鋼鋁結合商用車車架輕量化技術綜述

李舜酩，張凱成，丁 瑞，孫明杰

(南京航空航天大學 能源與動力學院， 南京 210016)

目前，商用車保有量占汽車總量的10%左右，但總體燃料消耗量占汽車燃料總消耗量的55%～60%，百公里排放量約為乘用車排放量的3～4倍[1]。而輕量化技術作為提高汽車燃油經濟性和減少尾氣排放的有效手段，對商用車來說，在減輕了自身質量的同時，還提高了載質量利用系數[2]。

一般重型商用車整備質量為8～18 t，車架質量為500～1 200 kg，車架占商用車整備質量的5%～10%[3]，因此車架輕量化對整車輕量化的貢獻非?？捎^。車架承受著整車的簧載質量，同時還要受到來自不平度路面、行駛速度和方向改變而產生的外部激勵，以及動力傳動系統等產生的內部激勵，所以車架要求足夠的剛度、強度和可靠性。

目前車架輕量化主要依靠3個方面進行[4]：① 結構優化設計，包括尺寸優化、形貌優化和拓撲優化等，并結合多學科手段使得優化結果滿足所有學科的要求，目前車架優化考慮的性能主要有剛度、強度和模態，而大多數研究在優化過程中未將疲勞考慮在內；② 輕量化材料的應用，包括高強度鋼和鋁合金等，目前鋼鋁結合和全鋁在車身上的應用較為常見，而在車架上的使用相對較少；③ 先進制造工藝，包括熱沖壓成形和激光焊等。生產超高強度鋼和超強度鋁需要更高要求的制造工藝，而且保證鋼鋁材料能夠在車上正常使用，需要設計相應的鋼鋁異種材料的連接工藝。

因此，基于傳統的車架鋼制結構，采用鋁合金材料制作部分零件，根據性能模擬、優化設計等方式，綜合考慮剛度、強度、模態和疲勞性能，對鋁替代鋼的零件加以確定，并配合相應的連接工藝是今后實現商用車架輕量化的一個重要方向。

1 鋼鋁材料在車架上的國內外應用現狀

因商用車車架需要安裝各大總成及承受所產生的載荷，所以目前商用車車架縱梁及橫梁等多采用鋼板沖壓加工成槽型結構。隨著車架的發展，車架的強度級別提高到510、590、610、700 MPa和750 MPa等，以適應不同用途的需求。2000年以前，國內各商用車整車廠在車架上采用的主要是以如Q345和16MnL等普通強度等級的鋼材。在2000年以后，國內整車廠開始研發使用高強度鋼板。東風商用車在2004年開始研發使用抗拉強度為590 MPa級的熱軋高強度鋼板，其在2007年批量用于車架縱梁的生產[5]。同年，開始了抗拉強度為700 MPa級熱軋高強度鋼板縱梁的試制工作。2012年設計推出的第一款量產的輕量化牽引車車架上采用了750 L高強度鋼板，由原來的雙層車架優化為單層，局部通過增加加強板以滿足強度要求，減重幅度顯著[6]。近年來，北京福田戴姆勒汽車有限公司成功試制了屈服強度為620～700 MPa級別的汽車用大梁鋼的車架縱梁，試制產品滿足工藝及質量要求，并完成道路可靠性試驗，使整車輕量化和安全性合理的匹配與平衡，達到了輕量化的目的[7]。目前，國內重型卡車車架縱梁截面多為U字型直梁與變截面彎梁，材料多選用低合金高強度熱軋中厚度鋼板，厚度4～10 mm，材料牌號多為510～690 L，通過沖孔、壓型、切割、合梁及鉆孔等工序加工為成品縱梁。少部分車型采用了700～800 MPa級別的大梁鋼板，甚至熱處理車架。

歐美發達國家的重卡車系中，如奔馳、沃爾沃、斯堪尼亞、曼恩等系列車系，其車架用鋼強度普遍已達到700～800 MPa級別水平[8]，部分公司還采用了1 200 MPa級別以上的熱處理車架，甚至鋁合金車架，車架重量明顯低于國內同類產品。

