摘要：商用车的轻量化设计是当前汽车工业的研究热点之一，通过减轻车辆自重，可以有效提升燃油经济性，减少碳排放，并改善车辆的操控性能和安全性能。文章详细探讨了商用车轻量化的背景与意义，重点介绍了铝合金、高强度钢及复合材料在车身结构、车轮和底盘中的应用。同时，概述了先进制造技术，如3D 打印、激光焊接和一体化压铸技术在轻量化设计中的应用，及相应的连接技术，如铆接、胶接和螺栓连接。通过典型案例分析，展示了轻量化措施的实际效果，包括燃油经济性提高、碳排放减少和车辆性能提升。最后，总结了轻量化设计对商用车整体性能的积极影响，并展望了未来发展方向。
关键词：商用车；轻量化；铝合金；高强度钢
商用车作为运输行业的重要组成部分，其性能和燃油效率直接影响到物流成本和环境保护。随着环保法规的日益严格和油价的不断上涨，降低商用车的自重成为提高燃油经济性、减少碳排放的重要手段之一。轻量化不仅能提高车辆的燃油经济性，减少排放，还能改善车辆的动态性能和安全性能，具有重要的经济和社会意义。商用车自重约占总质量的20%，空载情况下，约70%的油耗作用在自重上。因此，轻量化是提高其动力性、减少燃料消耗、降低排放、最现实而又最有效的技术措施。本文将探讨商用车轻量化的技术研究，包括轻量化材料的选择、轻量化设计方法和轻量化工艺技术等方面。
根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》轻量化技术规划：载货车轻量化目标2025 年载质量利用系数提升5%，2035 年载质量利用系数提升15%。牵引车轻量化目标2025 年挂牵比均值提升5%，2035 年挂牵比均值提升15%。2020－2035年，汽车轻量化技术主要围绕高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料及复合材料四大新材料进行轻量化设计、成型及连接；2020－2025 年商用车轻量化主要以高强度钢为主，逐步提升铝合金、镁合金、工程塑料及复合材料应用。
1 商用车轻量化材料的选择
商用车铝合金零部件目前主要以压铸件为主，约占77%左右，挤压型材约占11%，未来随着对商用车轻量化需求的增大，整车铝化率的不断提升，铝合金挤压件、轧制件、锻造件的应用占比也将逐步提升。随着技术提升，铸件的所占比例降低，逐渐向型材、锻件、板材发生转变。
目前铝合金在商用车上的应用日益广泛，从车轮、气罐、油箱拓展到前下防护、后下防护、货箱等。通过铝合金材料的应用，商用车的整体质量可以减少20%至30%，这不仅直接提高了燃油经济性，降低了油耗，还减少了二氧化碳等温室气体的排放[1]。
1.1.1 车轮
目前传统钢制、铸造铝合金车轮由于性能的不稳定、安全性差等因素逐渐被淘汰，轻量化发展的最终节点必然是锻造铝合金车轮，但受制于成本因素，目前锻造铝合金车轮仍仅用于高端商用车上。
铝合金车轮轻量化产生的节能效果是其他零部件的1.5 倍。相比传统的钢制车轮，铝合金车轮质量更轻，通常能减少30%至40%的质量。减轻车轮质量不仅有助于降低车辆的总重，还能减少非簧载质量，从而改善车辆的动态性能和操控稳定性[2]。
铝合金车轮的另一个显著优势在于其优良的散热性能。铝合金材料的导热性优于钢材，使得车轮在行驶过程中能更有效地散热，降低制动系统的工作温度，减少制动热衰退现象的发生，提高了制动系统的可靠性和安全性。特别是在长时间高速行驶或频繁制动的情况下，铝合金车轮的散热优势更加明显。
1.1.2 底盘
