商用車車身內外飾輕量化設計的探討

孫雪 岳本朋

摘 要：在整個汽車領域，對于在汽車能源消耗中占絕對主導的商用車來說，減輕自重，降低油耗，對于我國交通運輸的可持續發展來說更加迫切。對貨運與物流分析，降低燃油消耗量成為節能減排的關鍵。因此實現商用車輕量化、降低燃油消耗、增加載質量、提高運輸效率對我國貨運與物流行業可持續發展至關重要。本文將從商用車車身內外飾方面，探析目前車身及附件層面的輕量化的方法及發展趨勢。

關鍵詞：輕量化;車身;內外飾;法規;標準

1 商用車輕量化意義&趨勢

1.1 商用車輕量化實施的意義

隨著國家、行業等關于商用車超載超限整治力度，維護運輸物流行業的健康可持續性發展，在目前的特有的貨運環境下，所有的高速公路都實施計重收費，按軸荷計重等舉措，加上近年來更為嚴格的超載治理，當下如何既能提高載貨量，又能降低成本，只有不斷降低整車的裝備質量上想辦法。

分析汽車輕量化與燃油消耗的關系，發動機的功率主要消耗在克服汽車行駛阻力上，汽車行駛阻力由空氣阻力、滾動阻力、加速阻力和爬坡阻力等組成。空氣阻力主要與車身的形狀、迎風面積等有關，特別在高速行駛時關系更大，但它與整車的總質量無關;而除空氣阻力以外的滾動阻力、加速阻力和爬坡阻力均與整車的總質量成正比，所以減輕自質量，是減少上述三種阻力的重要因素，也是降低燃油消耗的有效措施。根據有關試驗資料計算，車輛減輕自質量10%，可降低油耗6%～8%。對載貨汽車來說，減輕自質量還提高了有效載質量，即增加了質量利用系數，從而提高運輸效率，降低運輸成本，這相對來說也是降低了燃油費用。

1.2 商用車輕量化的趨勢

商用車輕量化是建設節約型社會和可持續發展的必然趨勢，車身及內外飾作為整車輕量化的主要組成部分。內外飾的輕量化技術隨著新材料、新技術、新工藝的發展，輕量化設計思維逐步得到重視和應用。減輕整備質量而不影響汽車的強度、功能和安全性是內外飾輕量化的實施原則。在確保穩定提升車身性能的基礎上，持續優化車身內外飾部件的材料、結構、工藝，模擬分析、拓撲優化，內外飾設計會更傾向于環保性、安全性、節能型、智能性。設計過程中注重通用化、模塊化、綠色設計的原則，運用新技術、新工藝、新材料是目前階段車身內外飾件的設計和趨勢主要思路。

2 商用車內外飾輕量化途徑

2.1 目前商用車車身件輕量化實施的環境分析

商用車的車身外飾件輕量化，就是通過結構優化或應用新材料和新工藝，達到降低整車質量，而不影響汽車基本性能的一種設計方法。因商用車的使用工況的不確定性，加大了性能分析的難度，在高達3-4倍空滿載荷重比;路況的復雜性;氣候的差異性;用戶的文化差異;連續行駛的高負荷性等等都影響了輕量化設計的難度。

2.2 商用車內外飾件輕量化的應用途徑

輕量化材料應用;內外飾件支架類的高強鋼、超高強鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料運用;內外飾件高強度材料、復合材料、三明治或蜂窩板夾層材料、低密度材料的應用。例如：目前中重卡外飾件的大量使用的SMC片狀熱固成型的材料，有原密度1.8-1.9改為使用1.5左右的密度片狀材料，在通過配合結構采用可變厚度的成型工藝，可以有效的降低零部件重量，在滿足零件理論的剛度、強度工況下，減重可以達到8～10%左右。目前很多主機廠已經進行小批量的運用，取得了良好的效果。

優化零件結構設計，內外飾骨架的設計基于CAE分析進行內外飾零部件的結構設計。能提高新產品研發的效率和產品的性能，降低新產品研發的成本，提高產品的競爭力，選擇合理結構和厚度，從而實現減重。車身內外飾件選擇多種工藝路線的運用，如：外飾件使用傳統的SMC材料改為使用可變厚度輕質SMC材料、RIM-DCPD材料、氣輔注塑、碳纖維復合材料、玻纖及其他纖維復合材料等。內飾零件如使用輕質RTM材料、發泡成型材料、可變厚度的材料、蜂窩板、三明治板材形成的運用等等。支架類采用鋁合金、玻纖強化高分子聚合材料;鈑金支架等支撐結構連接逐步推廣使用激光焊接、摩擦焊、膠粘、鉚接、結構膠、發泡硬化材料的使用等等，都是目前成熟的運用主要方法。

3 商用車車身內外飾的輕量化應用與實踐

3.1 一款商用車車身外飾輕量化應用

以下是某車型的一款踏步裝置的輕量化應用案例，根據該零部件的使用需求及用途，在保證正常使用功能而進行適當的輕量化設計。信息如下：

3.2 輕量化前的參數

3.3 輕量化后的參數

3.4 基于CAE的踏步裝置的輕量化后的靜強度及工況

基于HyperMesh進行前處理;OptiStruct求解器進行強度分析，使用HyperView進行后處理的分析結果：

約束：按“左前123，右前13，左后3，右后3”約束白車身四個懸置的自由度載荷。

環境輸入：

工況1，極限工況，踏步踩踏位置施加負Z向2050N，負Y向1140N;

工況2，上車工況，踏步踩踏位置YZ平面內，與Z軸夾角18°方向施加負1500N。

模態：踏步裝置的安裝模態分析為右側安裝的踏步狀態，約束白車身四個懸置全部自由度，計算50Hz內的上車踏步整體狀態。

3.5 分析結果

3.6 分析結果匯總

優化后的各部件最大應力峰值：

踏步裝置輕量化后的整體工況分析：

踏步裝置優化前后的強度對比：

結論：通過輕量化后的上車工況、極限工況的剛強度等，輕量化后的踏步滿足設計強度要求。踏步裝置減重3.15kg，成本基本不增加的情況下實現重量降低。

4 商用車車身內外飾輕量化目前階段面臨的問題

輕量化制造技術的發展過程不盡相同，但是實現的目標只有一個，就是輕量化，并保證安全性，實現成本和效益的最佳化。內外飾件輕量化面臨的主要問題是技術瓶頸和成本壓力;例如玻纖填充的復合材料支架類的運用，飾件裝置減重高達40～50%，但是成本增加50%，現狀：鈑金支架較為常用，鑄鋁件、纖維填充注塑材質的支架可以互換，能夠隨時可實施。

外飾件SMC材質中的玻纖材質更換采用碳纖維，強度是2.5倍/-3倍，密度能減少1/3。但是工藝復雜：需要約30道工序。另外外觀件材料品質的穩定性、加工技術及制造體系的穩定性都無法比現有工藝作比較。SMC等熱固性的材料、纖維填充材質在可降解、可回收、環保等面臨更大的挑戰。另外如何推動材料、工藝與設計三者之間的高效溝通等等，都是主機廠、供應商、原材料等等進行協調開發與配合。因此在輕量化實施的路途上，需要汽車主機廠+零部件供應商+材料供應商聯合起來，共同研發、共同制造，共同為我國的商用車內外飾的輕量化工作貢獻力量！

參考文獻：

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