从设计的角度来看，商用车车架结构的轻量化机会和材料选择
Peter Seyfried bull; Ed Juarez Mendes Taiss bull; Alexandre Costa Calijorne bull; Fei-Peng Li bull; Qi-Feng Song
摘要：本文着重于对商用公路车辆车架结构的轻量化机会的估计。这种估计是于简化的静载荷情况，其对于车架结构的尺寸确定起主要作用，因此这些简化不能使结论的一般有效性成为问题。在这种情况下不同材料的比较显示轻金属与钢相比不显示任何重量减轻优点，而与材料无关的拓扑优化对于车架结构具有比材料的简单改变更多的重量减少潜力。考虑到与生产和组装成本直接相关的部件复杂性的限制，梯形车架结构已经成为当前技术设计的现状。因此，本文还着重关注节点设计和垂直载荷感应的基本规则，以便将这种设计的重量保持尽可能低。来自制造商的实例表明，商用车辆的重量可以减少10％，并且使用高强度钢与创新的生产方法（例如辊轧成型）相结合的车架结构的主要部分可以减少30％。
关键词：梯形车架； 轻量级； 商用车； 节点设计； 高强度钢； 配置文件部分； 垂直弯曲； 拓扑优化
- 车架结构的设计要求
所有部件和模块所附接的商用车辆的车架结构是整个车辆的中央接口。 它通常用于商业道路车辆的大批量生产，由原始设备制造商（OEM）完成，在可驱动的底盘上安装有驾驶室，车轴和动力传动系模块。 然后，根据车辆的特殊用途，这种可驱动的底盘由小型和中型公司以不同的上部结构变型完成，具有小批量生产。因此，框架必须易于适应不同种类的上部结构，并且必须承受不同的载荷谱 由这些不同类型的上层建筑施加。
商用车的主负载箱是垂直弯曲。 为了计算这种载荷情况，可以将货车减小到搁置在两个支撑件上的梁的二维（2D）静态模型，所述梁由来自上部结构和货物的单个或均匀分布的竖直载荷竖直弯曲。 由道路颠簸引起的动态力以及诸如车辆超载之类的滥用通过静态负载与基于经验的影响因子的乘积被并入静态模型中。 对于西欧的常规公路车辆，这个因素通常假定为1.3，但在新兴市场中可以高达2至3。 它还取决于当地市场要求和客户行为。
框架结构必须是柔性的以适应扭曲运动，变形角度达20°，特别是用于建筑或采矿区域。 在其他情况下，它与刚性上层结构（如箱子）结合。 在这些情况下，框架的变形角度通常不超过2，这是铺路的标准，而扭矩的主要份额被轴悬架[1]占据。 悬挂部件和电缆的组装必须容易进行。 此外，结构的涂层和腐蚀保护应该以简单的方法以低成本是可行的。
经验表明，关于上述要求的用于商用车辆结构的最佳的，即最灵活的和成本有效的设计是所谓的梯形框架结构。 它包括具有开口U形截面的两个纵向梁，这些纵向梁通过优选等距的横向构件横向连接，该横向构件具有封闭或开放的部分。 这些给出了在平面视图中的典型梯形的整个结构。 在一些特殊情况下，纵向梁需要被例如用于半拖车或翻斗车的曲柄，通过局部扩大的截面面积提供局部增加的弯曲刚度，特别是在高准时负载感应的区域。 另一种可能的局部加强可以通过插入加强板实现[2,3]。
- 各种材料的轻量化潜力比较
最佳轻质材料的选择必须在设计要求和施加到结构的载荷谱的上下文中进行。 轻质势必须在由材料本身给出的约束，可用的设计空间和实际部件的可制造性之间示出。 总体成本估算不应减少到材料本身，并且还应考虑生产，装配，工具，维护和其他成本。 因此，它应反映其对客户的总拥有成本的适当份额。
由Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen进行的IISI研究[4]详细比较了不同载荷情况下车体不同部件的钢和铝的质量减少潜力。 尽管与低碳钢参考结构相比，铝的总体重量减少潜力高于高强度钢（HSS），但是它非常依赖于特定部件的主负载情况，即铝的特定重量减轻优点 。可以为此组件找到HSS。
商用车框架的主要载荷工况是垂直弯曲，其可以简化为搁置在两个支撑件上的梁的简单模型，距离l等于车辆的轴距，中间的一个点载荷F反映了最差的 静载荷情况（见图1）。 轮廓部分应当根据其高度h和宽度b是不变的，假定仅存在有限的设计空间，并且与其它材料相比，没有材料应该利用更多设计的空间。 唯一的变量应该是所需的型材截面厚度t和材料性能，即屈服强度R e和密度q。 在不损害这种方法的一般有效性的情况下，我们还可以假设h = b以使计算尽可能简单。