铝合金在商用车底盘中的应用显著提高了车辆的轻量化程度。商用车底盘结构复杂，承担着车辆的主要负载和冲击力，因此对材料的强度和韧性要求较高。铝合金由于其密度低、比强度高的特性，成为底盘轻量化设计的理想选择。通过采用铝合金材料，可以在保证底盘结构强度和安全性的前提下，大幅减轻质量[3]。福田奥铃大黄蜂通过采用高强度的钢铝镁合金底盘、铝合金轮毂、铝合金传动轴、铝合金变速箱等，与传统底盘相比质量减轻20%以上。
高强度钢具有强度高、韧性好、耐冲击等优点。其应用主要集中在车身骨架和底盘承载结构上，通过优化设计，可以在保证强度的前提下实现轻量化。
1.2.1 驾驶室结构件
高强钢应用于驾驶室不同的重要部位，如前纵梁、后纵梁、地板连接梁、顶梁以及白车身等重要部位，既有利于碰撞过程中的能量吸收，增强了车辆的市场竞争力和消费者的信任度，又可以更大程度实现车身轻量化[4]。
驾驶室的优化主要依靠使用高强钢等轻量化材料以及轻量化结构来达到减重的目的。一般情况下，驾驶室70%以上的材料均为软钢，其他部分为高强度钢，主要有高强度低合金钢、烘烤硬化钢和淬火配分钢[5]。驾驶室白车身钢板厚度大约为0.8～1.5 mm，质量大约在600 kg 左右，通过结构优化设计，在保证使用需求以及不替换材料的前提下可以减重10%左右。然而我国商用车驾驶室的轻量化水平相对比较低，用材仍以软钢和烘烤硬化钢为主，抗拉强度600 MPa 及以上的高强度钢材几乎很少使用。
1.2.2 底盘承载件
底盘作为车辆的骨架，需要承受各种动载荷和静载荷，对材料的强度和韧性要求极高。高强度钢由于其优异的机械性能，成为底盘轻量化设计的理想选择。高强度钢的应用范围包括车架、桥壳、悬挂系统等关键承载部件。
我国中重型商用车的车架主要为双梁结构，钢板抗拉强度以510 MPa 和610 MPa 为主，有一部分企业已经开始使用700 MPa 的钢板制造单梁结构，逐步替换抗拉强度510 MPa 的大梁[6]。目前，牵引车车架使用700 MPa 的单梁大梁在我国的应用比例小于10%。中国重汽在全挂牵引车上采用的抗拉强度700 MPa 的单梁、上汽依维柯红岩引进的依维柯系列重型商用车的大梁采用650 MPa、8 mm 的等刚度单梁结构，可实现减重20%。
桥壳是汽车驱动桥的重要组成部分，既要保证传动系统的稳定工作，还要承载整车的质量，必须具备足够的强度和刚度。由于桥壳结构上进行优化的空间有限，所以主要通过应用高强钢来减小桥壳壁厚，从而达到轻量化的目的[7]。国内大量使用的桥壳为Q345、16MnL 等抗拉强度在500 MPa 以下的钢板。而新一代高强钢桥壳已经产生，比如宝钢开发的抗拉强度在800～900 MPa 的重型车桥壳用钢，单桥可减重50 kg，减重率达到20%。此外，武钢、邯钢等钢厂也开发了抗拉强度达到600 MPa 以上的桥壳用钢，从而实现减重10%的轻量化目标。
复合材料包括碳纤维、玻璃纤维增强塑料等。驾驶室是采用复合材料最多的总成，尤其是外覆盖件。一方面有效减轻了整车质量，另一方面由于复合材料成形性好，造型结构上较金属冲压件可以更复杂、更美观、尺寸更精确。目前国产重卡仍偏好全钢结构的驾驶室结构，这主要和中国重卡的恶劣工作环境有关，重卡面临着太多的考验和伤害，复合材料受损后很难修复，提高了整车的维修保养成本。不过从近年各重卡厂商推出的新产品来看，复合材料在整车所用材料中的比例逐渐提高，大量使用复合材料是必然的趋势。欧美发达国家将汽车使用复合材料量，作为衡量汽车设计和制造水平高低的一个重要标志。如德国，复合材料的用量占汽车整体材料的15%。
1.3.1 车身面板
碳纤维车身面板在商用车轻量化中具有显著效果。碳纤维车身面板不仅轻质，还具有优异的抗冲击性能和疲劳寿命。其高强度使得车身面板在碰撞中能够有效吸收和分散能量，提高乘员的安全性。此外，碳纤维材料的耐腐蚀性能极佳，能在各种恶劣环境下保持稳定的机械性能和外观，减少了长期使用中的维护成本[8]。
