任鵬 宋建新 高嵩 陳運(yùn)愛 劉錚 戎穎穎

（北汽福田汽車股份有限公司，北京102206）

1 前言

載貨車以高效運(yùn)輸為主要目的，隨著治超、治限法規(guī)政策的實(shí)施，通過輕量化提高運(yùn)輸效率成為客戶關(guān)注焦點(diǎn)。根據(jù)市場占比情況，選擇現(xiàn)有的6 t輕型載貨汽車產(chǎn)品的長4 140 mm、內(nèi)寬2 100 mm、內(nèi)高2 100 mm的廂式貨箱為輕量化對象。該貨箱目前質(zhì)量900 kg，普通低碳鋼瓦楞板結(jié)構(gòu)。通過對比不同貨箱方案的質(zhì)量、成本，設(shè)定輕量化后質(zhì)量目標(biāo)為400 kg，成本可控，箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度要優(yōu)于現(xiàn)有貨箱，滿足不同使用場景和工況的性能要求。

2 仿真及試驗(yàn)工況確定

工況包括用戶使用工況和工程循環(huán)工況，前者是指是對用戶如何使用產(chǎn)品和產(chǎn)品所處的使用環(huán)境描述，包括車輛運(yùn)行環(huán)境、駕駛習(xí)慣、車輛上裝置使用、載荷及貨物類型等特征；后者是指是汽車產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)邊界輸入，分為整車級(jí)工況（油耗工況、道路載荷譜等）和模塊級(jí)工況（發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷工況等），包含了溫濕度、力、速度、加速度和時(shí)間數(shù)據(jù)[1]。

以某輕型載貨汽車為載體，根據(jù)長途和短途用戶不同的行駛道路、裝載情況、駕駛習(xí)慣等，模擬5種短途路線和9種長途路線，道路包括高速公路、城市公路、一般公路、山路、鄉(xiāng)村道路用戶道路和試驗(yàn)場組合環(huán)路，用戶道路采集總長度約16 500 km，獲得實(shí)際工況數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 某輕卡工況數(shù)據(jù)采集

通過對客戶的樣本外推，得到了客戶在不同道路類型、有效載荷、地形的使用分布圖譜，結(jié)合已有的通縣試驗(yàn)場不同典型路面載荷譜數(shù)據(jù)，通過外推算法和損傷算法，建立通縣試驗(yàn)場及臺(tái)架耐久驗(yàn)證工程循環(huán)工況，用于輕型載貨汽車貨箱后期臺(tái)架驗(yàn)證和整車耐久驗(yàn)證，根據(jù)輕型載貨汽車使用路況和客戶需求，將貨箱的道路工況轉(zhuǎn)化為仿真分析工況，同時(shí)提取典型及特征條件的載荷，制定了貨箱總成彎曲、加速、制動(dòng)等共12個(gè)工況的邊界條件及目標(biāo)要求，全面考察貨箱總成的剛度、強(qiáng)度、疲勞等性能要求。

3 貨箱輕量化設(shè)計(jì)

目前，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要有3種途徑。

a.結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使部件薄壁化[2]、中空化、小型化或復(fù)合化；

b.新材料的使用[3-5]，如高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂合金及一些非金屬材料的使用；

c.工藝的改進(jìn)，主要包括成形技術(shù)和連接技術(shù)。

3.1 新材料設(shè)計(jì)

通過對比鋼制、鋁合金、鎂合金等不同貨箱框架技術(shù)方案，綜合考慮貨箱強(qiáng)度、生產(chǎn)成本、輕量化效果、異地組裝等因素，選擇鋁合金方案作為貨箱框架的技術(shù)路線。鋼制方案的成本低、強(qiáng)度高，但是質(zhì)量大、易腐蝕且不易實(shí)現(xiàn)異地組裝；鎂合金方案可輕量化60%，但是成本過高，且易腐蝕；鋁型材方案可輕量化40%左右，防腐優(yōu)，易異地安裝。

面板的選用通過對比多種材料（圖2），達(dá)到質(zhì)量最輕、價(jià)格可控、規(guī)格統(tǒng)一的設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)面板輕量化。選擇PP（聚丙烯）蜂窩+巴沙木組合，設(shè)計(jì)質(zhì)量181.64 kg，比同類復(fù)材面板質(zhì)量降低100 kg，與傳統(tǒng)復(fù)合材料貨箱成本相當(dāng)且仍有下降空間，6個(gè)部件采用3個(gè)規(guī)格、2種材質(zhì)，由一家供應(yīng)商提供，應(yīng)用、采購和存儲(chǔ)更便捷。

