摘要：近年來，為應(yīng)對全球氣候變暖和能源危機，節(jié)能減排已然成為汽車技術(shù)發(fā)展的重大課題。有資料顯示，汽車質(zhì)量每減少100kg，每百公里可節(jié)約約0.6L燃油。為此，實現(xiàn)汽車輕量化有著重要意義。目前，實現(xiàn)汽車輕量化涉及到汽車多方面技術(shù)。選擇使用輕量化材料是現(xiàn)在整車輕量化的重要途徑。新實施的《營運貨車安全技術(shù)條件》，其中關(guān)于駕駛室結(jié)構(gòu)強度法規(guī)的要求，使得商用車駕駛室輕量化面臨新的挑戰(zhàn)，本文就現(xiàn)階段輕量化材料在商用車駕駛室上的應(yīng)用以及面臨的挑戰(zhàn)進行了介紹，以為滿足更高要求的輕量化駕駛室設(shè)計提供思路。

關(guān)鍵詞：輕量化材料;商用車;駕駛室

汽車工業(yè)體現(xiàn)了國家的制造業(yè)水平，其發(fā)展也影響著我國能否從制造大國向制造強國的邁進。我國自20世紀80年代以來，對于汽車輕量化的研究已經(jīng)達到了新的高度，其中關(guān)于輕量化材料在商用車駕駛室中的應(yīng)用也取得了長足的進步。

關(guān)于商用車駕駛室的輕量化設(shè)計，應(yīng)當(dāng)滿足駕駛室的安全性能放在首位，進而借助優(yōu)化結(jié)構(gòu)、應(yīng)用新材料新技術(shù)等方法來實現(xiàn)自身重量減少，其中新材料中的輕量化材料的開發(fā)應(yīng)用是當(dāng)前可操作性最強的研究方向之一。在商用車駕駛室中使用的輕量化材料主要有高強度鋼板、輕型合金材料、工程塑料以及復(fù)合材料等四大類。

1.高強度鋼板的應(yīng)用

目前，鋼板依然是商用車駕駛室的主要用材，因此高強度鋼板在商用車駕駛室中的應(yīng)用是可以有效實現(xiàn)輕量化。高強度鋼板，屈服強度較高，抗凹陷性強，且降低料厚不會影響整體強度。因此，根據(jù)以上特性，在中低端是汽車的輕量化處理中，在保證安全性的前提下，通過可以直接通過降低料厚來實現(xiàn)輕量化。另外，利用高強度鋼板的抗凹陷性能可以用來制作駕駛室的易碰撞部位，提高碰撞安全性。

在國內(nèi)，作為代表使用高強度鋼板的是一汽集團。該集團采用抗拉強度為340MPa高強度鋼板代替普通鋼板生產(chǎn)的解放CA1092型載貨汽車駕駛室，零件涉及車門、地板和后圍等41種零部件，其中18種零件使用BIF340含磷鋼板替換DC04鋼板，23種零部件使用BH340烘烤硬化鋼板替換DC03鋼板，高強度鋼板用量達到228kg，駕駛室減重約21kg，東風(fēng)天龍D310駕駛室高強度鋼板用量86.3kg，涉及零件160件，占到總重量的30%。

在國際，先進商用車的白車車身340MPa以上級別高強度剛鋼板，其用材高達40%～60%，甚至部分高達72%。然而，目前國內(nèi)商用白車身仍然以普通低碳鋼板為主。有研究指出，高強鋼是在保障碰撞安全性、經(jīng)濟型、可加工性等綜合性能最佳的輕量化材料，其使用量的多少可以體現(xiàn)汽車水平的高低。目前，我國的平均使用量僅為25%，與國際相比，相差較遠，有很大的發(fā)展空間。

2.輕型合金材料的應(yīng)用

2.1 鋁合金

鋁合金密度約為鋼的1/3，即2.5～2.88 g/cm3，強度和密度均低于剛強度鋼，價格較鋼鐵高，在高端汽車中較為常見。鋁合金具有密度低，耐腐蝕性好，塑性好，抗熱疲勞性好，比強度和比模量高，在駕駛室中作為結(jié)構(gòu)輕量化材料使用效果明顯。

