10.16638/jki.1671-7988.2017.14.024
微型货车厢式货厢轻量化的设计
周钊，康春香，顾鴃
（安徽江淮汽车集团股份公司，安徽合肥230601）
摘要：厢式货车以其载货多、密封性好的特点已成为城市物流的核心力量，各大物流公司对车辆的动力性、燃油经济性、耐久性以及安全性的要求也越来越高，车厢作为厢式货车重要部件，其轻量化工作已成为一种必然的趋势。本文通过对厢式车车厢各部分结构及新材料的研究，设计了一款新型微货车厢，为厢式车车厢提供了一种有效的轻量化设计方法。
关键词：厢式货车；车厢；轻量化；新材料
中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)14-69-04
Lightweight Design of Mini Car Van Van
Zhou Zhao, Kang Chunxiang, Gu Jue
( Anhui JiangHuai AutoMobile CO., LTD, Anhui Hefei 230601 )
Abstract: Box type truck become the core strength of urban logistics, because it has the characteristics of carrying cargo and good sealing, the vehicle dynamics fuel economy durability and safety are higher and higher requirements for the logistics company, as an important part of a box type truck,lightweight work is a certain trend. Research on the structure and new material of the car, we design a new type of van carriage, it is an effective method for the design of the lightweight container box.
Keywords: van; carriage; light weight; new material
CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)14-69-04
前言
随着世界汽车工业水平的快速发展，节能和环保日益得到广泛的关注，着眼于可持续发展，节约资源、减少环境污染已成为世界汽车工业有待解决的两大问题。研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，降低汽车质量可有效降低油耗以及排放。大量研究表明，汽车质量每下降10%，油耗下降6-8%，排放下降4-10%，因此，汽车轻量化已经成为汽车技术的前沿和热点。
传统厢式车车厢使用钢材料制造，在整车质量中占较大比例，导致整车油耗及排放均偏高。本文以一款微型货车厢式车车厢为研究对象，从结构设计、材料选用方面对其进行轻量化研究，达到厢式货厢轻量化的设计要求。
1新材料及其性能介绍
铝属于轻金属，密度为2.7g/cm3，仅为钢材密度的1/3，其主要特点是：高的导热、导电、耐腐蚀性。但是抗拉强度只有7-13Mpa，因此为提高其强度加入Cu、Mg等金属，形成铝合金，铝合金的抗拉强度可接近45#钢的水平，回收率可达到90%，利于保护环境，有效地节约能源。根据美国铝业学会的报告称，汽车上每使用0.45Kg铝材就可减轻车重1Kg，从理论上讲，铝制汽车可以比钢制汽车减重40%左右。
HOLYPAN板材，是由面材和中间蜂窝芯材通过热合而成，其中中间蜂窝芯材由PP组成，起结构强度作用，面材
作者简介：周钊，男，(1989-)，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。现从事车身设计工作。
