張照軍，王鎮(zhèn)江，楊大勇，蓋琪欣

(1.廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西柳州 545006；2.廣西科技大學(xué)廣西車輛零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西柳州 545006)

0 引言

近些年國(guó)家出臺(tái)政策推進(jìn)節(jié)能減排，限制汽車排放，減輕汽車質(zhì)量首先能減少燃油消耗、減少排放、裝載質(zhì)量更大。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)汽車質(zhì)量每減少100 kg，每百公里節(jié)約燃油0.7%，排放減少5 g/km[1]。汽車總質(zhì)量對(duì)燃油消耗量的影響如圖1所示[2]。其次能提高汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、舒適性、操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性等性能[3]。當(dāng)前實(shí)現(xiàn)車架輕量化的措施集中在優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)、利用新材料、使用新工藝三方面[4]。

車架設(shè)計(jì)需要從安全性、舒適性、耐久性等多方位考慮，根據(jù)設(shè)計(jì)目的不同，優(yōu)化后的車架結(jié)構(gòu)也有所區(qū)別。以安全性為目的、增強(qiáng)耐撞性的車架，為了保證汽車在正面碰撞時(shí)能夠盡可能地保證駕駛員及乘客安全，設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮車架的耐撞性能，提高安全系數(shù)，會(huì)增加一些強(qiáng)化構(gòu)件，強(qiáng)度增大了但質(zhì)量有一定的增加，影響了汽車的舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性。以舒適性為目的車架受剛度影響較大，剛度越高舒適性越好[5]。設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注車架在不同工況下的固有頻率、發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率等。有時(shí)為了使兩者頻率盡可能遠(yuǎn)離不引起共振，會(huì)對(duì)車架某些結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑龃?，此時(shí)就會(huì)影響汽車安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性。以燃油經(jīng)濟(jì)性為目的車架，設(shè)計(jì)的車架要盡可能地輕，需用不同方法設(shè)計(jì)車架結(jié)構(gòu)，從中選擇用材最少、質(zhì)量最輕的一款。雖然某些部件進(jìn)行了輕量化，安全系數(shù)和剛度會(huì)有所降低，但是車架質(zhì)量減輕了，燃油經(jīng)濟(jì)性得到了提高。目前牽引車一般采用雙層車架變單層車架、局部加強(qiáng)，載貨車常用降低縱梁截面高度和減薄材料來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化。

新型輕質(zhì)材料的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)車架輕量化的重要舉措[6]。過(guò)去制作邊梁式車架的材料幾乎都是普通鋼，質(zhì)量大強(qiáng)度還低。隨著鎂、鋁、碳纖維、高強(qiáng)度鋼等新材料的成功研發(fā)和市場(chǎng)化，它們?cè)谄嚿系玫酱罅康膽?yīng)用[7]，如圖2所示[8]。鎂、鋁、碳纖維等制作而成的車架以質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛度大等優(yōu)點(diǎn)在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖2 奧迪A8車身材料應(yīng)用

汽車制造工藝隨著制造業(yè)的發(fā)展也得到了提升。過(guò)去車架部件連接多采用人工焊接，鈑金件采用沖壓等工藝，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題[9]。如今一般采用激光焊接、高壓成型等先進(jìn)工藝保證產(chǎn)品質(zhì)量，也一定程度上實(shí)現(xiàn)了輕量化。例如通用汽車在CT6上成功地少用了約1 800個(gè)鉚接點(diǎn)，通過(guò)激光焊接減重1.81 kg。

本文作者以邊梁式車架為例詳細(xì)介紹了車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，新材料、新工藝對(duì)輕量化的影響，闡述了車架輕量化過(guò)程中所遇到的問(wèn)題及解決辦法并對(duì)車架未來(lái)輕量化方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)。圖3所示為邊梁式車架。