現(xiàn)階段，商用車領(lǐng)域中使用最廣泛的輕型合金材料便是鋁合金。在駕駛室中，應(yīng)用合金的零件涉及到方向盤芯骨、轉(zhuǎn)向柱支架、儀表臺支架等。在國內(nèi)作為的代表東風(fēng)天龍重卡的鋁合金用料已經(jīng)已超過360kg。在國際，美國彼得比爾特的多款車型采用全鋁材來制造料駕駛室，實現(xiàn)了重量輕、燃油效率高的目標，并且駕駛室可靠性和耐腐性表現(xiàn)優(yōu)秀。

鋁合金在力學(xué)性能方面，表現(xiàn)為脆硬性，且導(dǎo)熱性能好，焊接性能差，因此在加工成型方面具有一定的難度高。同時，相對鋼鐵來說，在力學(xué)性能相同的條件下，是使用鋁合金的輕量化效果更明顯。目前如何提高其強度和韌性以及采用何種連接方式是其研究的重點。

2.2 鎂合金

鎂合金的密度為1.75～1.90 g/cm3，是鋼密度的1/4，較鋁密度低，約為鋁密度的2/3。鎂是所有結(jié)構(gòu)材料中在當(dāng)前工程應(yīng)用領(lǐng)域中最輕的金屬，被認為較理想的輕量化材料。鎂合金的密度小，重量輕，強度較低，比強度高，比剛度高熱傳導(dǎo)性能良好，另外，鎂合金還具備一定的電磁屏蔽性能、防輻射性能和阻尼減震性能，是一種前景良好的高質(zhì)量輕量化材料。

近年來，鎂合金在乘用車上的應(yīng)用已經(jīng)得到突破性的進展。在商用車中，已有60多種零部件有使用，其中最具代表性的是在車身及底盤零件，以及各種支架、基座等產(chǎn)品上已被大批量應(yīng)用。在國內(nèi)，商用車領(lǐng)域，作為代表的是東風(fēng)汽車，其車身鎂合金應(yīng)用較早，主要為153系列、東風(fēng)天龍等車型的踏步、轉(zhuǎn)向柱支架等。另外東風(fēng)汽車用鎂合金方向盤芯骨、座椅骨架、儀表臺骨架等方向等方面也在近期取得了進展。

鎂合金零件應(yīng)用于汽車輕量化的優(yōu)點是顯而易見的，但由于其價格較高，耐腐蝕性較差，易氧化燃燒，強度較低以及加工困難等缺點，導(dǎo)致它一直未能得到大范圍的使用。因此，在短期內(nèi)，應(yīng)用鎂合金多應(yīng)用于的零件主要是對耐腐蝕性要求較低、強度要求不高的非結(jié)構(gòu)零部件。

3.工程塑料

3.1 玻璃纖維增強塑料

玻璃纖維增強塑料，即為通常所說的玻璃鋼，密度約為1.4～2.1g/cm3，密度較合金材料更低。具有密度小，比強度高，耐腐蝕性強等特點，因此主要應(yīng)用于形狀復(fù)雜的零部件。在國內(nèi)，中國重汽C7H駕駛室，使用的玻璃鋼復(fù)合材料零部件涉及20余件，涉及頂蓋、保險杠、前面罩、腳踏板和裝飾板等眾多零部件，其總重量超過190kg。

4.復(fù)合材料

4.1 碳纖維增強復(fù)合材料

碳纖維增強復(fù)合材料密度約為1.6g/cm3，密度更小。具有輕質(zhì)高強、耐高溫、耐腐蝕等特點。碳纖維復(fù)合增強材料力學(xué)性能優(yōu)良，其密度雖然較低，但比強度比碳鋼（某些特殊合金高）要高的多。