截面面积A可以估计为：Aasymp;3bt；
第二转动惯量I主要取决于可以估计的角度的贡献：Iasymp;0.45(b^3)t；
截面模量W为：W=2I/b=0.9(b^2)t；
在施加负载F的位置处在梁的中间发生的最大弯矩M可以估计为：M=Fl/4；
最大应力sigma;结果为：sigma;=M/W=Fl/[3.6(b^2)t]；
我们假设对于简单静载荷情况，最大应力sigma;不应超过材料的屈服强度Re。 如果我们设置sigma;= Re，我们可以计算出剖面所需的厚度：t=Fl/[3.6(b^2)Re]；
所需的厚度给出了所需的梁的质量m：m=rho;Alasymp;3rho;btlasymp;5rho;F(l^2)/(6bRe)；
因此，所需质量与材料的密度和屈服强度的比成比例，并且可以估计为：
masymp;rho;/Re。
图1.简化垂直弯曲载荷工况模型
基于承受最大力所需的必要质量（厚度）的两种材料之间的比较由比率lambda;表示：lambda;=rho;1Re2/(Re1rho;2)；
这种情况的应用假设，唯一的限制是材料的强度忽略由弹性变形给出的约束。 如果超过一定的弹性变形，可动部件如拉紧板或甚至简单的尾板可能被卡住。 因此，在现实条件下，必须设定最大变形极限。在梁的中间的最大变形f：f=F(l^3)/(48EI)；
其中E代表杨氏模量，即材料的刚度。 考虑到不应超过一定程度的变形，所需的厚度可以计算为：t=5Fl^3/[108E(b^3)f]；
这导致所需的质量：m=15rho;F(l^4)/[108(b^2)Ef]；
因此，在这种情况下，所需质量与材料的密度和杨氏模量的比成比例，并且可以估计为：masymp;rho;/E；
基于不超过弯曲极限所需的质量（厚度）的两种材料之间的比较由比率lambda;表示：lambda;=rho;1E2/(E1rho;2)。
表1包含不同材料的机械性能和轻质潜力的概述。 软钢S235是参考，k值低于1表示更好的性能。
表1材料性能和轻量化潜力的比较
仅考虑必要质量和强度lambda;的比率，高强度钢和轻金属是有利的。铝处于与高强度钢相同的水平。为了将最大弯曲限制在一定值（kmE），轻金属需要更多的质量，除了碳纤维增强塑料（CFRP）。在这种刚度驱动的情况下，使用高强度钢与低碳钢相比不产生优点。重要的方面，如材料优化设计，金属疲劳，特别是在接合区域，成本，回收等，已被忽视。由ThyssenKrupp子公司Hoesch Hohenlimburg推出的新型HSD 700 HD钢等级为具有高延展性（约20％伸长率）和低碳含量（最高0.06％）的超高强度微合金钢等级开辟了新的轻量级潜力。这些优异的材料性能可以通过使用创新的低碳钢化学与增加的铌微合金组合实现。
- 几何驱动轻量化结构
通过仅改变具有相同材料的截面，重量与截面面积成比例地变化。 目标是选择最佳的几何形状，以最少的材料使用达到最大负载能力 - 独立于任何特定材料。 这种优化方法的一个主要约束是越薄的部分设计的屈曲风险增加[6]。 没有提出一般的有效性，悬臂梁的简单模型可以用来演示轻量级的设计潜力。
在整个射束长度上保持恒定的圆形全材料截面被作为开始的参考（参见图2）。 为了节省重量，第一步将以使材料使用最小化的方式改变截面，同时保持截面模量W在相同的水平。 该示例表明，使用U形轮廓可以将重量减少到基准的三分之一。通过进一步扩展设计空间和进一步减小厚度，理论上可以进一步减轻重量。 然而，由于屈曲和其他较高程度的稳定性问题，容易且成本有效的设计将是不现实的。
下一步将是长度上的截面变化，以便达到均匀的最大允许应力水平r，以最佳地利用材料强度。 具有可变截面的曲柄梁的制造通常通过在腹板上焊接单独的翼缘来完成。 德国拖车生产商Schmitz Cargobull [7]最近推出了柔性辊轧成形作为半挂车梁系列生产的新制造方法。 这种创新的制造方法避免了在高应力区域的焊接，并减少导致残余应力的热变形。
最后，最佳解决方案是更换卷材，其仍然显示不等的应力分布。 这可以通过沿着高应力区域引导的支柱来实现，其通过有限元分析来识别。 与全截面参考相比，这将使重量减小到小于参考截面的10％。 然而，从组装的观点来看，该解决方案是不实用的，因为还需要腹板沿着侧构件固定许多附接部分。
