摘 要：隨著物流的快速發(fā)展，載貨車的載重量的標(biāo)準(zhǔn)越來越高。而車架在汽車中的主要作用是承載貨物與構(gòu)件，其承受載荷來源于車的內(nèi)外裝置，包括連接汽車工具及車用設(shè)備。車架的結(jié)構(gòu)決定于汽車的總體布置，對車架輕量化的承載特性研究，實際上是車架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化，進(jìn)而保證汽車的整體性能。輕量化的設(shè)計研究，能夠在一定程度上減小汽車的耗油量與廢棄的排放，并在保持汽車整體性能與造價不變的條件下，降低汽車自身重量提升動力性能與可靠安全性能。因此，輕量化對汽車運輸業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：重型商用汽車；車架；輕量化；設(shè)計技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.238

0 前言

車架的輕量化實際上是從動靜力學(xué)特征進(jìn)行分析，結(jié)合載荷及位移邊界條件，考察車架的受力分布，實現(xiàn)對車架架構(gòu)的優(yōu)化，最終使車架達(dá)到結(jié)構(gòu)合理輕便，又強度可靠的效果。本文關(guān)于重型商用汽車的車架輕量化設(shè)計研究，將以重型商用汽車為研究對象，從重型商用汽車的車架結(jié)構(gòu)特點入手，分析車架進(jìn)行輕量化的重要意義，進(jìn)而對輕量化的設(shè)計方法與設(shè)計難點進(jìn)行具體研究，通過評價車架設(shè)計的合理性，確定結(jié)構(gòu)改進(jìn)的可行方案。并基于商用車車架量化的發(fā)展趨勢作出展望。希望能夠為我國的物流業(yè)及汽車運輸?shù)陌l(fā)展提供一份參考。

1 重型商用汽車的車架輕量化意義

輕量化技術(shù)可以對汽車的尾氣排放與燃油量構(gòu)成直接的影響，是節(jié)約材料的有效手段之一。目前，我國重型商用車在全部車輛中的比例為23%左右，但是重型商用車在燃油消耗上占比卻高達(dá)70%。國外的有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，汽車的質(zhì)量受汽車油耗的影響。汽車質(zhì)量每上升100kg，油耗將提升0.3-0.6L/100km，相對來說，汽車整體質(zhì)量減少10%，油耗就降低7%左右。另外，汽車的輕量化不僅能減少耗油，為降低原材料做出貢獻(xiàn)，還能減少有害氣體的排放，每輛汽車減輕100kg，二氧化碳的排放量可降低5g/km，有利于我國的保護(hù)環(huán)境基本國策的實施。而且，汽車的質(zhì)量減少，零部件構(gòu)造簡化，可以為企業(yè)減少經(jīng)濟(jì)成本的投入，間接的減少消費者的支出。這對企業(yè)、環(huán)境、社會公眾都是一件有意義的事[1]。

2 重型汽車車架結(jié)構(gòu)的有限元分析

根據(jù)市場輸入要求進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)改造，必須對車架進(jìn)行有限元分析。在此基礎(chǔ)上確定車架的強度及整體特性，這是為汽車車架進(jìn)行輕量化的有效前提。對車架的有限元分析主要包含兩方面。首先，需要針對車架建立模型并作出預(yù)處理。利用CATIA原理搭建整車數(shù)學(xué)模型，利用車架數(shù)模作為建模對象，采用Hyper-works對車架及車架構(gòu)成部件進(jìn)行簡化與網(wǎng)格劃分。其次，分析出工況強度及疲勞程度。利用推導(dǎo)出的車架承重的最大載荷，將載荷數(shù)值設(shè)置在建立好的模型上，按照IVECO的分析方法，對車架的彎曲程度和扭轉(zhuǎn)強度進(jìn)行了解。根據(jù)有限元分析方法，我們可以認(rèn)識到，車架的整體剛度過大，強度有富余，并且局部壓力大，具有裂縫風(fēng)險，該條件下完全可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而減輕自身重量，降低經(jīng)濟(jì)成本[2]。

3 重型商用汽車的車架輕量化設(shè)計

3.1 輕量化設(shè)計方法

商用汽車車架的輕量化方法有兩種。一種是采用更高強度的材料實現(xiàn)輕量化。這種方式需要將普通材料采用高強度材料替代，同時減小零件的尺寸，保證強度不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行量化設(shè)計。商用車車架具有一定的系統(tǒng)零件及安裝布置，采用邊梁式的梯型結(jié)構(gòu)車架，將零件結(jié)構(gòu)盡量設(shè)計簡單，通過車架各零件的替代進(jìn)行減重設(shè)計。另外一種方法優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)的輕量途徑，應(yīng)用CAE為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)為，通過改變結(jié)構(gòu)形狀，使結(jié)構(gòu)部件輕薄化、小型化。以縮小尺寸、結(jié)構(gòu)中空化的優(yōu)化分析，最大限度減輕零部件質(zhì)量。設(shè)計中，需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點做局部加強，保證汽車整體強度不變。兩種方法可共同使用，更大限度實現(xiàn)車架的輕量化[3]。

3.2 輕量化設(shè)計技術(shù)難點

輕量化設(shè)計的工藝及技術(shù)難點體現(xiàn)三方面。第一，高強度鋼板的生產(chǎn)受到限制，其主要應(yīng)用在工程機(jī)械的制造方面，對商用車車架的應(yīng)用暫無實例。強度過高的材料，延伸度較低，不適合以成型件進(jìn)行生產(chǎn)。另外，提高抗拉強度需要進(jìn)行高溫處理，這會導(dǎo)致鋼鐵的生產(chǎn)成本上升。第二，高強度鋼的成型能力有限。無論是傳統(tǒng)的縱梁成型工藝，還是輥壓成型工藝，都很難實現(xiàn)整體的成型組合。而且，相關(guān)設(shè)備也需要更高強度的材料進(jìn)行制作，是限制高強度鋼板發(fā)展的因素之一。第三，車架的輕量化和強度之間存在著矛盾，輕量化的前提條件是剛度與強度不變，要滿足該要求，更要在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造，勢必會影響部件的剛度，因此，對于改造的系數(shù)范圍有待研究[4]。

4 結(jié)論

輕量化是現(xiàn)代化汽車工業(yè)中重要的研究課題之一，也是汽車工業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的有效保障。本文針對重型商用汽車的車架輕量化的設(shè)計研究，是基于對重型商用汽車的研究對象，根據(jù)車架進(jìn)行輕量化的重要意義與必要性，利用有限元法對汽車的零件結(jié)構(gòu)與剛度進(jìn)行分析，進(jìn)而提出了高強度的材料及改造結(jié)構(gòu)兩種輕量化設(shè)計方法，同時又從設(shè)計方法中的設(shè)計重點與難點提出了注意事項。汽車的輕量化設(shè)計，是技術(shù)未來發(fā)展的必然趨勢。結(jié)合現(xiàn)代工藝上的不足，我國對汽車輕量化的新工藝方法研究將不斷持續(xù)，使輕量化的設(shè)計更好的應(yīng)用在重型商業(yè)汽車運輸上，同時將“低碳經(jīng)濟(jì)效應(yīng)”應(yīng)用在物流業(yè)及汽車運輸中。減低經(jīng)濟(jì)成本，提高運輸質(zhì)量與安全系數(shù)，為我國的企業(yè)、社會公眾及環(huán)境保護(hù)做出一份貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：姚明波（1990-），男，廣西永福人，本科，助理工程師，研究方向：商用車車架系統(tǒng)設(shè)計。