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摘要：在治超背景下，自重轻的重型商用车在市场需求上呈现出爆发性增长，近5年，重型商用车底盘经过厂家的不断努力，减重明显。而重型商用车驾驶室的重量受法规升级等影响，却出现了一定幅度的增加，因此如何满足法规要求，保证安全性和成本可控的前提下，降低驾驶室重量，是重型商用车轻量他的关键点。本文重点阐述了某款重型商用车驾驶室的轻量化技术应用思路。
关键词：重型商用车；驾驶室；轻量化
1.概述
以重型商用车为例，目前以6X4的牵引车为例，自重已经由原来的9.5吨降为目前的8.7吨左右，但是减重的贡献都是来自于底盘的轻量化。驾驶室重量因受可靠性要求的提升以及碰撞法规升级的限制，重量不降反升，以高顶双卧驾驶室为例，重量由约900kg升到了目前的约1100kg左右，因此商用车驾驶室的减重对于下一步整车减重意义明显。
以高顶双卧驾驶室重量主要由以下图1中的5部分构成，其中白车身、内饰和外饰占了驾驶室重量的86%，因此如果能够降低此三部分的重量，则驾驶室轻量化效果相应会比较明显。
2.轻量化技术
2.1自车身轻量化技术
2.1.1拓扑优化技术的应用
在白车身概念设计阶段，通过采用拓扑优化的方法，对车身结构进行优化，以得到最轻重量，最优的车身承载骨架和最有效的力的传递路径。要进行拓扑优化设计，首先要构建拓扑优化空间，可以通过外造型面和内部空间布置进行设置，以实体单元建立拓扑优化设计域，见图2：
综合考虑重量、静态弯曲、扭转刚度、正面撞击、顶部强度及后围强度等碰撞工况。通过将弯曲刚度、扭转刚度、前围打击、顶压和后围打击等工况加权到一个目标函数，得到拓扑结构如图3所示：
通过对优化的结果的解读，结合工程经验和车身制造工艺，将拓扑结果转化为满足空间布置和制造工艺的有效设计，形成新开发车型的白车身骨架。
2.1.2高强度钢板的应用
国内商用车白车身大部分是以低碳软钢板为主，少量采用了340MPa强度级别的低合金高强度钢板，而更高级别的先进高强度钢以及热冲压成钢在国内尚没有实际应用。而国际上，先进商用车的白车身340MPa以上级别的先进高强钢用量达40%-60%，有的甚至达到70%。不仅510MPa级别，甚至590MPa、700MPa和980MPa级别的先进超高强度钢也都有应用。
2.1.3激光拼焊板的运用
利用激光焊接技术生产的拼焊板具有巨大的优势，主要体现在以下几方面：
（1）对最终车身重量的减轻。在汽车结构件的应用中，使用激光拼焊板，消除了使用多余加强件的需要，从而带来整体车身重量的降低。
（2）减少汽车零部件的数量。
（3）原材料利用率大大提高，废料大大减少。
（4）结构功能得到大大提高。通过使用激光拼焊技术，由于将材料的强度、厚度得到合理组合，使结构的刚度得到大大改善。
以侧围总成为例，通过采用激光拼焊板，并适当提高零件强度，重量减轻约5kg。
2.2外饰轻量化
内外饰的轻量化设计的重点是材料及工艺的优化，不能因为轻量化而提高成本。
当前国内商用车驾驶室外饰零件的选材基本上是非金属材料，主要构成如图8。由于外饰件需与车身体同色，且零件较大，所以SMC在外饰零件选材上占多数。
2.2.1SMC零件优化设计
根据产品的型面、边界、固定点以及具体的受力承载方式构建设计初步的加强结构，然后用CAE软件对初始3D模型进行有关刚度、强度及模态方面的分析计算，接下来根据计算的结果对原始模型进行拓扑优化，采用削强补弱的基本方法修改数据，然后对优化后的结构模型重新计算分析，比较拓扑优化前后结构的性能指标，分析拓扑优化方案的合理性，在经过反复几轮优化和比较后，得到最终的理想状态。
保险杠设计时在优化前的产品为5mm均匀厚度，但根据固定点位置，结合产品的踩踏要求，对结构可以做优化调整，考虑到SMC工艺制品的特殊性，对产品厚度做了以下调整，如图9所示：
将①所指非受力不可见区域由5mm改为3mm，将②位置踩踏区域5mm改为6mm，将③大灯沉台区域由5mm改为3mm，将其他区域由5mm改为4mm！
经过厚度优化，产品的重量减少5.96KG，同时各项项目性能指标都满足产品设计要求。
2.2.1新材料和新工艺的应用
2.2.1 PBT PET 玻纤的应用
SMC属于热固性材料，无法回收，且密度基本都在1 8-2.0g/cm3右，采用PBT、PET和玻璃纤维共混的方法，得到的制品不仅外观好，而且具有优良的耐热性、刚性、强度和尺寸稳定性，同时解决了材料回收的问题。表2给出了两种材料之间的性能对比。