例如，某高端商用车品牌在其最新款车型中采用了碳纤维车身面板，通过精密的层压技术和模压成型工艺，使得整车质量减少了10%。这种减重不仅提高了燃油经济性，还提升了车辆的加速性能和操控灵活性。碰撞测试结果显示，碳纤维车身面板在各种碰撞情况下都表现出色，显著提高了车辆的安全性能。
1.3.2 内饰件
玻璃纤维增强塑料在商用车内饰件的应用中表现优异。玻璃纤维增强塑料材料不仅质量轻，强度高，还具有良好的耐腐蚀性能和可设计性，能够制造出多种复杂形状的内饰件，满足不同的设计需求[9]。采用玻璃纤维增强塑料制作内饰件，可以显著减轻车内的质量，提高车辆的燃油经济性。同时，玻璃纤维增强塑料材料的良好隔热和隔音性能，能够提升乘坐舒适性，减少车内噪音和热量的传递，提供更为安静和舒适的驾乘环境。此外，玻璃纤维增强塑料材料的耐腐蚀性能使其在长期使用中不易老化和变形，维护成本低。
例如，某高端商用车品牌在其车型内饰设计中大量使用了玻璃纤维增强塑料材料，通过注塑和模压成型工艺，制造出轻质且美观的内饰件。整车内饰质量减少了约30%，每百公里油耗降低了约0.5 L。同时，车内噪音水平降低了约3 dB，乘坐舒适性显著提升。内饰件的高强度和耐久性也减少了使用中的维护需求，延长了内饰的使用寿命。
2 商用车轻量化设计方法
互联网技术的高度发展，利用人工智能（Artificial Intelligence, AI）进行深度学习、运算分析的先进设计手段已在商用车领域开始发展并应用。通过这些先进的方法，大大降低了优化设计的时间周期，提高了设计的成功率。
2.1.1 利用AI 技术的先进设计手段
在结构优化方面，相关整车厂已将传统设计方法与AI 等互联网先进技术高度结合，进行相关的设计。例如，福田汽车通过计算机云平台利用AI 进行几何模型深度学习、运算分析；通过将复杂结构分解为有限数量的元素，来进行应力、应变和变形分析；通过产品边界设计，自动衍生出多种设计方案，在满足产品性能要求下协助设计人员推演和设计出结构最合理、用料最少的方案产品，生成最优设计方案；并利用设计的全新视角和方式，从过去的收敛式思维设计模式改变为发散式思维设计，大大降低开发成本和开发时间。东风柳汽公布的一种商用车驾驶室白车身轻量化的优化方法，采用多个设计分析软件联合仿真优化的方法，使驾驶室车身质量减轻了24.3 kg，轻量化率达7.93%，一阶弯曲模态频率提升10.54%，在保证驾驶室静、动态性能的同时完成了轻量化目标[10]。通过先进的设计方法，将钢板弹簧设计成变截面少片式的钢板弹簧，根据弹簧受力设计相应的截面，可以使钢板弹簧的应力分布更加均匀，使用变截面少片簧替代等截面多片簧，可以减重30%～40%。变截面少片簧结构不但可以减轻质量，还可以通过减少板簧间的摩擦而提高驾乘的舒适性、延长使用寿命。
2.1.2 拓扑优化
与传统的形状优化不同，拓扑优化能够在设计初期确定结构的最佳拓扑布局，大幅度减少材料使用量[11]。通过拓扑优化，设计者可以获得不同载荷条件下的最优材料分布方案，去除多余的材料，使结构更加轻盈。具体应用中，可以利用拓扑优化对底盘、悬挂系统等关键部件进行优化设计。拓扑优化的广泛应用，使得商用车在轻量化的同时，保持了优良的机械性能和安全性能。例如，很多普通铸造件，通过增加筋板、去掉应力较小区域等方法，可实现20%的降重；东风柳汽乘龙重卡对于前下部防护，结合材料性能提升进行了结构优化设计，从而实现零部件轻量化。横杆厚度由6 mm 优化为2.3 mm，降重47.4%，轻量化明显。悬架系统推力杆采用优化设计，摩擦焊工艺，在强度不变的情况下，整车质量降低20 kg。
模块化设计通过将车辆拆分为多个标准化模块，在实现轻量化的同时，提升生产效率和维护便利性。