全鋼制車架不符合輕量化，而全鋁合金車架成本又太高且強度不足，鋼鋁結合車架利用鋁合金替代部分鋼制零件，在保證強度的同時，既節省成本，又達到了輕量化的目的。在發達國家，商用車的鋁化率已經超過80%，而中國商用車的鋁化率除個別車種如冷藏車外，其他的均很低，發展空間較大[9]。北美地區車型輕量化設計進行得較早，鑄造鋁合金研究處于領先水平，鑄造工藝先進，也是最早將鑄鋁合金應用在重型貨車底盤的連接及承載零部件上的地區。目前使用鑄造鋁合金的零件包括橫梁及大部分底盤支架，主要采用普通鑄造及加壓鑄造工藝[10]。但近幾年隨著新型的超高強度的鋁合金的出現，汽車制造商有了一個真正的替代方案，超高強度鋁合金關鍵優點是突出的密度-強度比，這允許其與超高強度鋼相同的機械性能并顯著地節省重量[11]。在未來的十幾年中，肯聯鋁業等鋁制造商將繼續投資于研究和開發，以推動超高強度的鋁合金發展，為汽車制造商提供額外的選擇，使車輛在不犧牲安全性的前提下，質量更輕。

國內新修訂的GB1589于2016年7月正式發布，其對商用車的軸荷及質量限值均進行了壓縮。如果總質量下降而整備質量不變，會導致載質量降低，因此，商用車輕量化的需求因政策而加大?？紤]到國內路況和超載問題，目前車架的縱梁和橫梁仍采用鋼制，但其他附件，如油箱和輪轂正逐漸由鋼向鋁合金過渡。揚州中集通華專用車有限公司于2016年2月推出了一款鋼鋁混合的45英尺的鵝頸骨架車，主體車架采用高強度鋼板，附件一律采用5系和6系鋁合金材質。就目前發展趨勢，材料是商用車輕量化的重要途徑之一，先進高強鋼、鋁合金、鎂合金、非金屬復合材料等用在國產商用車上已經屢見不鮮，促進了商用車的輕量化，但是我國目前商用車先進材料的應用比例和應用的成熟度相較國外先進水平還是比較低的。國內特別是車架仍是以510～590 MPa級大梁鋼板為主，鋁合金在車架上的總體應用率較低。

2 鋼鋁結合車架所面臨的關鍵問題

鋼鋁結合車架結構的理念雖然已經引起國內外汽車企業的高度重視，并在實際的車架制造中有了一定的體現，但是這種車架結構的開發方法與傳統的單一材料車架結構相比有很大的不同，仍然面臨著一些關鍵問題亟待解決。

首先，鋼和鋁的物理特性有較大的區別，2種材料的熔點與熱膨脹系數相差較大，焊接過程中難以形成熔核，且易形成脆性的金屬間化合物，難以保證接頭強度，受熱后引起內應力難以消除[12]。另外，鋁和鋼的電位相差較大，易于發生電化學反應，故鋼鋁材料結合車架很難通過傳統的電阻點焊進行連接，如何克服鋁和鋼物理化學性質的巨大差異是連接技術的一大難點。

其次，車架輕量化的前提是基于強度和剛度條件進行的，對于鋁合金來說，7075鋁合金在T6溫度下達到約500 MPa的屈服點，在T7溫度下的屈服點約為450 MPa。450～500 MPa的屈服點已經非常高，然而如果考慮相同的產品厚度，超高強度鋼仍然具有1 100 MPa的屈服強度，強度明顯更高。鋁合金在強度和剛度方面明顯低于鋼板。

再次，鋼鋁結合車架結構的核心是將合適的材料應用于合適的部位，以充分發揮鋼和鋁在強度、剛度、輕量化方面各自的優勢，最大程度上實現車架的輕量化和重要性能的最優。然而，如何為每一個零部件確定其適合的材料，即如何科學地進行材料選擇，從眾多的可選材料組合中找出最符合設計要求的材料，顯然是重點考慮的問題。

