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随着我国对节能环保要求的日益严格以及国家能源发展战略的需要，汽车轻量化越来越成为缓解能源压力和改善环境、降低雾霾的重要手段。尽管我国商用汽车在汽车总保有量中所占比例不高，但其燃油消耗量已经占到全部汽车燃油消耗量的70%左右，其中公路货物运输每年消耗的燃油占全部汽车油耗的56%，其尾气排放也占汽车排放的50%以上，我国公路运输车辆的载重和自重较欧洲地区、美国、日本平均高出20%左右，给我国带来巨大的能源压力和环境压力。在我国雾霾天气日渐增多的背景下，公路运输领域的节能减排已刻不容缓，进一步限制超载和推广使用轻量化汽车具有十分重要的现实意义。
从各国的经验看，实现汽车节能减排的措施主要有4种：改进发动机燃油效率，小型化、轻量化，替代燃料和开发新能源汽车。轻量化作为传统汽车、替代燃料汽车和新能源汽车共有的关键基础技术已经引起了世界各国和知名跨国企业的高度重视。汽车轻量化是一个系统工程，涉及到产品设计、材料、装备和工艺、售后维修、回收再利用等多方面[1]，结构优化和材料优化无疑是其中最重要的内容，铌微合金化高强度钢的开发及结构优化和相关制造技术的应用，是商用车轻量化的有效手段。
一、商用车列车车辆轻量化概述
商用车列车车辆主要由牵引车和挂车构成，我国牵引车技术在国际上已经自成体系，但轻量化方面与国外有明显差距；我国挂车生产厂商较分散，在各方面与国外都有较大的差距。各种厢式运输车、罐式运输车、半挂汽车是承担公路运输的交通工具。从发展趋势看，在未来的道路运输中甩挂运输和重型化运输已逐步成为最普遍、最具经济效率的运输方式。汽车列车车辆的轻量化可以带来显著的经济效益和社会效益。根据上海某大型物流企业实际公路运行的实践发现，车辆公路运输每减轻自重100kg，可节约0.4L/100km的燃油。据测算，该公司现有半挂运输车3 000辆，每辆车平均每年行驶12万km，单车油耗33L/100km，在未进行轻量化前的自重是15t，如果通过挂车轻量化能使车辆自重下降10%，将节省成本5 000多万元，节约柴油712.8万L，年减排二氧化碳1.91万t，产生十分可观的社会效益和经济效益。如果每年投放市场的新车均为轻量化车型，可以推算整个公路运输行业，每年将节约燃油消耗20亿L，减排二氧化碳620万t。如施行若干年后，整个行业的车辆均更新完成，则节能减排的效益更加十分巨大。总而言之，轻量化的汽车列车车辆的开发和投入使用可以促进技术进步、提高运输效率、节约能耗、减少排放，并促进社会和谐。
二、底盘的轻量化
商用车列车车辆的底盘主要由车架、车轮、车桥以及悬架等构成。
1.微合金化高强度钢车架
全国主要商用车厂商目前最常用的牵引车车架所用钢板仍然是500MPa级，应用比例占到了65%左右，而欧洲牵引车车架主要使用强度级别为700MPa的微合金化钢板，800MPa级微合金化钢板也在某些车型上得到了应用。牵引车车架轻量化主要是通过700MPa以上级别高强微合金化大梁钢代替500MPa级常用钢板，可将车架质量降低150～300kg，可将车架质量降低10%～20%，具有良好的减重效果。为实现牵引车车架的有效减重，国内许多商用车生产厂开始尝试以700MPa级微合金化钢板制作高强轻量化车架，但在采用冲压机加工700MPa级别高强钢车架时，普遍遇到了冲孔开裂、回弹量大、疲劳失效等问题。这需要通过车架设计、材料性能优化、模具设计、材料成形工艺试验以及车架的疲劳性能分析和测试等来解决。
700MPa高强度微合金化钢板在滚压成型过程中均不同程度的出现过纵梁弯曲角R位置出现裂纹，其原因是多次反复挤压圆角变形区造成，即多次冷却硬化的结果，现在纵梁生产厂家以及主机厂均已使用大型压力机冲压成型。经研究表明，提高700MPa高强度微合金化钢板的成形性，并采用以下工艺方案：板料-数控激光切割外形-数控冲孔（或模具冲孔）-模具复合成型（包含折弯及合梁）-补孔-表面处理（抛丸）可以避免裂纹的产生。优化的700MPa高强度微合金化大梁钢成分见表1。