2.2.1 标准化模块
标准化模块设计通过统一规格和标准，减少零部件种类，从而降低车辆的整体质量。将商用车的各个部件设计成标准化模块，可以在不同车型之间共享零部件，减少模具和制造成本。同时，标准化模块便于批量生产和装配，提高生产效率。例如，某商用车品牌通过模块化设计，将发动机舱、驾驶室、货厢等部位设计成标准化模块，显著减少了零部件的种类和数量。标准化模块设计不仅降低了制造和维护成本，还减轻了整车质量，提高了燃油经济性。此外，标准化模块的设计还便于车辆的个性化定制和快速维修，更好地满足了市场和用户的需求[12]。
2.2.2 装配优化
装配优化通过优化装配工艺，减少连接件的数量和质量，从而实现轻量化目标。在传统的装配过程中，大量的连接件不仅增加了质量，还可能导致装配复杂性和故障率的提高。通过优化装配工艺，可以采用更轻便、更高效的连接方法，如焊接、胶接和铆接等，减少螺栓和螺母等连接件的使用。例如，某商用车品牌在其新车型中，采用了先进的胶接和铆接工艺，取代了部分螺栓连接，使整车质量减少了约5%。此外，装配优化还包括减少装配工序和优化装配流程，提高生产效率和装配质量。通过装配优化，不仅实现了轻量化目标，还提升了车辆的整体性能和可靠性。
3 商用车轻量化工艺技术
先进制造技术包括3D 打印、激光焊接、一体化压铸技术等，可以实现复杂结构的一体化成型，减少零件数量和连接件质量。
3.1.1 3D 打印
3D 打印技术与传统制造方法相比，3D 打印能够生产出具有复杂几何形状和内部结构的零件，减少材料浪费，实现轻量化[13]。商用车零部件如支架、连接件、内部框架等，都可以通过3D打印技术进行优化设计和生产（见图1）。3D 打印不仅能够减轻零件质量，还可以通过优化材料分布，提高零件的力学性能和使用寿命。例如，某商用车品牌采用3D 打印技术制造复杂的悬挂系统支架，成功减重20%，同时提高了强度和耐用性。3D 打印技术在商用车轻量化中的应用，不仅提升了设计和制造效率，还推动了定制化和快速原型制作的进步。
图1 3D 打印的复杂零件
3.1.2 激光焊接
激光焊接具有焊接速度快、热影响区小、焊缝质量高等优点，适用于轻量化材料的连接。在商用车制造中，激光焊接广泛应用于车身和底盘结构的连接（见图2），不仅减轻了焊接部位的质量，还提高了焊接质量和强度，并能显著提升车身刚性和碰撞安全性能。激光焊接技术的应用，还能减少后续加工和修整的工作量，进一步降低制造成本和提高生产效率。
图2 激光焊接车身
3.1.3 一体化压铸技术
一体化压铸技术通过使用特大吨位的压铸机，将多个、分散的零部件高度集成，从而替代多个零部件先冲压再焊接或铆接的组合方式。比如特斯拉的一体化压铸技术（见图3），以前制造一个后底板需要先冲压出70 多个零件，经过1～2 h 的焊接、涂装，组装成一个底盘后底板，而采用一体化压铸工艺，这部分合成一个零件，生产时间仅需45 s，质量降低了30%，成本也降低了40%[14]。
图3 特斯拉一体化铸造
轻量化材料的应用需要相应的连接技术，包括铆接、胶接、螺栓连接等，确保结构的整体性和强度。
3.2.1 铆接技术
铆接技术适用于不同材料的连接，尤其是在铝合金和钢材的连接中应用广泛。铆接过程简单快捷，适合大规模生产。在商用车制造中，铆接技术常用于车身面板、底盘和内部框架的连接。铆接技术既保证了结构强度，又实现了轻量化目标。铆接技术的应用，不仅减轻了车辆质量，还提高了生产效率和产品质量。
3.2.2 胶接技术
胶接技术具有减振降噪、分散应力等优点。胶接技术特别适用于轻量化材料的连接，如铝合金、复合材料等。胶接连接方式不仅能够减轻质量，还能提高连接部位的整体强度和耐久性。在商用车制造中，胶接技术广泛应用于车身面板、车窗和内饰件的连接。胶接技术在商用车轻量化中的应用，极大地提升了结构的完整性和美观性。
