摘要：近年来，为应对全球气候变暖和能源危机，节能减排已然成为汽车技术发展的重大课题。有资料显示，汽车质量每减少100kg，每百公里可节约约0.6L燃油。为此，实现汽车轻量化有着重要意义。目前，实现汽车轻量化涉及到汽车多方面技术。选择使用轻量化材料是现在整车轻量化的重要途径。新实施的《营运货车安全技术条件》，其中关于驾驶室结构强度法规的要求，使得商用车驾驶室轻量化面临新的挑战，本文就现阶段轻量化材料在商用车驾驶室上的应用以及面临的挑战进行了介绍，以为满足更高要求的轻量化驾驶室设计提供思路。

关键词：轻量化材料;商用车;驾驶室

汽车工业体现了国家的制造业水平，其发展也影响着我国能否从制造大国向制造强国的迈进。我国自20世纪80年代以来，对于汽车轻量化的研究已经达到了新的高度，其中关于轻量化材料在商用车驾驶室中的应用也取得了长足的进步。

关于商用车驾驶室的轻量化设计，应当满足驾驶室的安全性能放在首位，进而借助优化结构、应用新材料新技术等方法来实现自身重量减少，其中新材料中的轻量化材料的开发应用是当前可操作性最强的研究方向之一。在商用车驾驶室中使用的轻量化材料主要有高强度钢板、轻型合金材料、工程塑料以及复合材料等四大类。

1.高强度钢板的应用

目前，钢板依然是商用车驾驶室的主要用材，因此高强度钢板在商用车驾驶室中的应用是可以有效实现轻量化。高强度钢板，屈服强度较高，抗凹陷性强，且降低料厚不会影响整体强度。因此，根据以上特性，在中低端是汽车的轻量化处理中，在保证安全性的前提下，通过可以直接通过降低料厚来实现轻量化。另外，利用高强度钢板的抗凹陷性能可以用来制作驾驶室的易碰撞部位，提高碰撞安全性。

在国内，作为代表使用高强度钢板的是一汽集团。该集团采用抗拉强度为340MPa高强度钢板代替普通钢板生产的解放CA1092型载货汽车驾驶室，零件涉及车门、地板和后围等41种零部件，其中18种零件使用BIF340含磷钢板替换DC04钢板，23种零部件使用BH340烘烤硬化钢板替换DC03钢板，高强度钢板用量达到228kg，驾驶室减重约21kg，东风天龙D310驾驶室高强度钢板用量86.3kg，涉及零件160件，占到总重量的30%。

在国际，先进商用车的白车车身340MPa以上级别高强度刚钢板，其用材高达40%～60%，甚至部分高達72%。然而，目前国内商用白车身仍然以普通低碳钢板为主。有研究指出，高强钢是在保障碰撞安全性、经济型、可加工性等综合性能最佳的轻量化材料，其使用量的多少可以体现汽车水平的高低。目前，我国的平均使用量仅为25%，与国际相比，相差较远，有很大的发展空间。

2.轻型合金材料的应用

2.1 铝合金

铝合金密度约为钢的1/3，即2.5～2.88 g/cm3，强度和密度均低于刚强度钢，价格较钢铁高，在高端汽车中较为常见。铝合金具有密度低，耐腐蚀性好，塑性好，抗热疲劳性好，比强度和比模量高，在驾驶室中作为结构轻量化材料使用效果明显。

现阶段，商用车领域中使用最广泛的轻型合金材料便是铝合金。在驾驶室中，应用合金的零件涉及到方向盘芯骨、转向柱支架、仪表台支架等。在国内作为的代表东风天龙重卡的铝合金用料已经已超过360kg。在国际，美国彼得比尔特的多款车型采用全铝材来制造料驾驶室，实现了重量轻、燃油效率高的目标，并且驾驶室可靠性和耐腐性表现优秀。

铝合金在力学性能方面，表现为脆硬性，且导热性能好，焊接性能差，因此在加工成型方面具有一定的难度高。同时，相对钢铁来说，在力学性能相同的条件下，是使用铝合金的轻量化效果更明显。目前如何提高其强度和韧性以及采用何种连接方式是其研究的重点。