典型700MPa高强度微合金化大梁钢组织为针状铁素体+贝氏体+M/A，晶粒细小，M/A分布在铁素体和贝氏体基体和晶界，其冷弯、低温冲击、表面质量、板形良好，延伸率在18%～22%，屈服强度比在0.9～0.93之间。另外车架是疲劳构件，表面划伤等对使用过程的疲劳性能有较大的影响，数控激光切割外形或用模具冲切外形可解决板料毛刺问题。吊运过程中可采用吊带并用垫木隔离的方法可解决板料和成品纵梁划痕问题。其原因由于选用其它切割设备在切割过程中产生的毛刺造成零件表面划痕。吊运过程中钢丝绳、铁链吊索具也会对纵梁表面造成划痕，弯曲成型后易在零件表面划痕处产生应力集中缺陷使纵梁在使用过程中产生断裂现象。
大梁冲孔是重要的工艺，尤其是钢材强度提高以后，以北汽福田重型卡车、北方奔驰重型卡车和大运重型卡车为例，纵梁弯曲角R（单梁或双梁一次成型）都采用10mm的规格，工艺上也主要采用先冲孔后成型的生产工艺方案，东风汽车则主要以配钻孔为主。但实际使用中，共性的问题均为弯曲线与腹面最外侧孔距离太近，造成纵梁腹面平面度超差无法达到工艺要求，同样造成纵梁直线度较差，纵梁呈拱形状，此外还有纵梁和衬梁翼面、间隙超差（2～4mm）、纵梁开口尺寸正超差等问题。这些问题需靠合理模具设计结构及设备参数的精细调整来实现。
2.微合金化高强度钢车轮
商用车列车车辆一般装配20个车轮，车轮作为高速旋转的非簧载质量，其轻量化效果比其它零部件更为显著，车轮轻量化产生的节能效果是其它零部件的1.5倍左右，因而采用轻量化车轮可以达到良好的节能减排效果。以22.5×8.25型车轮为例，目前国内的该型号车轮的质量约35kg，若每个车轮减重10%，则相当于上装减重100kg以上。目前，兴民钢圈等企业和科研院所通过600MPa级新型车轮钢的开发、结构强度及疲劳仿真和优化设计、成型和焊接等工艺优化等，最终使轮辋板厚由5.25mm降低为4.5mm、产品样件质量达到了31.5kg，减重明显，达到了预期要求，车轮疲劳性能有明显提升。新型铌微合金化600MPa车轮钢的主要成分见表2，金相检验表明除B类、D类有0.5级夹杂外，其余均为0级。与只通过LF处理钢种夹杂物对比说明，通过LF+RH工序可以较好的降低钢中夹杂级别，可以提高钢材的疲劳性能。钢中铁素体占91%，贝氏体占9%，贝氏体含量适中。组织均匀细小，铁素体晶粒度13级，平均晶粒尺寸约4.0μm，属超细晶粒钢。新型铌微合金化600Mpa车轮钢的延伸率≥22%，扩孔率≥100%，金相组织和结构优化见图1。 使用含铌高强钢600MPa的车轮钢来制造轮辋并降低轮辋厚度，必须进行结构优化分析和轻量化设计，通过仿真分析，可计算出在材料替换之后各危险点的疲劳寿命。通过整体减薄轮辋的方式对其进行优化设计。通过三维造型软件Solidworks进行模型的改变，再导入有限元软件中进行应力分析，研究轮辋减薄至4.5mm后车轮径向疲劳载荷和弯曲疲劳载荷下危险点的等效应力及疲劳寿命。结果表明当轮辋减薄至4.5mm后，车轮的疲劳寿命满足标准要求。原有轮辋重14kg，在使用新型含铌高强钢替换原有材料并进行整体减薄设计后，轮辋质量约为11.5kg，相比于原有轮辋减重约2.5kg。轮辐重20kg，加上轮辋的11.5kg，整个车轮总重为31.5kg，满足了用户对质量的需求，并且也满足了疲劳寿命的要求。