最后，采用輕量化材料的前提是保證材料替換的結構的各項基本性能仍達到設計要求。在采用輕質材料的同時，還需結合結構優化設計以及相匹配的制造工藝，才能達到理想的輕量化效果。因此，結構優化后結構形式的變化問題、輕質材料的制造工藝以及異種材料間的連接問題，都是多材料結構面臨的關鍵問題。

綜上所述，鋼鋁結合車架面臨著異種金屬間的連接技術、材料匹配、高強度鋼和鋁合金的先進成形工藝技術、電化學腐蝕及熱變形不協調等突出問題。對于試圖在成本約束下進一步減小車架重量的汽車工業而言，這些問題的解決都是迫切需要的。

3 鋼鋁結合車架CAE優化方法

3.1 鋼鋁結合結構研究

乘用車排放標準更高，為了節能減排，鋁合金材料在20世紀80年代就已經應用在車身上，且鋁合金在乘用車材料中的使用比例逐年提高。隨著近年來商用車排放標準的日益嚴苛，商用車同樣需要進行輕量化。雖然目前的成形技術還達不到商用車車架全鋁，但設計鋼鋁結合結構是目前解決輕量化難題的可行途徑之一。一般來說，鋼鋁結合車架的結構優化分成兩個部分：第一部分，首先根據強度和剛度等安全指標作為約束，把材料作為變量組進行優化，以得到材料分配后的車架；第二部分，對選定好材料的車架進行優化，以強度、剛度和模態特性等作為約束，把板厚等作為變量進行結構優化，最后獲得滿足多種指標的車架輕量化方案。有關研究[13]以某國產SUV車架為例，對其進行剛度和模態仿真分析，使用鋁合金材料，結合正交試驗法確定材料輕量化目標。建立優化設計數學模型，進行多目標形貌優化設計，得到滿足剛度和模態性能的鋼鋁復合車架模型。相關研究[14]對基于耐撞性的車身前端結構鋼鋁混合材料輕量化設計，以簡化模型中的前保險杠、吸能盒、副車架前橫梁等構件為對象，采用均勻實驗設計與RBF近似模型，建立了綜合考慮總質量、總吸能、白車身扭轉剛度、前縱梁后端峰值碰撞力等性能在內的鋼鋁混合材料與板厚組合多目標優化問題的數學模型，最終取得了研究對象減重29.1%的輕量化效果。

3.2 計算機仿真優化研究

20世紀70年代，隨著計算力學和計算機硬件的發展，解決一些復雜結構的問題也變得越來越方便，從而推動了結構輕量化的發展。20世紀90年代以后，國外眾多研究者加入到商用車及乘用車車架的計算仿真工作中來，Bhope等[15]借助有限元軟件對掛車底盤進行改進，最終減輕了其重量；Nor等[16]通過CATIA對拖車車架進行有限元分析，設計工字梁尺寸提高其安全系數。近年來，輕量化理論方法和CAE軟件不斷出現，應用越來越成熟。目前我國的輕量化研究主要采用這種方式，如南京航空航天大學的研究團隊[17]利用ANSYS根據滿載時均布載荷作用在車架上的計算工況對車架進行了結構參數優化設計，使車架質量降低了17.9%。湖南大學的研究團隊[18]運用區間分隔拓撲優化并綜合尺寸優化確定了車架的最終尺寸，最終減重10%。安徽理工大學的有關研究[19]利用Optistruct以扭轉工況下最大應力值為約束對縱梁、橫梁、連接板、尾梁和后加強板進行尺寸優化，使車架總質量較少約11.8%。

然而有限元仿真存在著計算量過大、收斂速度緩慢甚至不收斂等難題，為解決這些難題，通常采用試驗設計提取采樣點建立近似模型的方法來代替復雜有限元仿真，達到簡化優化過程和減少計算成本的目的。試驗設計是建立近似模型的前提和基礎，為了構造具有較高精度的近似模型，必須選擇合適的試驗設計方法，使樣本點能夠按照一定的規律分布在設計空間內，較為準確地反映系統輸入與輸出之間的關系。針對計算機仿真試驗，廣泛使用具有均勻分布特征的采樣策略，如正交設計、均勻設計和拉丁超立方設計等[20]。

