我国商用车总成轻量化状况分析

1.驾驶室轻量化

驾驶室的轻量化多通过结构优化和高强度钢板的应用来达到减重的目的。驾驶室用材一般以软钢为主，达到70%以上，其他部分为高强度钢，主要有HSLA、BH和含P钢，厚度主要为0.8～1.5 mm。驾驶室白车身质量一般在600 kg左右，采用结构优化设计，在不改变驾驶室零件材质并保持其性能满足要求的情况下可实现减重10%左右。

总的来说，我国商用车驾驶室的轻量化水平还未引起整车企业的普遍重视，在用材方面主要以软钢和烘烤硬化钢为主。与乘用车车身相比，高强度钢的应用比例十分低，抗拉强度600 MPa及以上钢材几乎很少应用，热成形、辊压成形、激光拼焊等技术的应用也很少。

2.高强度钢车架大梁

目前，我国中、重型汽车的车架大梁主要为双梁结构，钢板抗拉强度以510 MPa和610 MPa为主，部分载货车采用厚度8 mm的抗拉强度为610 MPa钢板作为主梁材料，厚度5 mm的抗拉强度为510 MPa钢板作为副梁材料。部分整车企业开始使用抗拉强度为700 MPa的钢板制成单梁结构，逐步替代抗拉强度为510 MPa大梁。例如，一汽J6H型全挂牵引车的大梁采用宝钢生产的高强度钢（B700L），该车型已经在2007年批量生产并投放市场，该车大梁高强度钢板的质量为300～400 kg；中国重汽在其全挂牵引车上采用抗拉强度为700 MPa的单梁，轻量化华菱星凯马车架由（8+8）mm双层梁改为10 mm单层大梁，单层梁车架比双层梁车架自重降低85 kg。

商用车车架的成形工艺主要包括冲压成形和辊压成形，工艺流程分别如图3-38和图3-39所示。

图3-38 商用车车架大梁冲压成形工艺流程

图3-39 商用车车架大梁辊压成形工艺流程

目前，重型牵引车车架700 MPa的单梁大梁在国内的应用比例小于10%。单梁结构可分为等刚度单梁、变刚度单梁和变截面单梁结构等，如上汽依维柯红岩汽车厂引进生产的依维柯系列重型商用汽车的大梁采用650 MPa、8 mm的等刚度单梁结构，达到了轻量化目的。

3.轻量化桥壳

桥壳是汽车驱动桥的重要组成部分，支承并保护汽车的主减速器、差速器和半轴等，固定左、右驱动轮的轴向相对位置，并承受车轮向车架传递的路面反力和反力矩。所以桥壳应有足够的强度和刚度，它的制造质量直接决定着车桥的性能和使用寿命。另外，基于汽车轻量化的发展趋势，桥壳质量也需要尽可能轻量化。近年来，国内许多研究机构和生产厂家就桥壳生产工艺开展了多项研究工作，主要的研究方向侧重于桥壳用钢新材料、新的生产工艺等方面，如铸造桥壳用高强度球墨铸铁以及桥壳用高强度钢的开发和应用、热冲压成形工艺在生产中的应用以及产品质量控制等。

目前，国内桥壳用钢与国外存在着较大的差距。国外普遍采用的桥壳用钢抗拉强度为600 MPa，而国内大量应用Q345、16Mn L等抗拉强度为500 MPa以下的钢板，这些钢板普遍存在的问题是带状组织比较明显，在冲压加工及后续使用过程中存在皱褶、弯曲和开裂现象。国内钢厂中只有宝钢、武钢、太钢、邯钢等少数企业有专门的桥壳用钢牌号，高强度桥壳用钢的开发和应用还没有引起足够的重视。

鉴于国内市场汽车轻量化技术的发展和对桥壳使用性能要求的不断提高，新桥壳用钢的开发和应用已经提上日程。宝钢已经在与山东蓬翔车桥厂进行合作开展抗拉强度为800～900 MPa级重型货车桥壳用钢的开发和应用工作。采用新的桥壳钢后，桥壳可减重50 kg，减重率达20%以上。此外，武钢、邯钢、太钢也在积极地与车桥生产厂合作开发抗拉强度为600 MPa以上的桥壳用钢，以实现桥壳减重10%以上轻量化的目标和延长桥壳使用寿命的目的。

4.商用车轻量化车轮及轮胎

车轮是汽车零部件中安全性要求最高的部件之一，是汽车零部件在整车中所占数量最多的总成。车轮作为高速旋转的非簧载质量，其轻量化效果比其他零部件更为显著，车轮轻量化产生的节能效果是其他零部件的1.5倍以上。

商用车铝合金车轮包括铸造和锻造两种，钢制车轮包括型钢车轮和辊形车轮。四种类型车轮特点见表3-23，轻量化钢制辊型形车轮和锻造铝合金车轮代表我国商用车车轮的发展方向。表3-24为国内外商用车钢制车轮用钢的对比分析。