图2.不同阶段的拓扑优化悬臂的质量减少
轻巧结构设计越精细，在现实生活中使用负载谱的深刻知识越重要。这是因为结构变得越来越容易抵抗在优化环路中没有考虑的任何负载。已经有几个研究证明在现实生活条件下可以实现基于简化理论模型的上述轻量级潜在假设。 ThyssenKrupp Steel Europe [8]对轻型汽车框架进行的轻量化设计研究表明，先进的高强度钢材与创新的半成品零件（如定制产品）相结合，可以实现与先进的铝材设计几乎相同的重量减轻，一半的成本。瑞典钢铁制造商SSAB在卡车和拖车的几个轻量化研究中证明，通过在结构中使用先进的高强度钢，重量减少潜力大于20％[9]。这在非常适中的材料成本增加。然而，这种适度的成本增加在车辆使用阶段过度补偿，这是由于节省燃料和更高的负载能力。
- 节点设计注意事项
节点设计是由不同规格组成的结构的轻量性能的关键点。大多数结构故障发生在部件连接的区域，尽管故障原因可能不同。在许多情况下，材料本身不是问题的根源。然而，接合过程和接头的设计提供了在设计拓扑中的许多潜在风险。 以下用于设计不同节点类型的基本规则可以最小化这些风险。
最常见的节点类型是纵梁和横梁之间的交叉点。 当这些部件接合时，非常重要的是，当结构被加载时，翼部的自由翘曲是可能的。
如果焊接阻碍了负载下的自由运动，则在焊缝中会出现高应力峰值（见图3）。 因此，在短时间之后将发生疲劳裂纹。 最佳解决方案是仅焊接两个型材的腹板，如图4所示。
图3.由扭转时阻塞自由翘曲引起的应力峰值[10] 图4.下横梁和下横梁的连接[11]
相同的规则适用于垂直支柱。 同样非常重要的是，两个轮廓的连接区域不会在完全打开的轮廓截面的顶部产生局部闭合的截面（参见图5）。 这将导致刚度的突然变化，并且因此在该区域中引起应力峰值。
图5.下部和上部b垂直支柱附件
关于垂直载荷被引入开放轮廓截面的另一个重要方面是由该垂直载荷引起的附加扭矩。 垂直力线距离剪切中心的距离越大，由垂直力引起的扭矩越大（参见图6）。 理想地，应当在靠近剪切中心处引入垂直力，例如通过将控制台附接到该点附近。
图6.U形截面的共中心的位置
在一些情况下，需要局部加强的开放轮廓以支持其在高单负载下坍缩。 网板应该以这样的方式放置，使得剖面部分不是部分关闭的，以避免刚度的突然变化（参见图7）。
图7.用于开放截面的垂直加固的下部和上部解决方案
巴西矿业公司（CBMM）通过从低碳钢到高强度铌微合金钢（其屈服强度超过700MPa）进行升级改造，从而减少了零件厚度。 此外，通过设计改变消除了焊接区域中的焊接浓度和应力峰值。实现了大于1kg / kg的重量减少，导致1.5t的增加的负载能力（见图8）。 升级的钢铁和制造业的成本较高导致卡车的价格上涨。 然而，由于增加的装载能力，降低的燃料消耗和减少的轮胎消耗，这种附加成本可以在不到一年的操作中得到补偿。
图8.通过升级为高强度钢减轻自卸车重量
- 中国卡车制造商的成就
东风汽车公司在过去几年中实现了多种减重解决方案，利用设计变更和材料升级。 主框架和角板的拓扑变化分别达到约84kg和96kg的重量损失。 在框架区域使用高强度钢已经建立了以下水平：
bull;纵梁：600-700 MPa
bull;横梁：510-600 MPa
bull;托架：440-510 MPa
通过从原来的常规碳钢的这种材料升级实现的重量减少为大约150kg。
在自卸卡车中，框架梁计可以随后从原来（8 8mm）减小到（8 6）mm和（8 4）mm。 通过使用热处理钢，进一步的拉伸强度增加到1 200 MPa允许应用8 mm单一规格梁。 这与（8 4）mm梁结构相比节省了25％（140kg）的重量。 然而，通过热处理的显着强度增加在抗疲劳性的类似增加中没有反映。
当使用D700L超高强度钢代替原来使用的D510L钢级时，自卸车的重量可以减少多达250公斤。 用Q2-Q3钢材代替箱体部分的薄钢化高强度钢，重量减少了1 840公斤（见图9）。
图9.通过升级为D700L钢级（东风），自卸车重量减轻250公斤
最小屈服强度为500MPa的HSS由宝钢股份
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