4 商用车轻量化的实例分析
根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》轻量化技术规划：载货车轻量化目标2025 年载质量利用系数提升5%，2035 年载质量利用系数提升15%。牵引车轻量化目标2025 年挂牵比均值提升5%，2035 年挂牵比均值提升15%。2020－2035年，汽车轻量化技术主要围绕高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料及复合材料四大新材料进行轻量化设计、成型及连接；2020－2025 年商用车轻量化主要以高强度钢为主，逐步提升铝合金、镁合金、工程塑料及复合材料应用。相关的整车企业也都对未来产品的轻量化提出了相关的规划，例如，福田汽车3年规划，中卡产品较竞品轻500 kg，轻卡产品（同类最轻）降重500 kg，提升用户收益1 万元；重卡产品降重700 kg，提升用户收益3万元。
因此，随着社会的发展以及政策法规的推动，近几年，国内各个主机厂及相关零部件厂家一直在致力于整车轻量化的工作，推出的众多轻量化的新产品和新车型。例如，福田奥铃大黄蜂采用了32 项降重技术，计算机辅助设计仿真分析，以此来实现整车的轻量化设计。整车不仅拥有高强度钢铝镁合金底盘，还有高强度钢板打造的驱动桥、铝合金轮毂、后防护、铝镁合金方向盘、高强度钢车架。通过这些轻量化的设计，使得奥铃大黄蜂成为行业内同级最轻的车型，车辆整体减重20%，助力用户多拉500 多千克。一汽解放推出的面向煤炭市场的J6P 价值版车型，牵扯车自重7.9 t，相比市场主流运煤车多拉0.2 t。按照每公里0.3 元/kg 运费计算，如果每年行驶200 000 km，则可以增加1.2 万元的收益。
商用车轻量化具有多方面的意义。第一，通过降低车辆自重，能够显著提高燃油经济性，从而减少燃料消耗和运营成本。有关统计数据表明，整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，商用车自重每降低100 kg，百公里可节油约0.3～0.6 L。第二，轻量化有助于减少温室气体和污染物的排放，符合全球节能减排的环保要求。第三，轻量化还能提高商用车的载重能力，使得运输效率大幅提升。第四，轻量化能改善车辆的操控性能和行驶稳定性，提升行驶安全性。
5 总结
在《中国制造2025》中关于汽车发展的整体规划中更是重点提及，强调“轻量化仍然是重中之重”，将“轻量化”发展作为国家做大做强汽车制造业的重要战略方向之一，引领行业共同向轻量化技术创新突围。汽车轻量化是一个由车辆结构与技术途径相结合的矩阵式工程项目，结构方面涉及发动机、底盘、车身、电气设备等各个领域，通过新材料、新工艺、结构优化及功能集成来实现轻量化的路径没有发生变化。现阶段大量的轻量化设计都是通过使用高端轻量化材料或者高端轻量化总成来实现的，不可避免地带来整车成本的上升，用户购车成本在上升，运价又在下跌。因此，追求合理的轻量化设计与恰当的材料、制造工艺选择相结合，以实现整车性能和成本的控制目标，正成为未来轻量化工作的核心。
商用车轻量化是提高车辆性能和燃油经济性的有效途径，对减少环境污染、降低运输成本具有重要意义。通过合理选择轻量化材料、优化设计方法和先进制造技术，可以实现商用车的轻量化目标。尽管面临成本和技术上的挑战，但随着材料科学和制造技术的不断进步，商用车轻量化将迎来更广阔的发展前景。未来，商用车轻量化将与智能化、环保化相结合，共同推动交通运输行业的可持续发展。
