重型商用车轻量化技术的发展与应用：实现节能减排与双赢的关键

摘要：轻量化技术对于重型商用车意义重大，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中的竞争力，提高整车的经济性、环保性，实现用户和企业的“双赢”。文章主要探讨重型商用车轻量化的理念与方法，并以车架、车轮、前梁、悬架、货箱等部件为例，阐述轻量化在重型商用车上的发展与应用，为重型商用车轻量化提供一定的参考价值。

关键词：重型商用车；轻量化；结构优化；工艺优化

介绍

节能、环保、安全是当今世界汽车工业关注的主要话题。随着我国对石油进口依存度的增加，能源和环境压力不断增大。商用车行业作为能源消耗大户备受关注，在用汽车占汽车总量的20%～25%，但燃油消耗却占到汽车总燃油消耗的50%～70%。如何设计和制造安全、节能、环保的汽车是当今汽车制造关注的重点。研究表明，当汽车质量每减轻100kg，可降低燃油消耗0.3～0.5L/(100km)，减少温室气体CO2排放8～11g/(100km)，提高加速性能8%～10%，缩短制动距离2～7m(1-2]。因此，轻量化已成为提高节能、环保、安全性能的有效途径，对其研究具有十分重要的意义。目前，商用车生产企业是我国研究轻量化技术的主要单位之一，其中重卡轻量化效果和范围较大。

商用车轻量化理念

汽车轻量化是指在满足原有的行驶安全性、可靠性、耐久性、舒适性以及成本控制等要求的条件下，通过结构优化设计、材料技术、制造技术等综合手段实现的减重。不能以牺牲车辆性能为代价，反之要增强车辆性能，同时还要满足国家法规的要求。如果要满足超载运输的要求，就无须考虑轻量化，其意义在于提高运输效率，提高燃油利用率，减少资源消耗。

商用车轻量化方法

商用车采用的主要轻量化措施分为结构优化、集成设计、材料轻量化、工艺轻量化四个方面。

2.1 结构优化

结构优化方法在汽车结构设计中得到了广泛的应用，主要利用有限元和优化设计方法对结构性能进行分析和设计。常用的结构优化方法包括尺寸优化、形状优化、拓扑优化等。

2.2 集成设计

轻量化可以通过减少冗余部件、进行跨功能整合等方式实现，例如商用车上的悬架、发动机、车桥等总成的一体化设计。

2.3 轻质材料

目前，轻量化材料的主要选择是高强度钢、铝、镁合金、复合材料等[3]。

2.3.1 高强度钢

高强度钢的强度是低碳钢的5倍，具有价格低廉、经济性好、性能优异等优点，但塑性相对较差。在等载荷、等强度的设计条件下，应用高强度钢可以减少材料厚度，减轻重量，提高车身的抗凹陷性能、耐久性能和大变形冲击强度，是汽车轻量化的关键材料之一。重型商用车使用的主流高强度钢是指650L、700L等，可用于车架上的冲压件和轧制件[4]。目前，国内外都在加快高强度钢、超高强度钢在各类汽车总成中的应用。

2.3.2 铝镁合金

铝的密度约为钢的1/3，当铝中添加一种或多种元素时，就形成了铝合金。每使用1kg铝合金，汽车重量可减轻2.25kg[5]。铝合金具有良好的耐腐蚀性。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、车架、横梁、壳体等。

镁是目前工业应用材料中最轻的金属，镁合金具有较高的比强度和比刚度且资源丰富，采用镁合金高压铸造技术制造的转向柱支架、方向盘、仪表板框架等已在汽车工业中得到应用。

2.3.3 碳纤维复合材料及塑料

碳纤维复合材料密度小、比强度高、比模量大、耐腐蚀性强、耐久性和抗冲击性好、隔音降噪、材料性能可设计等特点，是许多金属材料无法比拟的性能，使用效果明显，但大规模推广的加工性和成本问题还有待进一步解决[6-7]。

塑料作为高性能轻量化材料，生产成本低，易于成型、涂装和修复，具有良好的抗扭曲和变形能力。在设计方面，可以将多个部件集成为一体，增强功能并降低成本。同时，塑料易于回收利用，回收利用在汽车中的应用越来越广泛[3]。常见部件包括塑料油箱盖、塑料散热器前端模块、塑料挡泥板和挡泥板等。

2.4 轻量化技术

2.4.1 先进制造技术

热成型技术：该技术非常成熟，国内供应商丰富，在商用车上逐渐被广泛应用，成本已降至15元/kg，其中变厚度热成型技术设计灵活性高，多个区域厚度平滑，有利于碰撞吸能，避免应力突然变化。