圖3 邊梁式車架

1 邊梁式車架輕量化國(guó)內(nèi)外研究

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

文獻(xiàn)[10]中利用變密度法對(duì)某公交車車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后的車架質(zhì)量降低了19.6%，輕量化系數(shù)達(dá)0.005 8，小于原來(lái)的0.010 4。文獻(xiàn)[11]中對(duì)某卡車車架進(jìn)行區(qū)間分段拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后車架厚度至少減小了1 mm,車架總質(zhì)量減輕了10.16%。文獻(xiàn)[12]中對(duì)某空投越野車車架采用尺寸優(yōu)化方法優(yōu)化，優(yōu)化后車架部分零件厚度降低，質(zhì)量降低11.7%。文獻(xiàn)[13]中研究某載貨汽車車架，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)車架橫梁位置、縱梁厚度進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后車架質(zhì)量減小，輕量化系數(shù)變小,從0.76到0.64。文獻(xiàn)[14]中對(duì)某自卸車車架采用Gingrich近似模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后的車架體積減小6.2%，質(zhì)量減小4.24%。文獻(xiàn)[15]中對(duì)BS960汽車車架前梁可變截面、縱梁厚度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的車架質(zhì)量減輕21%。

通過(guò)研究以上文獻(xiàn)，作者發(fā)現(xiàn)研究人員都只是單純地從結(jié)構(gòu)方面來(lái)研究車架的輕量化而沒有考慮制造的工藝及成本。由于不熟悉當(dāng)前制造工藝手段，設(shè)計(jì)出的新車架加工困難、進(jìn)行相應(yīng)部件安裝時(shí)不方便，甚至需要增加某些零部件，最終導(dǎo)致車架質(zhì)量幾乎沒有減少成本卻增加了。再者都沒有考慮使用新型輕質(zhì)材料對(duì)車架結(jié)構(gòu)中受力小的部件進(jìn)行替換，沒有達(dá)到理想的輕量化效果。

1.2 車架材料研究

文獻(xiàn)[16]中對(duì)某國(guó)產(chǎn)SUV車架用正交試驗(yàn)法確定需輕量化部件并將之用鋁合金替換設(shè)計(jì)出鋼-鋁混合車架，并根據(jù)形貌優(yōu)化方法優(yōu)化橫縱梁的截面、長(zhǎng)度尺寸，優(yōu)化后總質(zhì)量減小6.7 kg。文獻(xiàn)[17]中分析優(yōu)化了合金車架結(jié)構(gòu)和制造工藝，實(shí)現(xiàn)了車架輕量化。文獻(xiàn)[18]中用鎂合金制作的車身有更好的乘坐舒適性，較一般的鋼鐵車架實(shí)現(xiàn)了車輛的輕量化。文獻(xiàn)[19]中針對(duì)某車架，用鐵、鋁合金、鎂合金制作3種不同材料車架并進(jìn)行質(zhì)量對(duì)比，結(jié)果顯示鋁合金車架質(zhì)量比鐵制車架減輕70%，鎂合金車架質(zhì)量比鋁合金車架減輕40%。文獻(xiàn)[20]中利用高強(qiáng)度鋼制作低平板載貨貨車車架，結(jié)果顯示新材料車架質(zhì)量降低13.25%。文獻(xiàn)[21]中采用碳纖維-鋁合金設(shè)計(jì)比賽用節(jié)能車車架，實(shí)現(xiàn)了車架的輕量化。文獻(xiàn)[22]中采用輕量化復(fù)合材料設(shè)計(jì)客車車架及車體，研究顯示此材料車體比鋁合金車體減重20%，實(shí)現(xiàn)輕量化。

新型輕質(zhì)材料能夠減輕車架質(zhì)量毋庸置疑，因此很多研究者設(shè)計(jì)時(shí)就簡(jiǎn)單地采用輕質(zhì)材料或者對(duì)原車架材料進(jìn)行簡(jiǎn)單替換，并沒有考慮連接工藝與價(jià)格問(wèn)題，導(dǎo)致制作出的車架并沒有達(dá)到理想的輕量化效果。鋁、鎂、碳纖維等新型輕質(zhì)材料的連接必須應(yīng)用電阻點(diǎn)焊、鋁合金釬焊、膠粘等先進(jìn)工藝，而新材料和新工藝的應(yīng)用會(huì)使成本提高，設(shè)計(jì)者卻并未考慮。此外，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上很多所謂高強(qiáng)度鋼并不是真正意義上的高強(qiáng)度鋼，兩者性能差異大，要達(dá)到同樣的強(qiáng)度，利用此種材料制作的車架質(zhì)量并沒有減少。