周钊等：微型货车厢式货厢轻量化的设计70 2017年第14期
由PP和玻璃纤维交织而成，PP可与芯材通过加热加压热合一次成型，玻璃纤维交织作为筋加强面材强度。此板材具有重量轻、强度高、防水防潮、耐候性强、食品级应用、抗化学侵蚀性强、循环再利用等特点。
2 货厢结构设计
厢式货厢结构简图如图1所示，轻量化设计主要集中在地板、前围、侧围及顶盖这几个结构。
图1 厢式货厢结构简图
1.地板总成
2.左侧围总成
3.右侧围总成
4.前围总成
5.顶盖总成
6.后门框及后门总成
2.1 地板总成
货厢地板总成作为货厢的承载部分，其强度和可靠性质量对货厢质量起关键作用，鉴于传统铁质材料在可靠性等方面的明显优势，此厢式货厢地板总成在设计时采用结构优化与应用高强钢的设计思路。
2.1.1 地板结构说明
相比传统货厢地板总成的纵梁式结构（图2），此厢式货厢地板总成首次采用无纵梁式结构（图3），地板与车架间直接使用螺栓进行连接，横梁间距分布在325mm-360mm之间，货厢横梁上焊接有共计10个货厢安装支架（图4），支架与横梁材料为高强钢B510L，不仅提升了货厢的装配方便性，也降低了货厢地板总成的重量，达到了轻量化的效果。在未设计货厢安装支架的货厢横梁上安装横梁缓冲垫，可有效地将货厢的载荷均匀传递给车架。
图2 传统货厢纵梁式结构地板总成图3 无纵梁式结构地板总成
图4 货厢固定点示意图
2.1.2 地板横梁的设计
货厢横梁作为货厢的主要承载件，既要有较高的强度，又要有一定的抗弯曲能力。由于与车架连接位置除受到来自载重物所施加的力外，还受到车架传递给货厢的力，受力较为复杂，所以采用U型梁设计，而与车架连接位置外的横梁，为了达到轻量化设计，均采用Z型结构设计，对比两种结构的横梁（图5），计算其抗弯截面系数（W Z）并模拟其受到的应力状态如下：
图5
例如：a=22.5，b=25，c=108 d=40 f=108 t=2.5
计算各部分面积为：
A1=(c-d)×t=170 A2=2×f×t=310 A3=(d-2×t)×t=87.5
计算各部分的面积矩为：
S1=A1×(f-t/2)=10327.5
S2=A2×f/2=9610
S3=A3×t/2=109.375
计算此三部分相对Y轴的惯性矩为：
I1y=(c-d)×t3/12=88.54
I2y=2×t×f3/12=99303.33
I3y=(d-2×t)×t3/12=45.57
则可计算此截面形心纵坐标为：
e=∑SZ/∑A=35.32
计算此三部分对形心轴的惯性矩为：
D1=A1×(f-t/2-e)2=109894
D2=A2×(f/2-e)2=5798.45
D3=A3×(t/2-e)2=101596
可依此计算出此截面对形心轴的惯性矩为：
Iy=∑Iy+∑D=316726.14
则此U型截面的抗弯截面系数为：
Wy1=Iy/y max=11871.29
依据同样计算方法可计算得Z型结构的抗弯截面系数为：
Wy2=4529.1
设计货厢载重为1000kg，横梁数量为10根，横梁长度为1600mm，则可做如图6所示模拟：
图6 横梁受力模拟
汽车实用技术
71 2017年第14期
在3.5g垂直工况下，F=100×10×3.5=3.5KN，可计算出横梁两端弯矩为：
M=800×3500=2.8×
则U型横梁所受应力为σ1=M/Iy=8.84Mpa；
同理，Z型横梁所受应力为σ2=19.5Mpa；
模拟状态下，U型横梁和Z型横梁所受应力均小于材料的屈服强度，故满足设计要求。
通过对比发现，采用Z型横梁的设计不仅能满足强度的要求，且其重量仅为U型横梁的一半，因此，货厢地板总成采用Z型与U型横梁组合使用的设计既能满足强度要求，也能达到轻量化目的。
2.1.3 货厢地板总成强度分析
根据货厢地板总成数模建立有限元分析模型，使用ANSA、NASTRAN和HYPERVIEW等CAE分析软件，模拟汽车在实际行驶过程中驱动、制动、转向、单轮（左前轮）悬空和垂直冲击五种工况下的受力情况，得到货厢地板总成应力云图如图7所示，以及各工况下零件所受最大应力及部位见表1所示。
图7 货厢强度分析应力云图
表1 各工况下零件所受最大应力分布表