圖2 不同種類面板材料對比

選擇較成熟的PP蜂窩復(fù)合板[6]，在滿足工況的前提下，合理分配面板與夾心的厚度，最終選用PP蜂窩復(fù)合板面，面密度為3.75 kg/m2，較常用的面密度4~4.4 kg/㎡的PP蜂窩復(fù)合板，可降低質(zhì)量36 kg。底板主要承受垂直壓力，與市面常用竹膠板（14 kg/㎡）、鐵花板（15.7 kg/㎡）相比，巴沙木可減重70～90 kg；PP蜂窩底板質(zhì)量與巴沙木相當(dāng)，但抗壓強(qiáng)度僅為巴沙木的1/4，不滿足極端工況要求（圖3）。

圖3 面板材料選擇

3.2 新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用擠壓鋁合金框架+復(fù)合材料面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。重點(diǎn)開展箱體模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、拼接結(jié)構(gòu)與優(yōu)化、框架及面板截面與厚度優(yōu)化、框架與面板的組合設(shè)計(jì)以及新型連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，最終形成滿足400 kg質(zhì)量目標(biāo)要求的貨箱結(jié)構(gòu)，貨箱框架采用螺接、鉚接等機(jī)械連接，面板采用拼插及鉚接與框架相連，可異地組裝，減少運(yùn)輸成本。

3.3 工藝設(shè)計(jì)

連接是貨箱開發(fā)的關(guān)鍵，傳統(tǒng)瓦楞鋼貨箱普遍采用弧焊，本項(xiàng)目與福田確定技術(shù)方案以螺接、鉚接為主。對于輕量化貨箱，緊固件面臨螺栓松動(dòng)失效、鋼鋁連接腐蝕加劇、受力過載失效問題，分別從防松（圖4）、防腐方面進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

圖4 防松設(shè)計(jì)

4 仿真分析

輕量化貨箱方案設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元分析模型，根據(jù)不同部位用材，添加泊松比、彈性模量、屈服強(qiáng)度材料屬性。按照前文設(shè)定的廂式貨箱仿真工況，設(shè)定約束方式及加載載荷，逐一進(jìn)行12個(gè)工況的仿真分析。

經(jīng)過2輪仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，貨箱結(jié)構(gòu)滿足各個(gè)工況的性能指標(biāo)要求（表1），達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 仿真分析結(jié)論

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 臺(tái)架測試

根據(jù)前文中建立的工程循環(huán)工況，滿載狀態(tài)下，按照Q/FT T034—2018《六通道道路模擬試驗(yàn)規(guī)范》對裝配了此輕量化貨箱的M4輕卡進(jìn)行六通道輪耦合道路模擬243 h耐久試驗(yàn)（等效通縣試驗(yàn)場綜合壞路8 000 km），未出現(xiàn)開裂、斷裂等故障，試驗(yàn)結(jié)果合格。

5.2 整車耐久驗(yàn)證

新開發(fā)的輕量化貨箱搭載某輕型載貨汽車1880輕量化車型上，模擬用戶使用場景，分階段裝載沙袋、沙袋+輪胎、飲料等貨物（圖5），滿載狀態(tài)下，在通縣試驗(yàn)場進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目如表2所示。

圖5 貨物裝載模擬

表2 耐久試驗(yàn)項(xiàng)目

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)8 000 km耐久試驗(yàn)后，貨箱所有鉚接點(diǎn)及螺接點(diǎn)無松掉現(xiàn)象，縱梁橫梁、面板主要零部件無開裂、斷裂問題，滿足試驗(yàn)要求。

6 結(jié)論

輕量化已經(jīng)成為載貨汽車企業(yè)獲得市場競爭優(yōu)勢的“法寶”，通過此載貨汽車輕量化貨箱的開發(fā)，了解了場景工況研究的流程方法，掌握了貨箱實(shí)際應(yīng)用場景及強(qiáng)度要求，以新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝多維度輕量化設(shè)計(jì)，經(jīng)仿真及實(shí)物驗(yàn)證，該輕量化貨箱在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量降低514 kg，得出如下結(jié)論，供相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員參考。

a.載貨汽車作為生產(chǎn)資料，輕量化的開發(fā)要結(jié)合用戶的實(shí)際使用場景，基于用戶真實(shí)使用情況定義出設(shè)計(jì)、虛擬分析以及測試的工況邊界條件才能確保產(chǎn)品投入市場后能夠達(dá)到客戶需求；

b.載貨汽車是客戶的生產(chǎn)工具，要從新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)多維度考慮，不能盲目的選擇質(zhì)量最輕材料，性能和成本無法平衡，要盡可能的做到性價(jià)比最優(yōu)，考慮輕量化后給客戶創(chuàng)造的價(jià)值；

c.輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程，工況研究、材料設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化、試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)環(huán)相扣，需要多方面緊密配合，才能開發(fā)出性價(jià)比最優(yōu)的輕量化產(chǎn)品；

d.貨箱作為載貨汽車的核心零部件，裝載貨物類型復(fù)雜，要充分考慮使用場景，多工況的進(jìn)行方案對比分析；

e.基于工況的輕量化開發(fā)切實(shí)可行，建議將此方法在載貨汽車車架、板簧等部件上推廣應(yīng)用。