在钢制车轮制造过程中，焊接技术主要应用于轮辋的对接及轮辐与轮辋的组合。商用车车轮轮辋的对接一般采用闪光对焊，高强钢的闪光对焊成为亟待解决的问题。存在的主要问题是：成型过程中轮辋对焊焊缝易开裂；径向疲劳试验中疲劳裂纹易在组合焊缝区萌生、扩展，明显影响产品质量、制造成本及生产效率。闪光对焊参数主要包括：伸出长度（L0）、闪光电流（If）、闪光留量（δf）、闪光速度（Vf）、顶锻留量（δu）、顶锻速度（Vu）、顶锻压力（Fu）、顶锻电流（Iu）、夹钳夹持力（Fc）等。生产实践证明，闪光留量（δf）、顶锻留量（δu）、顶锻压力（Fu）及带电顶锻时间（St）对接头性能及产品质量具有更明显的影响。通过研究得到，随着δf增大，界面结合特征减弱，过热区及界面晶粒粗化，焊接区宽度有增加的趋势；δf对接头力学性能的影响主要与A动态再结晶和晶粒粗化有关。随着δu增大，界面结合特征减弱，过热区晶纹弯曲角增大，焊接区和过热区宽度减小，接头延伸率及弯曲裂纹长度有减小的趋势，这主要与接头塑性变形量、A动态再结晶及位错密度的变化有关。随着Fu增大，过热区晶纹弯曲角增大，焊接区和过热区宽度有减小的趋势；Fu较小时过热区硬度相对较高，Fu在4MP≤Fu≤6MP范围内接头弯曲裂纹长度减小。随着St增加，界面区及过热区晶粒粗化，界面区F量增加，过热区和焊接区宽度增加，接头延伸率及硬度有减小的趋势，在0.4s 最终通过新钢种的开发、轻量化设计以及焊接工艺的优化，开发的轻量化车轮质量达到31.5kg，质量低于国内外同尺寸车轮，通过台架试验，弯曲疲劳性能以及径向疲劳性能等满足标准要求以及汽车使用要求。
3.桥壳
商用车桥壳从结构上主要可分为整体式桥壳和分段式桥壳2大类，整体式桥壳因制造方法不同又有多种形式，常见的有整体铸造、钢板料冲压焊接、钢管扩张成形等。板料冲压焊接式桥壳具有质量小、制造简单、材料利用率高、抗冲击性能好以及成本低等优点，并适于大批量生产。目前桥壳采用钢板料冲压成半桥壳再经焊接而成的制造工艺正在逐步推广，有关桥壳的冲压成形研究也日渐成为研究热点。目前冲焊车桥存在主要问题是工艺水平普遍较低，过程控制能较弱，试制、试验、监测及分析技术落后等导致产品质量不稳定，出现“漏油、漏气”的现象较多，齿轮噪声高、早期失效普遍，制动器质量缺陷较多等。就桥壳生产工艺而言，汽车冲焊桥壳根据钢板的厚度分为冷冲压成形与热冲压成形，重型和中型车商用车列车车桥料厚度在12～20mm之间时，主要采用热冲压成形。国外一般为控切割下料—加热（中频炉）—压型、整形（30 000kN以上双工位液压机）—空冷—抛丸—焊接，而国内汽车桥壳普遍采用剪板机下料—加热（中频炉、电炉）—热冲压（3 000～10 000kN液压机）—空冷—校直—修边（气割或刨平）—焊接工艺来进行生产。由于国外在热冲压生产桥壳时压型和整形在同一工序完成，所以桥壳质量稳定、寿命长，而我国大多数产线矫直或整形温度偏低，从而导致所生产的桥壳质量不稳定。
桥壳的形状和结构特点决定了其所用材料必须具有很高的强度，良好的弯曲及拉延成形性及优异的焊接性能。目前，已有日本的SAPH440、SHP45、GW3300等，德国的TL-VW1114Ti、TL-VW1128TLVW1206、TL-VW1490等桥壳专用钢牌号，目前国外普遍采用的桥壳钢抗拉强度为600MPa，而国内大量应用的则为Q345、16MnL等抗拉强度在500MPa以下的钢板，这些钢板普遍存在的问题是带状组织比较明显，所以在冲压加工及后续使用过程中存在皱褶、弯曲和开裂现象。目前国内钢厂中只有宝钢股份（简称“宝钢”）、武钢股份（简称“武钢”）、太原钢铁集团（简称“太钢”）、邯郸钢铁集团（简称“邯钢”）等少数企业有专门的桥壳钢牌号，所以国内高强桥壳钢的开发和应用还没有引起足够的重视。宝钢已经在与山东蓬翔车桥厂进行合作开发铌微合金化的800～900MPa级重型货车桥壳钢的开发和应用工作，采用新的桥壳钢后，桥壳可减重50kg，减重率达20%以上。另外，武钢、邯钢、太钢也在与车桥生产厂积极开发600MPa以上铌微合金化桥壳钢，以实现桥壳轻量化（可减重10%以上）和提高桥壳使用寿命的目的。与原有500MPa级碳-锰钢相比，新的更高级别的桥壳钢都采用了铌微合金化技术，充分利用了铌在钢中细化晶粒、调节奥氏体非再结晶温度、析出强化、延迟加热时奥氏体晶粒长大等作用，不仅使钢板轧制工艺更加稳定，同时显著消除了钢中带状组织，在提高桥壳强度的同时，提高了桥壳的韧性，从而大大地提高了桥壳的使用寿命。典型的轻量化商用车列车桥壳见图2。