通过在导流罩上采用该材料，降低重量约8kg，见图10：
2.2.2 V-PHC工艺的应用
在外饰件上，通过采用V-PHC工艺，见图11，零件刚性好，可以减少零件数量，降低重量，外层的复合板为ABC和PMMA复合，可以实现各种颜色，因而可以免喷涂。
采用V-PHC工艺的零件的面密度为3800g/m2，远低于SMC的面密度10000g/m2。
在车门下装饰板上采用V-PHC工艺，将原设计内外板结构直接改成单层外板。减少了零件数量，见图12，左右件共实现了减轻重量9kg。
2.3内饰轻量化
2.3.1LFI硬发泡工艺
LFI喷射系统将聚氨酯和被切断的玻璃纤维同时喷人开放的模具中，被切碎的玻璃纤维从外部切入聚氨酯喷射流中，接着在闭合的模具中进行发泡成型。在最终产品中，不规则的玻璃纤维分布使得产品各承载方向的机械强度得到提高。
LFI硬发泡工艺因其密度小，刚性好，主要在內饰产品开发中用于替代传统的PP 骨架的结构设计方案，图13为LFI硬发泡零件结构断面，表3给出了两种工艺的性能对比。
通过在仪表台和高架箱上应用此方案，减少零件数量，提升装配效率，降低了总成重量，图14给出LFI硬发泡高架箱，降低重量8kg，和图15给出了LFI硬发泡仪表台，降低重量10kg。
2.3.2玻纤增强夹层技术
玻纤增强夹层技术是将传统工业的蜂窝状的或瓦楞状的芯材（纸质、铝、PP、PC或泡沫）在芯材的上下两面各覆盖一层玻璃纤维毡（或其它纤维毡），然后由聚氨酯喷涂系统浸润，见图16。将该夹层结构放人一个加热好的模具中，并在130℃-140℃的温度下直接模压成型。通过喷涂聚氨酯材料并运用模塑技术进行有效复合，形成强度更高并比传统板材更轻量化的聚氨酯复合材料。该项技术具有特殊加工功能的特点：重量轻的同时承重能力强，显著的吸音和防火性能。
通过将该工艺应用在卧铺轻量化上，图17给了结构断面，在不改外形尺寸的前提下，减轻重量9kg，表4给出了具体减重构成。
3.总结
3.1轻量化效果
通过在新技术、新材料和新工艺的应用，在设计过程中共实现驾驶室轻量化效果见表5。
3.2未来展望
商用车驾驶室未来轻量化技术选择上，一方面需基于现有成熟的材料和工艺进行进一步优化挖潜，另一方面是结合商用车驾驶室零部件的特点，应用新的技术和工艺，如PP微发泡部件，镁铝合金的仪表板管梁，超高强度的座椅骨架等。需要主机厂和供应商共同来展开工作，方能取得更大的轻量化效果。
关键词：重型商用车；驾驶室；轻量化
1.概述
以重型商用车为例，目前以6X4的牵引车为例，自重已经由原来的9.5吨降为目前的8.7吨左右，但是减重的贡献都是来自于底盘的轻量化。驾驶室重量因受可靠性要求的提升以及碰撞法规升级的限制，重量不降反升，以高顶双卧驾驶室为例，重量由约900kg升到了目前的约1100kg左右，因此商用车驾驶室的减重对于下一步整车减重意义明显。
以高顶双卧驾驶室重量主要由以下图1中的5部分构成，其中白车身、内饰和外饰占了驾驶室重量的86%，因此如果能够降低此三部分的重量，则驾驶室轻量化效果相应会比较明显。
2.轻量化技术
2.1自车身轻量化技术
2.1.1拓扑优化技术的应用
在白车身概念设计阶段，通过采用拓扑优化的方法，对车身结构进行优化，以得到最轻重量，最优的车身承载骨架和最有效的力的传递路径。要进行拓扑优化设计，首先要构建拓扑优化空间，可以通过外造型面和内部空间布置进行设置，以实体单元建立拓扑优化设计域，见图2：
综合考虑重量、静态弯曲、扭转刚度、正面撞击、顶部强度及后围强度等碰撞工况。通过将弯曲刚度、扭转刚度、前围打击、顶压和后围打击等工况加权到一个目标函数，得到拓扑结构如图3所示：
通过对优化的结果的解读，结合工程经验和车身制造工艺，将拓扑结果转化为满足空间布置和制造工艺的有效设计，形成新开发车型的白车身骨架。
2.1.2高强度钢板的应用
国内商用车白车身大部分是以低碳软钢板为主，少量采用了340MPa强度级别的低合金高强度钢板，而更高级别的先进高强度钢以及热冲压成钢在国内尚没有实际应用。而国际上，先进商用车的白车身340MPa以上级别的先进高强钢用量达40%-60%，有的甚至达到70%。不仅510MPa级别，甚至590MPa、700MPa和980MPa级别的先进超高强度钢也都有应用。
2.1.3激光拼焊板的运用
利用激光焊接技术生产的拼焊板具有巨大的优势，主要体现在以下几方面：