根據近似模型提供的車架設計變量與結構性能響應間的函數關系式，能夠快速方便地開展各種類型的優化設計研究，包括無約束/約束優化、多目標優化、可靠性優化、人工神經網絡、徑向基函數、Kriging和支持向量回歸等。吉林大學的研究[21]結合Isight采用RBF神經網絡模型構建近似模型對貨車車架進行多目標優化，使彎曲模態和扭轉模態性能提升，并實現減重3.5 kg；武漢理工大學的研究[22]建立多項式響應面近似模型，基于Isight軟件，運用多島遺傳算法對純電動車身進行多學科尺寸優化；Mi等[23]建立礦用自卸車車架的Kriging近似模型，利用NSGA-II多目標遺傳算法對車架質量和疲勞進行協同優化。盡管基于近似模型的優化設計被認為是解決復雜工程設計問題的最有效途徑之一，但仍存在不足：對設計變量數目的敏感性。隨著設計變量數目的增加，近似模型所需的采樣點數量呈幾何倍數增加，而且近似模型對高維空間的擬合精度不如低維空間[24]。

3.3 結構優化方法研究

通過現代結構優化方法設計汽車各零部件的結構，使結構部件薄壁化、中空化、小型化以尋求最大限度地減輕重量。車架結構優化方法一般有：尺寸優化、拓撲優化、多目標優化和多學科設計優化。尺寸優化計算效率較高且易于實施，車架優化一般是將梁和板的厚度作為設計變量進行優化[25]。在尺寸優化前，首先可以進行靈敏度分析，將各個部件尺寸參數變化過程中對重要優化目標影響大的部件提取出來進行后續的分析，既節省成本，又提高了效率。清華大學的研究者[26]利用尺寸優化技術對載重越野車和大客車車身骨架進行優化設計，減重效果明顯。當尺寸優化技術結合輕量化材料和工藝技術之后，能夠取得更顯著的減重效果。Botkin[27]利用UG參數化建模方法和Nastran的優化技術，對轎車白車身的前部結構進行基于碳纖維材料的優化設計，最終使得該承載結構比鋼材結構質量減小61.8%。

拓撲優化[28-29]是有限元分析和數學優化的有機結合，針對單相材料結構，有變厚度法、變密度法、ICM法、ESO法和均勻化方法等。Yang等[30]詳細介紹了拓撲優化在汽車主要零部件、車架、車身等的應用。然而工程設計中還有多種不同性能和特性的材料共同構成的結構，即多相材料結構。多相材料的拓撲優化方法有密度法、水平集方法和相場法等。相關研究[31]發現多相材料拓撲優化的結構與單相材料結構相比，具有更輕的質量。但目前車架拓撲優化一般不會考慮多相材料，工藝上很難實現。

多目標優化問題是在可行域中確定由決策變量組成的矢量，使得一組相互沖突的目標函數值盡量同時達到極小。它與單目標優化的本質區別在于前者問題的解不是唯一的，而是存在大量的非劣解，需要根據實際要求選取相對適合的解。目前，多目標優化廣泛的存在性與求解的困難性未解決，理論方法還不夠完善，主要可分為兩大類：把多目標優化轉化成一個或一系列單目標優化，將其優化結果作為目標優化的一個解，即統一目標法；直接求非劣解，然后從中選擇較好的解作為最優解，具體有主要目標法、目標分層法和功效系數法[32]。有關研究[33]分別使用線性加權法、平方和加權法和折衷規劃法求解貨車車架的多目標優化問題，其中折衷規劃法效果最好，車架拓撲優化后，各工況下車架的剛度最大。