表3-23 商用车铝制车轮和钢制车轮分类与应用情况

表3-24 国内外商用车钢制车轮用钢对比分析

1）型钢车轮

轧制成形主要用于型钢有内胎车轮的平底轮辋和半深槽轮辋，它可以有针对性地对轮辋断面进行加强或减弱，相对辊压成形有一定的灵活性。型钢车轮制造方法为：钢厂按要求制造不同形状的型钢，再组合成车轮。由于气密性的问题，型钢车轮必须使用内胎，其质量大、爆胎概率大，多用于低端商用车。

2）辊形车轮

与型钢车轮相比，辊形车轮能减重20%～30%，可有效降低整车的油耗水平，该车轮适用于部分车型的子午线无内胎轮胎。对于8.25 in[1]×22.5 in的轻量化无内胎钢制车轮，美国的无内胎车轮质量大部分能控制为40 kg，少数甚至在35 kg以下，一小部分轻量化产品质量达到了30 kg，而国内的车轮质量目前很难突破35 kg。

3）锻造铝合金车轮

一般普通钢制车轮质量为50 kg左右，而锻造铝合金车轮质量为25 kg，以每车12个车轮的汽车为例，整车车轮共可减重300 kg左右。未来5～10年，锻造铝合金车轮将部分取代钢制车轮，但由于成本和价格原因，锻造铝合金车轮主要应用在长途客车上和部分高档长途载运汽车上。

4）宽幅车轮及轮胎

商用车装用宽截面单胎，可以降低成本、减小质量、减少磨损和燃料消耗。国外轮胎企业测试结果表明，采用宽幅单胎的汽车与采用双轮胎并装方式的汽车相比，在轮毂用料上，宽幅单胎轮毂用料比双胎轮毂可减少20%；在油耗表现方面，牵引同样质量的拖车，采用宽幅单胎的车辆，平均每百公里可减少1 L左右的燃油消耗。与此同时，宽幅单胎在整车轻量化、降低轮胎噪声和滚动阻力方面也具有不少优势。

在我国某些地区，由于在车辆检验和高速公路收费称重时对于最大允许轴荷的限制不同，从而使宽截面单胎没有得到广泛的应用。但是随着载重卡车轻量化设计的运用，单胎发展已经是一个不可逆转的趋势。中国重汽、东风商用车、华菱汽车等企业都已推出超宽单胎牵引车，与11.00 in宽钢丝胎相比，该款车仅轮胎与钢圈的质量就可以减轻200 kg左右。

超宽无内胎轮胎在轻量化方面的优势更为明显。以三轴半挂车为例，双钱牌普通钢丝轮胎加上车轮的质量为1 440 kg，双钱牌超宽无内胎轮胎加上宽基轮辋质量为864 kg，与双胎相比，可减重576 kg。但装用超宽无内胎轮胎车辆的三个车轴需要定制加成长轴，三根加长轴质量会增加约40 kg，超宽无内胎轮胎和宽基轮辋可减重约500 kg，三轴半挂车装用的宽胎结构如图3-40所示，因受轮胎承载能力限制，该类车型不可以超载。

图3-40 三轴半挂车的宽轮胎结构

5.商用车悬架系统轻量化

悬架系统是车架与车桥之间一切传力连接装置的统称，由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等零部件组成。悬架决定着汽车的操纵稳定性、行驶平顺性和行车安全性，是现代汽车十分重要的部件之一。一般来说，汽车的悬架系统分为非独立悬架和独立悬架两种。目前，国内重型卡车的悬架主要为非独立悬架，悬架弹性元件一般为多片钢板弹簧。

国际上，商用车悬架系统主要有多片钢板弹簧、变截面少片钢板弹簧、橡胶悬架、空气悬架、复合材料板簧等，其中变截面少片钢板弹簧、橡胶悬架、空气悬架、复合材料板簧都可以达到减重的目的。图3-41为多片簧钢板悬架和橡胶悬架示意图，图3-42为复合材料悬架和空气悬架示意图，图3-43为变截面少片钢板弹簧悬架示意图。

图3-41 多片簧钢板悬架和橡胶悬架示意图

图3-42 复合材料悬架和空气弹簧悬架示意图

图3-43 变截面少片钢板弹簧悬架示意图

欧美发达国家客车和重卡都普遍采用空气弹簧悬架系统，其中客车应用比例达90％以上，挂车应用比例达100%，重型载重车应用比例达85％以上。在一些特种车辆（如对防震要求较高的仪表车、救护车、特种军用车及要求高度可调节的集装箱运输车等）上，空气弹簧悬架几乎是唯一的选择。在欧美国家，非空气弹簧悬架重卡的15％左右的市场分成欧洲流派和美洲、澳洲派。欧洲主要采用少片簧＋板簧支座＋横向稳定杆＋V形推力杆的结构，美洲和澳洲主要采用橡胶悬架结构。复合材料板簧悬架的应用还不是很广泛。