内高压成型：应用于各类管件、管状支撑、热扩驱动桥壳等，可减小钢管壁厚，增大压力剖面，提高结构强度，商用车底盘上分布着较多的管状件，如排气管传统成型工艺为弯曲焊接，焊缝多，表面质量差，不能满足高端重卡车型的外观要求。无焊缝高压成型工艺为内高压冲压，不存在薄壁管弯曲起皱的工艺缺陷，可满足图纸尺寸要求，适合大批量生产。此工艺可减小管壁厚0.5mm，表面质量提高。

滚压技术：采用高性能级材料滚压件，减少零件数量。应用于地板侧梁、纵梁、加强梁、门框等。

2.4.2 连接过程

激光焊接：技术成熟，成本低，可实现同一品牌不同规格零部件的焊接，也可实现不同品牌不同规格零部件的焊接，已在国内商用车车门、侧围、地板、纵梁等车型上得到应用。

自冲铆接：是一种快速连接两层或多层金属板的冷成型工艺，与传统连接工艺相比，具有以下优点：

（1）可以连接无法焊接或可焊性较差的材料；

（2）可以连接不同材质的板材；

（3）对涂层的损伤相对较小；

（4）铆接工艺简单，无须对铆接件进行预冲孔；

（5）无烟、无粉尘产生、噪音低等。

轻量化重型商用车的具体应用

3.1 车架组装

车架是车辆的主要承重部件，纵梁可采用高强度钢，并通过取消内加强板、改为单层梁或减小纵梁腹宽等结构设计，车架槽梁可优化为管式铸造梁，尾梁、横梁可采用铝合金。在车辆总体布置中应合理规划轴距，不宜过大。

3.2 车轮组装

重型商用车通常在每个后轴两侧安装双轮胎，例如6×4牵引车，整车共安装10个轮胎，因此轮胎对车辆轻量化起到一定的作用。使用单轮胎替代双轮胎，重量可减轻20kg。在车轮方面，传统重卡大多采用钢制车轮，重量较大。使用铝合金轮辋是有效的轻量化措施。对辐条通风口进行了优化，虽然单根辐条重量减轻不多，但整车重量和成本却大幅降低。

3.3 扩展光束

前横梁是底盘上的复杂系统，集成了冷却系统固定支架、驾驶室前悬架、转向器、前下防护、保险杠、登车踏板、驾驶室倾斜油缸等功能。通过拓扑优化和应力状态分析，结合使用抗拉强度高、延展性优的材料，进行一体化设计，减轻重量，提高装配效率。

3.4 悬挂系统

空气悬架具有优越的减震性和行驶稳定性，价格比传统钢板弹簧悬架要贵，可根据用户需要安装在部分车型上。传统钢板弹簧悬架多为等截面，前后叶片多片，重量较大。若采用片数较少的变截面结构替代传统结构，不但可以减轻重量，而且可以提高舒适性。

3.5 货箱

传统货箱皮、地板多采用瓦楞铁皮，结构复杂，影响货运效率。货箱结构框架轻量化设计，可减轻重量约120kg。同时，货箱皮可考虑采用铝合金或热塑性PP蜂窝。货箱、货箱地板采用铝花纹板。自卸车货箱采用高强度钢板、前顶液压举升机构、U型货箱、动力密封篷布盖，可减轻上部载重量20%~40%。

轻量化设计是一项伴随汽车发展过程的系统性、持续性工作，这一理念应贯穿于汽车的整个生命周期。重卡的很多总成都可以进行轻量化设计，比如优化转向轴的冗余结构，将散热器挡风板由铁质改为塑料，转向轴和驱动桥制动器采用盘式结构替代鼓式结构，以减轻重量。

前景

如今，卡车市场竞争日趋激烈，随着节能减排、绿色环保政策的实施、车联网的快速发展以及用户用车观念的转变，轻量化商用车尤其是轻量化重载运输车越来越受到用户的青睐，商用车轻量化势在必行。未来，轻量化将是零部件结构设计、新材料供应以及生产制造工艺等多方面共同努力的结果，而不是某一方面的单一应用。与发达国家相比，目前的数量状况还存在一定差距，只有通过行业的共同努力，轻量化技术才能迈上新的台阶。

张婷婷1、徐彪2、张杰1、刘源泉1

（1.陕西汽车集团有限公司；2.陕西重型汽车有限公司）