4.变截面板簧
商用车悬架系统主要有多片钢板弹簧、变截面少片钢板弹簧、橡胶悬架、空气悬架、复合材料板簧等，其中变截面少片钢板弹簧、橡胶悬架、空气悬架、复合材料板簧都可以达到减重的目的。由于橡胶悬架、空气悬架价格较贵，而复合材料板簧尚不成熟，因而对于中国商用车而言，参与变截面少片钢板弹簧是比较这种的选择，既可以轻量化同时性价比高。
少片变截面弹簧是由一片或几片纵向等长的变断面弹簧组成，一般不超过5片（见图3）。由两端薄中间厚、等宽等长的钢片所迭加起来。少片钢板弹簧的钢板截面变化大，从中间到两端的截面是逐渐不同，因此轧制工艺比较复杂，少片簧与多片簧相比，在相同刚度（即相同承载能力）的情况下，少片簧比多片簧轻约30%～40%左右，降低了油耗，增加了行驶平顺性。而且少片簧单片之间为点接触，减少了相对摩擦及振动，增加了乘坐舒适性。
国内外板簧的比较，国外的板簧使用应力约为1 300MPa，国内还处于900～1 100MPa。目前，广泛应用的弹簧应力和变形的计算公式根据材料力学推导出来。若无一定的实际经验，很难设计和制造出高精度的弹簧，随着设计应力的提高，以往的很多经验不再适用。
三、车厢的轻量化
除了牵引车以外，挂车是商用车列车的主要组成部分，挂车的轻量化是商用车列车减重的主要手段。半挂车的车厢和车架，作为半挂车上最重要的也是质量最大的部件，在减轻半挂车总质量方面具有很大潜力。以往的车架，由于材料性能和设计方法的限制，为了达到使用所需的强度在结构上有很多不合理的设计，这也直接导致了整车质量的增大。而随着技术的进步，新型高强度钢材的研究不断发展，有限元仿真分析和先进优化设计方法的广泛应用，以及新型制造工艺的推动，为车厢、车架结构的轻量化开发提供了基础。半挂车自重大，质量利用系数小，主要问题存在于材料和结构优化等方面。目前，挂车采用Q345和Q235比较多，如采用铌微合金化的700MPa及750MPa的挂车用钢可以有效降低挂车质量，但同时焊接、成形等工艺也亟待优化。
抗拉强度700MPa及以上级别汽车用钢的强化途径主要是多种强化方法的综合使用，从强度贡献来看主要有组织强化和析出强化2种，组织强化通过添加一定量的淬透性元素，结合控制轧制和控制冷却，得到中低温转变组织来提高钢板强度，此钢种综合性能优良，析出强化主要加入高钛、微铌钒微合金元素，通过碳氮化物第二相粒子的析出强化铁素体基体，从而提高强度，析出强化钢成本较低，成形性较好，但韧性稍差于低碳贝氏体钢。
中信联合钢厂开发了抗拉强度700MPa及750MPa级别汽车用热轧卷板。由于采用低碳微合金化成分设计，其焊接性能和接头疲劳性能十分优良：采用优选ER50-6、CHW-70C和CHW707Ni焊条焊接材料具有良好的焊接AG700L钢的能力，保留余高的焊接接头板拉伸强度与母材相当，焊接接头冷弯性能良好，各区冲击功均处于较高水平；同时这3种焊接材料具有优良的抗冷裂性能，可在不预热条件下完成8mm的700MPa钢板的焊接；ER50-6、CHW-70C焊丝焊接的AG700L焊接接头具有良好的疲劳性能。铌可以产生非常显著的晶粒细化及中等程度的沉淀强化作用，并可改善低温韧性。在高于临界温度时，铌元素对再结晶的作用表现为溶质拖曳机制，而在低于临界温度时，则表现为析出钉扎机制。铌在钢中的特点就是提高奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。