1）变截面少片钢板弹簧

少片变截面钢板弹簧与传统多片等截面钢板弹簧相比，钢板弹簧的应力分布较均匀，接近于等强度梁，可减重30%～40%，并增加了许用应力。华菱汽车正式推出轻量化星凯马重卡车，对悬架系统进行了优化，用前4后4的变截面少片簧代替了传统的前9后12的板簧结构，少片钢板弹簧的运用使悬架弹簧重量降低114 kg。

钢板弹簧总成自重较大，占汽车自重的8％～9％，是实现汽车轻量化的一个不可忽视的部件。为减轻汽车的自重，改善汽车的行驶平顺性，提高整车的性能，近几年钢板弹簧的轻量化设计朝着少片变截面弹簧的方向发展。少片变截面弹簧是由一片或几片纵向等长的变断面弹簧组成，一般为2～3片，最多不超过5片。由两端薄中间厚、等宽等长的钢板叠加起来。少片钢板弹簧的钢板截面变化大，从中间到两端的截面是逐渐变化的，因此轧制工艺比较复杂，价格也比多片弹簧贵。在相同刚度（即相同承载能力）的情况下，少片弹簧比多片弹簧轻约50%，降低了油耗，而且少片弹簧单片之间为点接触，减少了相对摩擦及振动，增加了行驶平顺性，改善了乘坐舒适性。

比较国内外板簧发现，国外板簧的使用应力约为1 300 MPa，国内仍处于900～1 100 MPa的水平。随着车辆保养期的增长，对永久变形和疲劳寿命都提出了更严格的要求，为此必须采用高精度设计方法。一些弹簧技术水平较高的国家对弹簧有限元分析方法的应用已进入实用化，我国虽有这方面的技术开发，但尚未形成实用模型。

重型汽车采用少片变截面钢板弹簧可减少弹簧总成自重的30%～50%。国外重型汽车已广泛使用少片变截面钢板弹簧，如沃尔沃S35车型就采用前2片、后3片变截面钢板弹簧的结构形式。尽管变截面少片钢板弹簧达不到空气弹簧的减重效果，但在成本上有较大优势，相比多片弹簧悬架，其轻量化效果也非常明显。

2）空气弹簧悬架系统

目前，国外高级大客车几乎全部使用空气弹簧悬架，重型载货车使用空气悬架的比例已达80%以上，空气悬架在轻型汽车上的应用量也在迅速上升。部分轿车也逐渐安装使用空气悬架，如美国的林肯等。在一些特种车辆（如对防震要求较高的仪表车、救护车、特种军用车及要求高度调节的集装箱运输车等）上，空气悬架的使用几乎为唯一选择。表3-25为空气悬架国内外应用情况对比。

表3-25 空气悬架国内外应用情况对比

在美国，几乎所有的客车、卡车都采用了空气弹簧。近几年我国空气弹簧的使用率也不断攀升，但还处于起步阶段，只应用在一些豪华客车和少部分重型货车和挂车上，目前约20%的客车使用了空气弹簧。商用车使用空气悬架系统，其质量较板簧可以降低45%，整车可以在变截面钢板弹簧的基础上减重400kg。虽然重汽HOWO A7、东风天龙、解放J6、华菱星凯马等各厂家上市的新产品高配中都有空气悬架，但仅是概念阶段，真正被市场接受，实现量产还需要一段时间。表3-26为空气弹簧国内外应用的情况对比。

表3-26 空气弹簧国内外应用情况对比

3）复合材料板簧

复合材料板簧与传统的金属板簧相比，同等性能可减重50%以上。通过选用不同材料及优化设计，减重比例甚至可以达到70%以上，这也是目前其他部件优化过程中非常少见的减重优势。复合材料板簧已经在全球诸多汽车厂得到了大量应用，如通用、福特、戴姆勒-克莱斯勒、依维柯、康沃斯彼得比尔特、国际卡车等汽车公司。依维柯复合材料板簧如图3-44所示。

由于塑料弹簧具有钢制弹簧难以取代的优点，北京中材汽车复合材料有限公司开展了依维柯某车型板簧的研制工作，并取得了成功。尽管复合材料板簧悬架的减重效果明显，但相关的使用性能还有待于进一步验证。

图3-44 依维柯复合材料板簧

4）不同悬架轻量化比较

表3-27综合对比了各种非独立悬架的结构特点和优缺点。从表中可以看出，变截面少片钢板弹簧和复合材料板簧是当前更为经济，有利于快速推广的轻量化悬架产品。

表3-27 不同悬架轻量化潜力对比

当然，除了上述零部件及总成之外，物流车辆的油箱、水箱、排气系统、散热器等均有较大的轻量化潜力。各轻量化总成集中之后，预计2015—2020年，物流车辆的平均重量将比现在减重10%～20%，这需要全行业上下游多层面的技术攻关和不懈努力。

[1] 1 in=2.54 cm。