（1）对最终车身重量的减轻。在汽车结构件的应用中，使用激光拼焊板，消除了使用多余加强件的需要，从而带来整体车身重量的降低。
（2）减少汽车零部件的数量。
（3）原材料利用率大大提高，废料大大减少。
（4）结构功能得到大大提高。通过使用激光拼焊技术，由于将材料的强度、厚度得到合理组合，使结构的刚度得到大大改善。
以侧围总成为例，通过采用激光拼焊板，并适当提高零件强度，重量减轻约5kg。
2.2外饰轻量化
内外饰的轻量化设计的重点是材料及工艺的优化，不能因为轻量化而提高成本。
当前国内商用车驾驶室外饰零件的选材基本上是非金属材料，主要构成如图8。由于外饰件需与车身体同色，且零件较大，所以SMC在外饰零件选材上占多数。
2.2.1SMC零件优化设计
根据产品的型面、边界、固定点以及具体的受力承载方式构建设计初步的加强结构，然后用CAE软件对初始3D模型进行有关刚度、强度及模态方面的分析计算，接下来根据计算的结果对原始模型进行拓扑优化，采用削强补弱的基本方法修改数据，然后对优化后的结构模型重新计算分析，比较拓扑优化前后结构的性能指标，分析拓扑优化方案的合理性，在经过反复几轮优化和比较后，得到最终的理想状态。
保险杠设计时在优化前的产品为5mm均匀厚度，但根据固定点位置，结合产品的踩踏要求，对结构可以做优化调整，考虑到SMC工艺制品的特殊性，对产品厚度做了以下调整，如图9所示：
将①所指非受力不可见区域由5mm改为3mm，将②位置踩踏区域5mm改为6mm，将③大灯沉台区域由5mm改为3mm，将其他区域由5mm改为4mm！
经过厚度优化，产品的重量减少5.96KG，同时各项项目性能指标都满足产品设计要求。
2.2.1新材料和新工艺的应用
2.2.1 PBT PET 玻纤的应用
SMC属于热固性材料，无法回收，且密度基本都在1 8-2.0g/cm3右，采用PBT、PET和玻璃纤维共混的方法，得到的制品不仅外观好，而且具有优良的耐热性、刚性、强度和尺寸稳定性，同时解决了材料回收的问题。表2给出了两种材料之间的性能对比。
通过在导流罩上采用该材料，降低重量约8kg，见图10：
2.2.2 V-PHC工艺的应用
在外饰件上，通过采用V-PHC工艺，见图11，零件刚性好，可以减少零件数量，降低重量，外层的复合板为ABC和PMMA复合，可以实现各种颜色，因而可以免喷涂。
采用V-PHC工艺的零件的面密度为3800g/m2，远低于SMC的面密度10000g/m2。
在车门下装饰板上采用V-PHC工艺，将原设计内外板结构直接改成单层外板。减少了零件数量，见图12，左右件共实现了减轻重量9kg。
2.3内饰轻量化
2.3.1LFI硬发泡工艺
LFI喷射系统将聚氨酯和被切断的玻璃纤维同时喷人开放的模具中，被切碎的玻璃纤维从外部切入聚氨酯喷射流中，接着在闭合的模具中进行发泡成型。在最终产品中，不规则的玻璃纤维分布使得产品各承载方向的机械强度得到提高。
LFI硬发泡工艺因其密度小，刚性好，主要在內饰产品开发中用于替代传统的PP 骨架的结构设计方案，图13为LFI硬发泡零件结构断面，表3给出了两种工艺的性能对比。
通过在仪表台和高架箱上应用此方案，减少零件数量，提升装配效率，降低了总成重量，图14给出LFI硬发泡高架箱，降低重量8kg，和图15给出了LFI硬发泡仪表台，降低重量10kg。
2.3.2玻纤增强夹层技术
玻纤增强夹层技术是将传统工业的蜂窝状的或瓦楞状的芯材（纸质、铝、PP、PC或泡沫）在芯材的上下两面各覆盖一层玻璃纤维毡（或其它纤维毡），然后由聚氨酯喷涂系统浸润，见图16。将该夹层结构放人一个加热好的模具中，并在130℃-140℃的温度下直接模压成型。通过喷涂聚氨酯材料并运用模塑技术进行有效复合，形成强度更高并比传统板材更轻量化的聚氨酯复合材料。该项技术具有特殊加工功能的特点：重量轻的同时承重能力强，显著的吸音和防火性能。
通过将该工艺应用在卧铺轻量化上，图17给了结构断面，在不改外形尺寸的前提下，减轻重量9kg，表4给出了具体减重构成。
3.总结
3.1轻量化效果
通过在新技术、新材料和新工艺的应用，在设计过程中共实现驾驶室轻量化效果见表5。
3.2未来展望
商用车驾驶室未来轻量化技术选择上，一方面需基于现有成熟的材料和工艺进行进一步优化挖潜，另一方面是结合商用车驾驶室零部件的特点，应用新的技术和工艺，如PP微发泡部件，镁铝合金的仪表板管梁，超高强度的座椅骨架等。需要主机厂和供应商共同来展开工作，方能取得更大的轻量化效果。