典型的铌微合金化的750MPa的挂车用钢成分见表3，通过冶炼控制以及轧制控制，铌微合金化的700MPa及750Mpa的挂车用钢均表现出了良好的力学性能，屈服强度比在0.9左右，延伸率在16%以上，强度波动在100MPa以内，冲击功在80～130J。典型的显微组织见图4，由图4可见，750MPa的挂车用钢由均匀细小的PF（多边形铁素体）和少量P（珠光体）组成，晶粒度在12～13级。
1.轻量化轿车运输车
采用上述700MPa及750Mpa的挂车用钢，再集成轻量化设计以及制造工艺优化，可以将12位框架式轿运车从目前的整备质量14.5t减至13t，轻量化减重目标10%。轻量化轿车运输车装配图见图5。
在常用的弯曲、加速和紧急制动工况下，经过优化后的车架大部分结构的应力值都处在安全的范围之内，采用新型的高强钢后可保证结构的安全。新的结构在各工况下的最大位移与原始结构相差不大。从减重效果来看，根据模型测算的质量，车架由原来的约8.2t降6.7t，相对整车减重约10%。
2.轻量化栅拦车
2013年SSAB（全球高强钢领先制造商）进行仓栅车轻量化攻关，使用微合金化的Domex700与Weldox960制造车架车厢，仓栅半挂车质量从7 800kg降低到5 800kg，每年节约费用增加运输量为8 050欧元，节约燃料2 070欧元，合计10 120欧元/年。2014年，国内钢厂与某挂车企业合作，使用700MPa与960MPa挂车用钢制造车架车厢、空气悬架替代板簧悬架、宽基单胎锻造铝合金车轮代替双胎滚型钢制车轮，进行仓栅车轻量化攻关，仓栅半挂车质量从8 000kg降低到4 900kg，每年节约费用增加运输量为15万元，节约燃料4.4万元，合计19.86万元/年。应用960MPa微合金化高强专用车用钢制造挂车大梁上下翼板、腹板、牵引板，实现减重727kg；采用700MPa级微合金化高强专用车用钢制造仓栅半挂车的车厢底板、车架的横梁、边梁、前封、后封、立柱，悬挂以及部分支撑件，实现减重1 007kg。
四、驾驶室的轻量化 驾驶室是商用车重要的组成部分，通过合理地应用轻量化材料，提高商用车驾驶室白车身的动态性能，并减轻白车身质量，实现白车身的轻量化设计，有利于驾驶人员的安全和节能减排[2]。目前国内商用车驾驶室的内外板多采用DC01-DC04，其中DC04居多，发动机周围复杂采用DC06，厚度为0.8～1.2mm。驾驶室骨架多采用DC01-DC04，厚度1.5mm居多，也采用20号钢来制造驾驶室骨架。但随着节能减排需求的提高，我国高强度钢用量约有提高，如一汽汽车驾驶室用高强度钢比例约15%左右，东风汽车用高强度钢用量亦在15%左右，而陕西汽车集团有限责任公司汽车驾驶室用高强度钢比例则小于10%。高强度钢主要是高强度合金钢（HSLA）和烘烤硬化钢为主。而通过Benchmark分析了解到，最新奔驰商用车驾驶室的高强度钢比例达到了25%以上，应用了大量的HSLA钢，这些钢材均采用铌微合金化来强化钢材性能。
近年来，国内主机厂与相关研究机构进行了驾驶室轻量化的研究和开发，但多停留在结构拓扑优化的层面[3]，应该采用高强度轻量化材料、先进成形技术和结构拓扑优化的结合，达到更佳的轻量化效果，同时通过轻量化来降低钢材采购成本，进而抵消一部分高强度钢的采购成本。
五、铌微合金化
微合金含铌高性能钢在汽车行业较为广泛，主要目的是提高汽车安全、降低汽车质量、轻量化，达到节能减排的目的。其原理是在汽车钢中添加铌元素，通过细化晶粒、减缓带状组织、优化显微组织、提高镀层性能等来达到提高钢材的强度、韧性、弯曲性能、扩孔性能、焊接性能以及疲劳性能等基本力学性能和使用性能，进而更便于制造复杂的汽车构件，提高构件的惯性矩和刚度，并同时提高构件的结构强度，进而达到构件和总成质量减低的目的。铌微合金化对钢材性能的作用见图6。
冶金和材料工程师更加关心铌微合金化对钢材性能的作用，对于汽车工程师而言，铌微合金化对对于汽车构件性能的作用更加重要，表4总结了铌微合金化对汽车轻量化以及汽车构件和总成功能的作用[4]。