在汽車領(lǐng)域，碳纖維增強復(fù)合材料已由最初的賽車領(lǐng)域逐漸向民用汽車拓展。目前，已經(jīng)有許多制造商開發(fā)出車門內(nèi)飾板、后視鏡外殼等碳纖維材料零部件，寶馬已經(jīng)取得優(yōu)先突破，比如嘗試在小型車上采用全碳車體。碳纖維增強復(fù)合材料在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用，正日益突破。

碳纖維增強復(fù)合材料由于其高比強度、高比模量，在航天航空以及超級跑車領(lǐng)域得到了良好的應(yīng)用。但由于其價格高昂，成為其大面積推廣所面臨的問題。

4.2玄武巖纖維增強復(fù)合材料

玄武巖纖維（CBF）是將天然玄武巖礦石經(jīng)過高溫熔融以后通過拉制而形成的連續(xù)的纖維[1]。玄武巖纖維具有抗拉強度高、耐熱性能強、化學(xué)穩(wěn)定性好，且具有良好的吸音性能和隔熱性能，是碳纖維的最佳替代品。在汽車領(lǐng)域中，玄武巖纖維增強復(fù)合材料可以用于制造發(fā)動機罩以及對隔音隔熱降噪有一定要求的內(nèi)飾件。

4.3 聚雙環(huán)戊二烯

聚雙環(huán)戊二烯密度為1.03g/cm3，密度更低。是一種具有較高的抗沖擊性和彎曲模量、耐腐蝕性高、有一定耐候性的熱固性工程材料[3]。與玻璃纖維增強塑料相比，雖然PDCPD的拉伸模量較低，但其屈服性和抗沖擊性優(yōu)相對異。在商用車領(lǐng)域，PDCPD材料在引擎蓋、車頂蓋等眾多零部件上的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。

4.4空心玻璃微珠

空心玻璃微珠，體積小，重量輕，空心球形粉末。由于空心玻璃微珠的中空結(jié)構(gòu)特點，使其具有質(zhì)輕隔音隔熱的優(yōu)點。它是近年來新出現(xiàn)的一種新型輕量化材料，可直接填充在多種塑料產(chǎn)品中，同時由于玻璃微珠具有重量輕的特性，填充后產(chǎn)品輕量化效果明顯。

4.5發(fā)泡聚丙烯材料

發(fā)泡聚丙烯材料（EPP）是以聚丙烯材料為基礎(chǔ)的樹脂制備的發(fā)泡塑料。EPP材料，隔熱性、隔音性優(yōu)良，耐熱性、耐腐蝕性表現(xiàn)優(yōu)秀，具備一定的抗震吸能性和良好的回彈性、表面保護性以及尺寸形狀穩(wěn)定性，同時質(zhì)量輕且能夠回收再利用。

在汽車領(lǐng)域中，可用于制造頭枕工具箱、保險杠緩沖塊、門內(nèi)板吸能保護墊以及支撐行李箱支撐等多種零部件，例如在豐田標志的部分車型中已經(jīng)配備了這種材料保險杠。

4.6長玻璃纖維增強聚氨酯反應(yīng)注射成型材料

長玻璃纖維增強聚氨酯反應(yīng)注射成型（LFI）工藝是一種將長玻璃纖維與彩聚氨酯原料混合，之后注入模具然后熱壓成型的工藝。該工藝制備的產(chǎn)品，具有重量輕，剛性強，力學(xué)性能好等特點，常用于制備形狀復(fù)雜的大型薄壁產(chǎn)品。當(dāng)前該技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，以汽車內(nèi)外飾件為主。在商用車主要應(yīng)用于儀表盤、裝飾板、導(dǎo)流裝置等產(chǎn)品中。

4.7 PHC復(fù)合材料，

PHC為夾層結(jié)構(gòu)，在蜂窩蜂窩夾芯材料的兩面鋪設(shè)纖維毯，經(jīng)聚氨酯噴射系統(tǒng)浸潤后在模具中熱壓成型。與傳統(tǒng)板材相比，PHC材料重量輕，剛度高，具有顯著的耐火性、抗震性和吸音性。