2.2 镁合金

镁合金的密度为1.75～1.90 g/cm3，是钢密度的1/4，较铝密度低，约为铝密度的2/3。镁是所有结构材料中在当前工程应用领域中最轻的金属，被认为较理想的轻量化材料。镁合金的密度小，重量轻，强度较低，比强度高，比刚度高热传导性能良好，另外，镁合金还具备一定的电磁屏蔽性能、防辐射性能和阻尼减震性能，是一种前景良好的高质量轻量化材料。

近年来，镁合金在乘用车上的应用已经得到突破性的进展。在商用车中，已有60多种零部件有使用，其中最具代表性的是在车身及底盘零件，以及各种支架、基座等产品上已被大批量应用。在国内，商用车领域，作为代表的是东风汽车，其车身镁合金应用较早，主要为153系列、东风天龙等车型的踏步、转向柱支架等。另外东风汽车用镁合金方向盘芯骨、座椅骨架、仪表台骨架等方向等方面也在近期取得了进展。

镁合金零件应用于汽车轻量化的优点是显而易见的，但由于其价格较高，耐腐蚀性较差，易氧化燃烧，强度较低以及加工困难等缺点，导致它一直未能得到大范围的使用。因此，在短期内，应用镁合金多应用于的零件主要是对耐腐蚀性要求较低、强度要求不高的非结构零部件。

3.工程塑料

3.1 玻璃纤维增强塑料

玻璃纤维增强塑料，即为通常所说的玻璃钢，密度约为1.4～2.1g/cm3，密度较合金材料更低。具有密度小，比强度高，耐腐蚀性强等特点，因此主要应用于形状复杂的零部件。在国内，中国重汽C7H驾驶室，使用的玻璃钢复合材料零部件涉及20余件，涉及顶盖、保险杠、前面罩、脚踏板和装饰板等众多零部件，其总重量超过190kg。

4.复合材料

4.1 碳纤维增强复合材料

碳纤维增强复合材料密度约为1.6g/cm3，密度更小。具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀等特点。碳纤维复合增强材料力学性能优良，其密度虽然较低，但比强度比碳钢（某些特殊合金高）要高的多。

在汽车领域，碳纤维增强复合材料已由最初的赛车领域逐渐向民用汽车拓展。目前，已经有许多制造商开发出车门内饰板、后视镜外壳等碳纤维材料零部件，宝马已经取得优先突破，比如尝试在小型车上采用全碳车体。碳纤维增强复合材料在商用车领域的应用，正日益突破。

碳纤维增强复合材料由于其高比强度、高比模量，在航天航空以及超级跑车领域得到了良好的应用。但由于其价格高昂，成为其大面积推广所面临的问题。

4.2玄武巖纤维增强复合材料

玄武岩纤维（CBF）是将天然玄武岩矿石经过高温熔融以后通过拉制而形成的连续的纤维[1]。玄武岩纤维具有抗拉强度高、耐热性能强、化学稳定性好，且具有良好的吸音性能和隔热性能，是碳纤维的最佳替代品。在汽车领域中，玄武岩纤维增强复合材料可以用于制造发动机罩以及对隔音隔热降噪有一定要求的内饰件。

4.3 聚双环戊二烯

聚双环戊二烯密度为1.03g/cm3，密度更低。是一种具有较高的抗冲击性和弯曲模量、耐腐蚀性高、有一定耐候性的热固性工程材料[3]。与玻璃纤维增强塑料相比，虽然PDCPD的拉伸模量较低，但其屈服性和抗冲击性优相对异。在商用车领域，PDCPD材料在引擎盖、车顶盖等众多零部件上的应用已经相当成熟。

4.4空心玻璃微珠

空心玻璃微珠，体积小，重量轻，空心球形粉末。由于空心玻璃微珠的中空结构特点，使其具有质轻隔音隔热的优点。它是近年来新出现的一种新型轻量化材料，可直接填充在多种塑料产品中，同时由于玻璃微珠具有重量轻的特性，填充后产品轻量化效果明显。

4.5发泡聚丙烯材料

发泡聚丙烯材料（EPP）是以聚丙烯材料为基础的树脂制备的发泡塑料。EPP材料，隔热性、隔音性优良，耐热性、耐腐蚀性表现优秀，具备一定的抗震吸能性和良好的回弹性、表面保护性以及尺寸形状稳定性，同时质量轻且能够回收再利用。

