某商用車駕駛室內飾件的輕量化設計*

王 倩 王新宇 陳 靜 孫萬來

（1.吉林大學；2.中國第一汽車股份有限公司技術中心）

1 前言

隨著對商用車安全性、舒適性、節能和環保性能要求的不斷提高，越來越多的功能裝備安裝到商用車上，同時也增加了整車質量。據統計，整車總質量每增加10%，油耗將提高6%～8%。商用車全裝備駕駛室約占其空載整車質量的1/10，空載行駛時駕駛室的燃油消耗在20%以上。商用車駕駛室為非承載式車身結構，其強度、剛度設計通常有較大冗余，可對其進行輕量化設計，而且駕駛室的輕量化對降低商用車整車質量、改善燃油經濟性至關重要。

駕駛室的輕量化設計是在保證其使用性能的前提下提高材料利用率，以達到減輕其質量的目的。駕駛室輕量化分為駕駛室結構件輕量化和內飾件輕量化兩種途徑[1～2]。目前，國內在商用車駕駛室結構輕量化設計方面已經進行了一些研究工作，文獻[3]～文獻[5]分別用拓撲優化方法對駕駛室結構、孔洞分布和焊點分布進行了輕量化設計，在不降低其靜態力學特性及振動模態頻率的前提下，分別減輕質量46 kg 與 4 kg，焊點數減少 32%；文獻[6]、文獻[7]用靈敏度分析方法確定了駕駛室輕量化設計的敏感零部件，并據此對駕駛室結構壁厚進行了調整，在保證駕駛室滿足ECE R29被動安全性要求的條件下，取得了減輕質量的效果。

本文在上述研究成果基礎上，以某商用車駕駛室為研究對象，在不改變駕駛室內飾件裝飾、使用和NVH性能的前提下，重點對駕駛室內飾地毯和上、下臥鋪進行輕量化設計。

2 駕駛室地毯的輕量化設計

駕駛室地毯除了對駕駛室地板具有裝飾和美化作用外，還能夠隔離向車內傳播的發動機噪聲，同時對駕駛室內部噪聲在傳播和混響過程中有一定的吸聲作用，提高了駕駛室的NVH性能。本文所研究駕駛室地毯是駕駛室內部質量較大的裝飾件之一，它由皮革和發泡材料組合而成，共分為4塊，總質量為10.62 kg。

對駕駛室地毯進行輕量化設計，首先要測量其材料的吸隔聲性能，以保證選用新的輕量化地毯材料后其吸隔聲性能不降低，并同樣具有裝飾性。用B&K4206T駐波管聲學材料測量系統對駕駛室地毯試樣的聲學性能進行測量，其吸隔聲性能曲線如圖1所示。

擇優選取由皮革和海綿粘接而成的乘用車地毯材料，用駐波管測量其吸隔聲性能如圖2所示。

比較圖1和圖2可以看出，新地毯材料的總體吸聲系數和隔聲性能均優于原地毯材料。將新地毯材料加工成與原地毯相同的尺寸形狀，保證兩者的的裝飾功能不變，并比較相應各塊的質量如表1所列。

表1 改進前、后駕駛室地毯質量比較 kg

從表1中可以看出，與原地毯材料相比，新地毯材料在保證裝飾性不變、吸隔聲性能有明顯改善的情況下，質量減輕3.42 kg。

3 駕駛室上、下臥鋪的輕量化設計

3.1 駕駛室上臥鋪骨架靜力學分析

駕駛室上臥鋪總成由骨架、鋪板、海綿軟墊及外套組成，總質量為15.02 kg，其中骨架質量為8.52 kg。原骨架結構采用冷彎空心矩形型鋼焊接而成，截面尺寸為30 mm×20 mm×2.0 mm。上臥鋪總成結構如圖3所示，其設計要求為在其上表面施加3 kN垂直向下的均布載荷，骨架不能產生塑性變形，最大彈性變形不超過10 mm。

為了分析上臥鋪原結構骨架的力學性能，用Hypermesh軟件對其進行有限元建模，骨架材料為優質碳素結構鋼，其彈性模量E=210 GPa、密度ρ=7.85×103kg/m3、泊松比 μ=0.3、屈服強度 σs=294 MPa。建模時按上臥鋪在駕駛室內的安裝情況和技術要求施加約束，即在上臥鋪骨架與駕駛室后圍兩個連接點及兩個側面支撐點各節點處限制x、y、z 3個方向的移動和轉動自由度，并對上臥鋪總成施加3 kN的垂直均布載荷，使其均勻施加在模型的所有節點上。上臥鋪骨架有限元分析模型如圖4所示。對其進行靜力學分析，得到其最大彈性變形為3.679 mm，最大應力為91.3 MPa，臥鋪骨架的位移及應力分布如圖5所示。