PHC材料厚度通常為6～30mm。在不改變表層厚度的前提下，可以通過調(diào)整芯材厚度來實現(xiàn)產(chǎn)品厚度的改變。PHC材料的強度與芯材厚度正相關(guān)成正比，芯材越厚，則強度越高。由于單位體積芯材的重量相對小，在相同的承載能力下，PHC加成可以大大降低自身重量。與傳統(tǒng)材料相比，PHC材料可減重約30%～50%。

在國內(nèi)，中國重汽C7H車型頂導(dǎo)流罩通過質(zhì)量提升，使用PHD材料作為導(dǎo)流罩。這種導(dǎo)流罩表面層和底層兩部分組成，表面層成為共擠板復(fù)合材料吸塑件，本體層采用PHC材料，包括了蜂窩夾芯材料和玻纖材料，同時通過噴涂聚氨酯材料在模具熱壓中成型，使本體層與表層緊密復(fù)合。相比原玻璃鋼材料，這種新導(dǎo)流罩，外觀質(zhì)量都得到明顯提升，同時重輕量化效果明顯。

現(xiàn)階段，結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料主要有兩種使用方式，一種帶有骨架的預(yù)成型增強塊在駕駛室焊接預(yù)置于空腔內(nèi)部，之后后隨架子是一同進入涂裝線，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)增強;另一種則采用雙組份結(jié)構(gòu)增強泡沫發(fā)泡膠，可在駕駛室下線后直接室溫灌注發(fā)泡，實現(xiàn)空腔增強。

5.輕量化材料在商用車駕駛室所面臨的挑戰(zhàn)

隨著汽車輕量化技術(shù)全球化的到來，輕量化材料在商用車駕駛室中的應(yīng)用面臨著許多機遇和挑戰(zhàn)。首先，輕量化材料成本高。高成本制約了各種輕量化材料在商用車駕駛室中的應(yīng)用。為此，需要不斷研發(fā)出較低成本的新型輕量化材料，同時優(yōu)化駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計。其次，維修難度和成本較高。當(dāng)輕量化材料損壞時，需要專業(yè)的維修設(shè)備和技術(shù)人員。最后，研發(fā)力度不足。這項應(yīng)用涉及面較廣，需要多方協(xié)調(diào)、多學(xué)科融匯貫通，進而系統(tǒng)的進行研究開發(fā)。

結(jié)語

在商用車的駕駛中采用，采用輕量化材料，對于為實現(xiàn)汽車行業(yè)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展目標有著深遠意義。輕量化材料研究使用也已成為汽車行業(yè)的重要研究方向之一。隨著研究的不斷開展，新的輕量化材料將如雨后春筍，現(xiàn)有材料性能的開發(fā)也將得到提升，但是每一種材料都不可避免的存在著各自優(yōu)缺點。面對汽車輕量化材料在商用車駕駛室應(yīng)用上的困難，汽車行業(yè)應(yīng)當(dāng)抓住汽車材料全球化的發(fā)展機遇，對輕量化材料的應(yīng)用特性進行充分的深入研究，同時借鑒輕量化材料應(yīng)用的成功經(jīng)驗，真正發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢，在保證駕駛安全性的基礎(chǔ)上，推進汽車輕量化項目發(fā)展到新的水平。

參考文獻：

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[2]余浪， 代詩環(huán)， 王樂勇， et al. 重型商用車駕駛室輕量化技術(shù)應(yīng)用[J]. 汽車科技， 2017（2）：103-108.

[3]李莎. 某汽車駕駛室骨架結(jié)構(gòu)分析與輕量化設(shè)計[J]. 汽車實用技術(shù)， 2018， 276（21）：196-198.

基金項目：安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)項目"某商用車駕駛室輕量化CAE分析"批準號 KJ2019A1064的階段性研究成果

作者簡介：孫然（1982—），男，漢，安徽六安，講師，碩士，研究方向：汽車設(shè)計。