1.3 車架制造工藝研究

文獻(xiàn)[23]中等對(duì)某卡車車架上將螺栓連接替換成鉚接的可行性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明鉚接的剪切強(qiáng)度比鉚釘提升了14%，比螺栓提高了38.5%，壽命是螺栓的3.65倍，使用鉚接技術(shù)車架質(zhì)量減小了67%。文獻(xiàn)[24-27]中研究鉚接工藝、縱梁孔及制作工藝對(duì)車架的影響，也表明了采用先進(jìn)的工藝不僅產(chǎn)品質(zhì)量得到保證還能實(shí)現(xiàn)輕量化。

新型輕質(zhì)材料的出現(xiàn)推動(dòng)了汽車輕量化的進(jìn)程，對(duì)于新型材料連接，傳統(tǒng)工藝已無(wú)法滿足要求，促使粘接、TIG/MIG焊等先進(jìn)工藝出現(xiàn)。隨著新型材料應(yīng)用越來(lái)越廣泛，新型工藝也將得到快速發(fā)展。

2 邊梁式車架輕量化發(fā)展趨勢(shì)

2.1 車架結(jié)構(gòu)方面

從結(jié)構(gòu)方面實(shí)現(xiàn)車架輕量化可通過(guò)兩個(gè)方式進(jìn)行：第一，利用CAE設(shè)計(jì)新的車架結(jié)構(gòu)或者是優(yōu)化原有結(jié)構(gòu)，目前常采用拓?fù)鋬?yōu)化等方法對(duì)車架進(jìn)行減薄、減尺寸、打孔以達(dá)到輕量化的目的；第二，通過(guò)車架的集成化，減少零部件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)輕量化。

2.2 車架材料方面

未來(lái)10年，增加高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料的用量是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要舉措。通過(guò)研究鋁合金力學(xué)性能如耐燒蝕、焊接工藝[28-33]，碳纖維吸能、耐腐蝕[34-37]，高強(qiáng)度鋼的彈塑性力學(xué)特性[38-41]，知道了制作車架的新型材料的優(yōu)點(diǎn)與缺陷，所以掌握新材料連接工藝并解決存在的問(wèn)題，對(duì)企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中能否占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位具有重要影響。主要輕量化材料在汽車上的應(yīng)用及用量趨勢(shì)如圖4所示[42]。

圖4 主要輕量化材料在汽車上的應(yīng)用及用量趨勢(shì)

(1)鋁合金車架。雖然制作鋁合金車架的鋁板成型變形大、金屬疲勞性差安全性不高，焊接較為困難[43]，但是通過(guò)文獻(xiàn)[44-48]可知可以利用鋁合金釬焊、電阻點(diǎn)焊等方式解決。鋁合金一體化車架強(qiáng)度高質(zhì)量卻很輕，應(yīng)用鋁合金車架可以實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。圖5為某卡車鋁合金車架圖。

圖5 鋁合金車架

(2)碳纖維車架。碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量是鐵的50%、鋁的70%，強(qiáng)度是鐵的10倍、鋁的5倍[49]，密度是鋼的1/4，剛度、強(qiáng)度卻是鋼的2倍以上，優(yōu)良的延展性和耐腐蝕性[50]等優(yōu)點(diǎn)，目前將它加入其他金屬、非金屬材料里面以改善材料性能。雖然碳纖維復(fù)合材料連接困難且價(jià)格高，但是等技術(shù)成熟、價(jià)格降下之后可設(shè)計(jì)碳纖維一體式車架，應(yīng)用在汽車車架上將會(huì)極大減輕汽車質(zhì)量。

(3)高強(qiáng)度鋼車架。高強(qiáng)度鋼和普通鋼主要成分都是鐵但高強(qiáng)度鋼加有稀有元素，具有耐磨、強(qiáng)度剛度大、抗沖擊強(qiáng)等特點(diǎn)，同等條件下實(shí)現(xiàn)相同的性能高強(qiáng)度鋼用量更少[51]。雖然高強(qiáng)度鋼(如雙相鋼、復(fù)相鋼、馬氏體鋼、熱成型鋼等)容易斷裂且遇到強(qiáng)電流容易退火破壞原有結(jié)構(gòu)[52]，但是可以通過(guò)控制電流電壓大小、熱的輸入量、焊接效率等方式解決高強(qiáng)度鋼韌性差、焊接難問(wèn)題。過(guò)去的卡車大梁至少兩層即外縱梁和內(nèi)加強(qiáng)梁，而采用高強(qiáng)度鋼只用單層，滿足性能的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)輕量化。圖6為采用610L高強(qiáng)度鋼板的某型卡車車架。