在汽车领域中，可用于制造头枕工具箱、保险杠缓冲块、门内板吸能保护垫以及支撑行李箱支撑等多种零部件，例如在丰田标志的部分车型中已经配备了这种材料保险杠。

4.6长玻璃纤维增强聚氨酯反应注射成型材料

长玻璃纤维增强聚氨酯反应注射成型（LFI）工艺是一种将长玻璃纤维与彩聚氨酯原料混合，之后注入模具然后热压成型的工艺。该工艺制备的产品，具有重量轻，刚性强，力学性能好等特点，常用于制备形状复杂的大型薄壁产品。当前该技术在汽车领域的应用，以汽车内外饰件为主。在商用车主要应用于仪表盘、装饰板、导流装置等产品中。

4.7 PHC复合材料，

PHC为夹层结构，在蜂窝蜂窝夹芯材料的两面铺设纤维毯，经聚氨酯喷射系统浸润后在模具中热压成型。与传统板材相比，PHC材料重量轻，刚度高，具有显著的耐火性、抗震性和吸音性。

PHC材料厚度通常为6～30mm。在不改变表层厚度的前提下，可以通过调整芯材厚度来实现产品厚度的改变。PHC材料的强度与芯材厚度正相关成正比，芯材越厚，则强度越高。由于单位体积芯材的重量相对小，在相同的承载能力下，PHC加成可以大大降低自身重量。与传统材料相比，PHC材料可减重约30%～50%。

在国内，中国重汽C7H车型顶导流罩通过质量提升，使用PHD材料作为导流罩。这种导流罩表面层和底层两部分组成，表面层成为共挤板复合材料吸塑件，本体层采用PHC材料，包括了蜂窝夹芯材料和玻纤材料，同时通过喷涂聚氨酯材料在模具热压中成型，使本体层与表层紧密复合。相比原玻璃钢材料，这种新导流罩，外观质量都得到明显提升，同时重轻量化效果明显。

现阶段，结构发泡材料主要有两种使用方式，一种带有骨架的预成型增强块在驾驶室焊接预置于空腔内部，之后后随架子是一同进入涂装线，实现结构增强;另一种则采用双组份结构增强泡沫发泡胶，可在驾驶室下线后直接室温灌注发泡，实现空腔增强。

5.轻量化材料在商用车驾驶室所面临的挑战

随着汽车轻量化技术全球化的到来，轻量化材料在商用车驾驶室中的应用面临着许多机遇和挑战。首先，轻量化材料成本高。高成本制约了各种轻量化材料在商用车驾驶室中的应用。为此，需要不断研发出较低成本的新型轻量化材料，同时优化驾驶室结构设计。其次，维修难度和成本较高。当轻量化材料损坏时，需要专业的维修设备和技术人员。最后，研发力度不足。这项应用涉及面较广，需要多方协调、多学科融汇贯通，进而系统的进行研究开发。

结语

在商用车的驾驶中采用，采用轻量化材料，对于为实现汽车行业节能环保的发展目标有着深远意义。轻量化材料研究使用也已成为汽车行业的重要研究方向之一。随着研究的不断开展，新的轻量化材料将如雨后春笋，现有材料性能的开发也将得到提升，但是每一种材料都不可避免的存在着各自优缺点。面对汽车轻量化材料在商用车驾驶室应用上的困难，汽车行业应当抓住汽车材料全球化的发展机遇，对轻量化材料的应用特性进行充分的深入研究，同时借鉴轻量化材料应用的成功经验，真正发挥不同材料的优势，在保证驾驶安全性的基础上，推进汽车轻量化项目发展到新的水平。

参考文献：

[1]王晓伟， 王涛， 秦敬震. 轻量化材料在商用车驾驶室上的应用[J]. 重型汽车， 2019， 000（001）：31-33.

[2]余浪， 代诗环， 王乐勇， et al. 重型商用车驾驶室轻量化技术应用[J]. 汽车科技， 2017（2）：103-108.

[3]李莎. 某汽车驾驶室骨架结构分析与轻量化设计[J]. 汽车实用技术， 2018， 276（21）：196-198.

基金项目：安徽省高等学校自然科学项目"某商用车驾驶室轻量化CAE分析"批准号 KJ2019A1064的阶段性研究成果

作者简介：孙然（1982—），男，汉，安徽六安，讲师，硕士，研究方向：汽车设计。