現代工程項目規模龐大，設計要求也相當復雜，往往涉及多個學科，而多學科設計優化是一種能夠覆蓋多個學科的設計優化方法。多學科設計優化方法可以分為：基于試驗設計和基于優化算法兩類[34]。基于試驗設計的優化方法在工程應用中較為常見，通常利用Isight和HyperStudy等多學科優化軟件建立近似模型并通過模擬退火、遺傳等智能算法尋取最優解。基于優化算法屬于傳統的優化方法，于20世紀90年代開始建立起來，經過20多年發展，產生了大量算法。基于優化算法分為單級方法和多級方法。單級方法中各個學科存在耦合關系，當學科過多時，計算過大，很難協調得到最優解。隨著工程的問題變得越來越復雜，耦合的學科變多，為了簡化計算，多級方法將原先單層結構關系修改為多層結構，將學科進行分解，每層都有一個獨立的求解器，首先在下層尋找一個設計去滿足上層的約束和目標值，最后進行系統級分析。車架在進行輕量化過程中通常會涉及剛度、強度、模態、抗撞性、疲勞和成本等多個學科的影響。目前，大量研究已將強度、剛度、模態和抗撞性考慮在內，而將疲勞作為約束條件或目標進行優化的研究較少，是今后研究的重點。

3.4 載荷影響的研究

在優化過程中，由于車架承受著來自道路和裝載的各種復雜載荷作用，在使用CAE軟件進行車架仿真時需要盡可能地模擬實際工況。不同工況的受力頻次不同，判斷基準也不一樣。平地啟動、重載彎曲、普通制動、普通轉向工況按疲勞強度進行判斷；緊急轉向工況、緊急制動工況、扭轉工況屬于極限工況，用材料的屈服強度進行判斷。目前仿真過程中考慮的載荷一般分為3類：行駛載荷、操作載荷和特殊載荷。行駛載荷主要包括貨物和乘員、行駛速度和路面狀況，其中貨物一般認為是固定不動的，而對液體類以及行駛途中會發生移動的貨物目前的研究較少；操作載荷依照工況的不同包括起動操作載荷、制動操作載荷和轉向操作載荷等；特殊載荷是指完全由于偶然因素造成的載荷，如駕駛差錯、碰撞等造成的載荷，以及由于自然環境影響，對汽車構件所造成的附加載荷等，目前只考慮碰撞產生的載荷?？v觀國內外對車架輕量化的研究現狀可以發現：在設計研究車架各項特性時，大多數學者[35-36]主要以滿載彎曲、滿載扭轉、滿載制動和滿載轉彎下靜態載荷以及模態分析為主，而對于車輛工作時所受到的動態載荷則以動載系數來表示，但是靜態載荷與動載系數均不能準確地描述車輛的實時受力狀態以及在運動過程中所受到的動態載荷峰值力。所以，目前的研究在車架動力學分析方面還不完善，在車架優化過程中未考慮動態載荷的實際影響。

4 鋼鋁結合車架連接工藝

4.1 焊接工藝

4.1.1冷金屬過渡電弧焊接

冷金屬過渡電弧焊接技術(CMT)[37]是主要用于解決薄板焊接變形問題和鋼鋁焊接等熔化極惰性氣體保護焊(MIG)解決不了的問題而開發出的一種新型低能耗連接工藝。CMT焊接工藝實現了幾乎無電流狀態下的熔滴過渡，減少了電弧輸入熱量的時間，熱輸入量幾乎為零，可以焊接低至0.3 mm的鋁合金板材，在變形量得到有效控制的同時還提高了焊接質量的重復性。

CMT焊接技術相對于MIG焊工藝，具有工藝穩定性高、飛濺小、焊接速度快、熱輸入量低、變形小等優點，但其產生煙氣污染的程度要比其他連接方式大，因而需要配備相應的除煙塵設備[38]。

4.1.2攪拌摩擦焊接

攪拌摩擦焊(FSW)是通過將高速旋轉的攪拌工具壓入待焊母材，并借助其旋轉接觸摩擦熱將工件加熱至塑性軟化區，最終冷卻形成有效連接的一種固相連接工藝[39]?？梢姡瑪嚢枘Σ梁钢袥]有傳統熔焊的常見問題，如接頭氣孔、裂紋等，其焊縫組織更加接近鍛造的細晶組織。相比熔焊，FSW連接的抗拉強度提升15%～20%。根據焊縫形成軌跡的不同，FSW分為攪拌摩擦點焊和攪拌摩擦縫焊。

攪拌摩擦焊屬于綠色連接工藝，具有能耗低，焊接過程中無輻射、煙塵和飛濺，噪聲小等優點，連接過程中，無需填充材料、保護氣體及加工坡口，焊前無需對母材表面預處理，但是焊接過程中需要的外力較大，設備需要較高的剛度，且對焊接頭的磨損較大。