圖6 610L高強(qiáng)度鋼車架

(4)混合車架?；旌宪嚰芗蠢枚喾N材料組合成的車架，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行多種材料自由組合，設(shè)計(jì)出側(cè)重點(diǎn)不同的車架?；旌宪嚰苁垢鞑糠植牧隙寄艹浞职l(fā)揮性能的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)質(zhì)量最輕。雖然多種材料間的連接工藝目前還不成熟，但是相信隨著科技的發(fā)展多材料連接工藝將會(huì)得到快速發(fā)展。如EXPERT公司發(fā)明了一種變頻微波固化技術(shù)，使膠在20 s以內(nèi)就能固化，生產(chǎn)效率極大提高[53]，對(duì)于非金屬間的連接非常實(shí)用?；旌鲜杰嚰苁俏磥?lái)車架輕量化發(fā)展的主要方向。

2.3 車架工藝方面

汽車工藝包括成型工藝和連接工藝。汽車制造擁有9大先進(jìn)成型工藝(高強(qiáng)鋼熱成型、內(nèi)高壓成型、輥壓成型、激光拼焊等)，每種工藝都有其特點(diǎn)也有應(yīng)用場(chǎng)合。激光拼焊用于縱、橫梁，車身、B柱等的拼接。內(nèi)高壓成型用于扭梁、副車架等制作。熱成型工藝用于保險(xiǎn)杠、A柱等的制作[54]。為進(jìn)一步減輕汽車質(zhì)量，有些汽車公司已經(jīng)開始使用樹脂傳遞模塑成型工藝制作碳纖維底板。目前汽車工業(yè)生產(chǎn)多采用點(diǎn)焊和二保焊，傳統(tǒng)焊接工藝已經(jīng)不適用鋁合金等的焊接，因?yàn)楹附訒r(shí)存在強(qiáng)度降低問(wèn)題。因此，目前采用TIG/MIG焊、鉚接、膠粘接、鋁合金釬焊等方法。據(jù)一項(xiàng)研究報(bào)告：到2030年輕量化材料在汽車上的應(yīng)用將從5%提升到30%，相應(yīng)的連接工藝也發(fā)生變化。點(diǎn)焊將被取代，膠接、鉚接等先進(jìn)工藝將會(huì)在汽車上大量應(yīng)用[55]。

(1)高強(qiáng)度鋼車架與傳統(tǒng)的承載式車身制作過(guò)程相似，只是采用的工藝略有不同。普通車架多為沖壓成型，容易產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，焊接后剛度不夠；高強(qiáng)度車架采用高壓成型、熱成型等，成型的構(gòu)件分子分布均勻，不會(huì)產(chǎn)生上述問(wèn)題[56]。

(2)車架上有很多地方通過(guò)鉚接、焊接連接部件，但容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，操作也不方便。激光拼焊、膠粘連接[57]卻能避免這類缺點(diǎn)，焊接、膠粘都不用打孔，不會(huì)對(duì)強(qiáng)度、剛度造成影響。如凱迪拉克使用了鋁合金釬焊、鋁激光焊、鋁電阻點(diǎn)焊等先進(jìn)工藝。圖7為到2030年車身連接工藝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[58]。

圖7 到2030年車身連接工藝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

(3)新裝備不僅效率高，安全性得以保證，還能節(jié)約成本、不破壞材料原本屬性、不增加多余結(jié)構(gòu)。激光打刻機(jī)是用來(lái)標(biāo)記車架的一種裝備，儀器利用激光完成刻印工作，全程不接觸工件，不產(chǎn)生機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力而破壞工件，而且加工精細(xì)、速度快、無(wú)污染、質(zhì)量不改變，在批量化生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)車架進(jìn)行標(biāo)記有重要意義。

3 總結(jié)

設(shè)計(jì)最合適的車架需要從結(jié)構(gòu)、材料、工藝、成本等多方面考慮，這樣才能使車架滿足性能的同時(shí)獲得最佳的輕量化結(jié)果。車架輕量化是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，提出或者應(yīng)用最新的方法理論，研發(fā)強(qiáng)度、剛度大、易制作、成本低等優(yōu)異性能的材料與材料相適應(yīng)的工藝，應(yīng)用到車架輕量化上將是必由之路。