3.2 駕駛室上臥鋪骨架結構尺寸優化

確定上臥鋪骨架尺寸優化的目標函數為其質量最輕，約束條件為骨架結構的最大彈性變形小于5.0 mm、最大應力小于100 MPa，設計變量為骨架空心矩形截面的長、寬和壁厚。尺寸優化后截面尺寸保持不變，厚度由原來的2.0 mm減小為1.75 mm，骨架質量為6.05 kg。對尺寸優化后的骨架進行靜力學分析，得到其最大彈性變形為4.25 mm，最大應力為106.4 MPa。對比優化前、后骨架參數可見，尺寸優化后骨架質量減輕2.47 kg，但骨架的最大彈性變形和最大應力均比優化前略大，需要進一步通過拓撲優化來確定骨架中部兩根橫梁的最佳支撐位置。

3.3 駕駛室上臥鋪骨架結構拓撲優化

在沒有兩根橫梁的情況下把骨架內全部填充為六面體單元，形成骨架內部橫梁的拓撲優化區域，為橫梁拓撲布置提供更大的優化空間。采用與原結構靜力分析相同的約束條件，將總載荷3 kN均勻分布于整個模型的表面上，得到骨架結構的拓撲優化模型如圖6所示。

對該模型進行拓撲優化分析，取目標函數為在3 kN均布載荷作用下骨架變形能最小，狀態變量為骨架質量不大于7 kg，設計變量為骨架結構單元材料密度。用變密度法進行拓撲優化分析得到的結果如圖7a所示；根據拓撲優化結果提取出臥鋪骨架橫梁的最佳形狀及位置如圖7b所示，兩橫梁呈斜向布置，后端距離1200 mm，前端距離為800 mm。由于兩根梁傾斜后變長其質量變為6.65 kg，較拓撲優化前質量增加0.6 kg。拓撲優化前、后臥鋪骨架的靜力學分析結果對比如表2所列。

表2 優化前、后臥鋪骨架靜力學分析結果比較

從表2中可以看出，上臥鋪骨架經尺寸優化和拓撲優化后，在骨架最大位移和最大應力增加很小、仍能滿足設計要求的情況下，減輕質量1.87 kg，即質量減少了21.9%。

3.4 駕駛室上、下臥鋪鋪板的輕量化

上臥鋪鋪板是由厚度為10 mm的5層膠合板構成，其密度為385 kg/m3，質量為5.43 kg。現將其替換為厚度15 mm、密度為192 kg/m3的無毒阻燃高密度聚丙烯中空板，替換后鋪板質量為3.77 kg，質量減輕1.66 kg。

駕駛室下臥鋪沒有骨架，只有鋪板、海綿墊和外套，它直接固定在駕駛室后地板上，總質量為16.6 kg。下鋪板由厚度為15 mm的5層膠合板及厚度為20mm的瓦楞紙板組成，膠合板質量為12.11 kg，瓦楞紙板質量為1.69 kg，總質量為13.8 kg。將膠合板替換為厚度10 mm、密度為192 kg/m3的無毒阻燃高密度聚丙烯中空板，質量變為2.72 kg，替換后下鋪板總質量僅為4.41 kg，減輕9.39 kg。

通過上述對某商用車駕駛室上、下臥鋪總成進行輕量化設計，上臥鋪共減輕質量3.53 kg，下臥鋪減輕9.39 kg，兩者共減輕質量12.92 kg。

4 試驗驗證

將輕量化后的地毯和臥鋪安裝到駕駛室上，經實車試驗表明，駕駛室上、下臥鋪滿足使用要求；駕駛室內飾件輕量化前、后該商用車以40～80 km/h勻速行駛時，駕駛員右耳旁噪聲對比如表3所列。

表3 駕駛室內飾件輕量化前、后駕駛員耳旁噪聲比較

從表3中可以看出，駕駛室地毯材料輕量化設計后，駕駛員右耳旁噪聲略低于改進前，車內噪聲水平略有改善。

5 結束語

對某商用車駕駛室進行輕量化設計結果表明，在保持其裝飾功能不變的情況下，輕量化后地毯質量減輕3.42 kg，駕駛室內噪聲略有改善；輕量化設計后駕駛室內上、下臥鋪質量分別減輕3.53 kg和9.39 kg，共減輕12.92 kg，且輕量化設計后駕駛室上、下臥鋪仍然滿足設計和使用要求。

1 青山公彥，櫻田澈.商用車輕量化技術.輕型汽車技術，2002（8）：25～29.

2 余景宏.歐洲牽引車在輕量化方面的有效舉措.商用汽車，2009（8）：90～93.

3 王新宇，王登峰，陳靜，等.重型商用車駕駛室輕量化設計.農業機械學報，2012，43（8）：13～18.

4 于多年，王登峰，汪振華，等.基于拓撲優化的重型貨車駕駛室輕量化技術研究.汽車技術，2009（9）：18～21.

5 王登峰，張斌，陳靜，等.商用車駕駛室白車身焊點減縮拓撲優化研究.汽車工程，2009，31（4）：326～330.

6 黃玉鵬，萬鑫銘，王善坡，等.基于靈敏度分析的駕駛室輕量化.工程機械，2010，41（7）：16～18.

7 萬鑫銘，李陽，黃玉鵬，等.以安全為主要目標的重型汽車駕駛室輕量化設計研究.汽車工程學報，2011，1（2）：134～139.