从图12和图13可以看到，随着蜂窝高度的增加，其抗弯性能呈比例提升，溃缩吸能效果也更好，但抗压性能则出现了较明显的衰减，表明蜂窝芯的高度不宜过高或过低。

图12 不同高度蜂窝板压应力-应变

图13 不同高度蜂窝板弯曲性能

根据蜂窝板性能影响因素，经过综合评估，选定20 mm、孔径8 mm的蜂窝芯材，并采用连续玻纤增强PP复合材料为蒙皮材料，可满足货厢围板、顶板等部件的性能需求；门板材料对于屈曲的要求略高，可适当提高芯材高度，以25 mm为宜。

经过上述优化手段，PP蜂窝板的面密度由4~4.2 kg/m2降至3.7~3.8 kg/m2，且加工效率更高、易回收已修复，更好的满足了面板用材需求。

5 试验验证

优化后的面板材料可以更好的满足货厢性能要求，质量为184.5 kg，成本为7 776元，满足了设计要求。质量与成本明细如表7所示。

表7 货厢面板BOM

对采用优化方案制成的货厢进行了台架疲劳试验，如图14所示。结果表明，经过经10万次台架疲劳试验后，面板无破损。

图14 货厢台架疲劳试验

同时，根据货厢的可靠耐久性能要求，将货厢搭载到轻型厢式货车车型上，在国家公路交通试验场，完成了7 000 km可靠性验证（相当于实际路况26万km）。试验结果表明，货厢整体无损坏，主要结构件无开裂等失效，货厢主要连接件力矩正常，未产生松动，货厢载荷布置正常无偏载。试验结果表明，面板材料的相关指标均能够满足货厢的性能要求。

图15 货厢整车搭载验证

6 结论

根据货厢的轻量化要求，对货厢面板进行了轻量化选材和优化设计，采用热塑性PP蜂窝板和轻木复合板材料完成了货厢试制，最终质量184.5 kg，较原始瓦楞板降低了355.5 kg，减重率达到65.8%，且每公斤上升的成本未超过10元，满足了设计要求，取得了显著的轻量化效果。

支撑的货厢通过了台架疲劳性能验证和整车性能可靠性验证，满足了轻型厢式货车的使用要求。目前，该货厢已交付使用，经测算，可实现燃油车单车节油2.8%、电动车续航里程提升7%的节能效果，具有良好的社会效益和经济效益。