【研究】商用车轻量化底盘设计

来源 / AEE汽车工程会议

在油耗和排放的双重压力下，轻量化需求更为迫切，然而其带来的成本上升也成为重要的问题。基于此，采埃孚（ZF）开发了Connected Lightweight Future Truck（CLFT）轻量化低成本方案。

对于商用车来说，轻量化带来的不仅是油耗的降低，还可增加车辆的载重，满足更大的运货需求，这无疑提高了成本效益。特别是对于电动商用车来说，满足牵引力需求的电池组带来的重量是牺牲车辆有效载荷为代价的。因此，轻量化对于电动商用车更有意义。对于底盘系统来说，智能轻量化设计将带来驾驶舒适性和成本效益的提升。采埃孚（ZF）针对前桥、转向系统、后桥等悬架技术相结合，为重型4×2卡车开发了全新轻量化底盘，与传统底盘相比，减重110kg，如图1。

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CLFT底盘的前部组件轻量化

CLFT底盘前部集成了电动液压转向系统和改进的独立悬架系统，与传统刚性系统相比实现减重40kg，具体如图2所示。

ZF的ReAX电动转向辅助系统拥有更加紧凑化的设计，来减小转动车轮的扭矩，且使得转向路径向下到极限位置的扭矩更加均匀。采用更小的THP 60来替代THP 80动力转向器，实现减重7.8kg（20%）。同时，功耗也显着降低，在高速公路、越野等路况下最多可降低20%。

ZF的CLFT前桥系统进一步提高了电动助力转向系统的节能潜力，越来越多的应用于卡车等商用车上，作为传统液压转向的补充。

新型独立悬架重新设计了车轴，提升了驾驶安全性。副车架采用新的弹性体衬套，减小了路面振动的传递，进一步提升了舒适性。同时，顶部盖体采用铝合金制造，成功减重2.6kg（57%）。

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CLFT底盘的后桥轻量化方案

CLFT底盘的后桥通过材料、工艺和设计的替代，共实现减重70kg。例如，由碳纤维增强塑料（CFRP）制成的ZF四点连杆（图4）取代了之前由钢（球墨铸铁）制成的连杆，减重22千克（52%）。

出于减重的目的，四连杆部件集成了多种功能，还可实现横向、纵向以及滚动的平衡，而不再需要如v-link、稳定器等组件。此外，与由钢制部件相比，复合材料部件还可根据客户要求，通过针对性选择纤维铺层角度、位置、以及铺层材料的组合等来实现刚性的调整。

后桥连杆采用玻璃纤维增强复合材料（GFRP）制成，每个轴可减重约7kg。连杆挤压成型，采用粘接工艺连接到铝嵌件上。粘合区域的设计可让载荷均匀分布，且与钢制连杆相比实现了60%的减重。

ZF还针对应用过程的环境效应进行了科学分析，结果显示：考虑从原材料采购到组件生产结束时的CO2当量，钢和复合材料几乎相等。但是，以商用车1,000,000 km里程计算，CFRP四点连杆及GFRP两点连杆的重量优势可带来60%-70%的二氧化碳排放，如图5所示。

在商用车中，部件级别的减重对整车的影响较大。ZF在铝制和拥有专利技术的纤维复合材料连杆两个方案中选择了更具成本效益的CFRP两点连杆。空气悬架的设计缩短了波纹管到轴梁或车轮接触点的梁，从而减小了质量。同时，较短的距离也减少了负载路径，进一步节省了20%的安装空间。

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小结

ZF展示的商用车轻量化底盘综合考虑了底盘各部件的相互作用，通过转向及其他系统的材料替代，与智能网络技术相结合，实现了高达110kg的减重。这对于商用车增加载重量具有较大的意义。对于电动商用车来说，新型电动转向系统不仅减轻了重量，还为自动驾驶的应用铺平了道路。同时，ZF两点连杆系统环境足迹的分析，说明了轻量化设计在商用车中起到了较为积极的作用。

未来，ZF还将继续关注底盘连杆、轴承等轻量化设计，最大限度地减少部件重量。如CLFT中的电动液压转向系统将降低重量和部件的复杂性，进一步推动商用车的电动化和自动驾驶。

CFRP和GFRP等轻质材料的应用，将更容易实现智能化功能的集成。例如，ZF正在研究的将传感器光纤直接集成到复合材料中的新解决方案。预计可实现在车辆操作期间的部件应力检测，从而精确控制部件的可靠性和使用寿命。

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