4.1.3摩擦塞鉚焊

近年來，一種基于摩擦焊原理并主要用于超高強鋼及熱成型鋼與鋁的連接的摩擦塞鉚焊技術快速興起[40]。該技術的本質是借助高速旋轉的鋼制鉚釘穿透上層鋁板，并與下層鋼板通過摩擦點焊實現連接，借助鋼-鋼連接來實現鋼-鋁連接的目的。整個工藝過程可分為預熱、穿透、熔化以及焊接4個階段。摩擦塞鉚焊技術具有可實現高強度鋼和鋁的連接，無需預開孔、預處理或后處理，連接強度高的優點，但是也存在需要保留雙側空間、釘頭較為突出、不利于空間布置等缺點。

4.2 機械連接工藝

4.2.1自沖鉚接

自沖鉚接(SPR)是依靠鉚釘穿透上部板材并與底層板材形成可靠互鎖結構而實現連接的一種機械冷成型連接[41]。整個工藝過程可分為夾緊、沖裁、擴張以及沖鉚4個階段。該工藝的優點是：可實現鋼鋁鎂以及碳纖維同異種材料的連接，且效率高、能耗低。由于該過程不涉及基材的熔化和凝固過程，避免了脆性金屬間化合物的形成。但是，SPR也存在局限性，其在連接點處需要保留雙側進槍空間，且存在著冶金結合不牢、接頭強度低、氣密性差、疲勞性能差等缺點。

4.2.2螺栓連接

螺栓連接是在商用車車架上較為常見的連接方式，其結構簡單、裝拆方便，常用于車架縱梁與結構附件之間的連接。但長期使用容易松動，縱梁與橫梁的連接一般不采用這種方式。在連接過程中，鋼制螺栓需進行鍍鋅等表面處理，以阻礙后續的接觸電化學腐蝕。

5 結論與展望

5.1 結論

1) 全鋼制車架不符合輕量化，全鋁合金車架強度低且成本較高，而鋼鋁結合車架利用鋁合金替代部分鋼制零件，在保證強度的同時，既節省成本，又達到了輕量化的目的。但目前由于國內非高速公路道路路面狀況不佳、超載問題和維修不便等因素，我國車架的縱梁和橫梁等承載件仍采用鋼制保證其強度，而國外已將鑄鋁應用于車架橫梁和附屬支架上。

2) 隨著計算機的發展，在使用CAE軟件仿真優化時，能更準確地建立車架模型，更真實地反映實際結構的重要力學特征。CAE軟件能夠根據性能模擬、優化設計等方式，對鋁替代鋼的零件加以確定，從而提高車架的力學強度，實現車架的輕量化。但目前對于車輛工作時所受到的動態載荷方面的仿真分析還較少，另外在優化過程中也少有研究考慮疲勞的影響。

3) 對于鋼-鋁異材連接而言，由于鋼與鋁的固溶度很低，其物理、化學屬性差異又比較大。其次，鋼、鋁兩種金屬材料的化學電位相差比較大，連接界面處很容易產生電化學腐蝕。因此，針對鋼鋁異種材料的連接，常用的方式有冷金屬過渡電弧焊、摩擦焊、自沖鉚接、螺栓連接等。

5.2 展望

1) 目前世界最主要的汽車生產商幾乎都在爭相開發鋁合金零部件，但鋁材應用在汽車上會遇到許多技術上的難題，加工難度比鋼材大很多。我國自主研究的6000系列鋁合金汽車板也才剛剛起步，其性能還不能夠滿足要求。但是目前的發展時機已經很成熟，應該加快研究步伐，開發出具有自主知識產權的6000系列的鋁合金汽車板材。

2) 目前，對于車輛工作時所受到的動態載荷方面的仿真分析還較少，在研究車架各項特性時考慮動態載荷是今后優化過程中需要研究的重點。

3) 目前，在優化時很少有研究將疲勞壽命作為約束條件或優化目標，但疲勞壽命分析對商用車車架相當重要，因此今后在多學科優化過程中應該考慮疲勞的影響。