根据表1分析可知，驱动、制动、转向和单轮悬空工况下，货厢地板各部件安全系数均大于1.5，垂直冲击工况下货厢地板总成各部件安全系数大于1.0，满足设计要求。
2.2 前围及侧围总成
2.2.1 材料选用
货厢前围及侧围总成均选用铝合金与HolyPan板组合的形式设计，图8为三种常见材料重量状态对比，从图中可以看出每平方25mm厚度的HolyPan板比厚度为1.2mm的钢板轻约5kg，即使用25mm厚度的HolyPan板替代传统钢板，可有效实现货厢的轻量化。
图8 三种常见材料重量对比
2.2.2 前围及侧围总成结构设计
与传统铁制厢式货厢相比，使用铝合金边框与HolyPan 板组合的前围及侧围总成结构较为简单，HolyPan板与铝合金间使用螺栓进行打紧，如图9～13所示，这就为后续组装提供了方便性，同时传统厢式货厢大多使用CO2焊和点焊，设备及厂房投入相对此种新型结构的侧围总成非常高，且易发生由于焊接质量问题所导致的焊点、焊缝开裂等问题，另由于传统厢式货厢各分总成间亦采用焊接，故其对总成焊接精度要求较高。
图9 新型侧围总成结构示意图图10 新型前围总成结构示意图
图11 侧围总成图12侧围总成图13 前围总成
断面图A-A 断面图B-B 断面图C-C
2.3 顶盖总成
顶盖总成由左边框、右边框、前边框和顶盖组成，如图14所示。顶盖为HOLYPAN板，左/右/前边框均为
铝型材，顶盖三面均用密封胶与边框粘接，保证了良好的密封性，避免漏雨情况的发生，其与侧围搭接断面如图15所示。
图14 顶盖总成结构示意图图15 侧围与前围搭接断面图
1.左边框
2.右边框
3.前边框
4.顶盖
5.顶盖总成
6.侧围
周钊等：微型货车厢式货厢轻量化的设计72 2017年第14期
2.4 重量对比
将传统货厢与新型货厢重量进行对比，如表2所示：表2 传统货厢与新材料货厢重量对比表
通过上表可以看出，新材料货厢与传统货厢相比，重量降低约203Kg，降重比达到36%，轻量化效果明显。
3 结论
本文从结构设计、材料选用方面对其进行轻量化研究，设计了一款新型微型厢式货厢，新型厢式货厢与传统铁质货厢相比，重量约降低了203Kg，降重比为36%，轻量化效果明显，达到货厢轻量化的目的。
1）货厢地板总成在设计时除要求具有较高强度外，其结构设计也需将轻量化纳入设计范围内；
2）铝合金材料因其具有密度小、耐磨、耐腐蚀、回收率高等特点，在汽车制造中的使用比例正越来越高，将铝合金材料应用于汽车制造中，可以明显降低汽车重量，此外，铝回收方便，是除钢铁外能最大限度回收利用的材料，对环境保护工作而言是十分有利的；
3）新型非金属材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、耐腐蚀等特点，其在汽车轻量化设计中的应用也越来越广泛，对汽车轻量化贡献较大；
4）汽车轻量化作为汽车发展的必然趋势，已受到越来越多汽车厂商的青睐，汽车轻量化技术的应用将提升汽车产品的竞争优势，是把握未来汽车行业脉搏的重要手段。
参考文献
[1] 唐仕鹏，唐国香，超高强度钢在汽车车身上的应用[J].汽车工艺与
材料,2010.安徽江淮汽车集团
[2] 李军，霞，李中兵.汽车轻量化应用技术探讨.[J]汽车工程与材
料,2010.
[3] 冯奇，范军峰，王斌.汽车的轻量化技术与节能环保.[J]汽车工艺与
材料,2010.
[4] 陈振，王庆武.材料力学.[M]北京航空航天大学出版社[J],2011.
[5] 汽车工程手册设计篇.北京：人民交通出版社,2001.
（上接第54页）
图13 机构速比与负载关系图
对于变速比机构，需要考虑到各种极限负载工况下，速比是否能够满足在全工作行程内，输出扭矩大于负载。4 总结
在小型电机驱动机构的设计中，需要把握以下几点：
1）需要明确电机在所有扭矩段下的性能特性，合理设计机构，使电机工作在最大功率点附近；
2）结合使用者的需求，合理设定技术指标；
3）负载的变化趋势与总速比的变化趋势契合度越高，机构的输出综合性能越好。
参考文献
[1] 朱家诚.机械设计基础.[M]合肥工业大学出版社.