总而言之，多年的实践证明，通过微合金化技术可以提高汽车钢的力学性能和使用性能，为汽车轻量化奠定了基础。
六、结论
商用车列车的轻量化意义重大，在重视牵引车轻量化的同时，应加大推动挂车的轻量化。通过轻量化设计和结构优化并结合制造工艺的改进，采用铌微合金化高强度钢的轻量化车轮、驾驶室、桥壳、牵引车车架、变截面悬架、挂车等可分别减重约100kg、150kg、200kg、150～250kg、200kg、1.5t，进而采用铌微合金化高强度钢的轻量化商用车列车可减重2t以上即轻量化15%左右，可以有效降低燃油消耗和减低排放。
在汽车钢中添加铌元素，通过细化晶粒、减缓带状组织、优化显微组织、提高镀层性能等来达到提高钢材的强度、韧性、弯曲性能、扩孔性能、焊接性能以及疲劳性能等基本力学性能和使用性能，进而更便于制造复杂的汽车构件，提高构件的惯性矩和刚度，并同时提高构件的结构强度，进而达到构件和总重降低的目的。铌微合金化的系列高强度钢的开发和应用是商用车列车轻量化的有效手段。
参考文献
[1] 路洪洲，王智文，陈一龙，等.汽车轻量化评价[J].汽车工程学报2015（1）：1-8.
[2] 张显波.商用车驾驶室白车身开发中轻量化材料的应用研究[D].吉林：吉林大学，2011.
[3] 王新宇，王登峰，陈静，等.重型商用车驾驶室轻量化设计[J]，农业机械学报，2012（8）：13-18.
[4] Lu Hongzhou，Zhang Shiqi，Jian Bian，et al.Solutions for Hydrogen-Induced Delayed Fracture in Hot Stamping[C]// Advanced Materials Research，Edited by Ma Mingtu and Zhang Yisheng，Trans Tech Publications，Switzerla nd：2015，1063：32-36.
从各国的经验看，实现汽车节能减排的措施主要有4种：改进发动机燃油效率，小型化、轻量化，替代燃料和开发新能源汽车。轻量化作为传统汽车、替代燃料汽车和新能源汽车共有的关键基础技术已经引起了世界各国和知名跨国企业的高度重视。汽车轻量化是一个系统工程，涉及到产品设计、材料、装备和工艺、售后维修、回收再利用等多方面[1]，结构优化和材料优化无疑是其中最重要的内容，铌微合金化高强度钢的开发及结构优化和相关制造技术的应用，是商用车轻量化的有效手段。
一、商用车列车车辆轻量化概述
商用车列车车辆主要由牵引车和挂车构成，我国牵引车技术在国际上已经自成体系，但轻量化方面与国外有明显差距；我国挂车生产厂商较分散，在各方面与国外都有较大的差距。各种厢式运输车、罐式运输车、半挂汽车是承担公路运输的交通工具。从发展趋势看，在未来的道路运输中甩挂运输和重型化运输已逐步成为最普遍、最具经济效率的运输方式。汽车列车车辆的轻量化可以带来显著的经济效益和社会效益。根据上海某大型物流企业实际公路运行的实践发现，车辆公路运输每减轻自重100kg，可节约0.4L/100km的燃油。据测算，该公司现有半挂运输车3 000辆，每辆车平均每年行驶12万km，单车油耗33L/100km，在未进行轻量化前的自重是15t，如果通过挂车轻量化能使车辆自重下降10%，将节省成本5 000多万元，节约柴油712.8万L，年减排二氧化碳1.91万t，产生十分可观的社会效益和经济效益。如果每年投放市场的新车均为轻量化车型，可以推算整个公路运输行业，每年将节约燃油消耗20亿L，减排二氧化碳620万t。如施行若干年后，整个行业的车辆均更新完成，则节能减排的效益更加十分巨大。总而言之，轻量化的汽车列车车辆的开发和投入使用可以促进技术进步、提高运输效率、节约能耗、减少排放，并促进社会和谐。
二、底盘的轻量化
商用车列车车辆的底盘主要由车架、车轮、车桥以及悬架等构成。
1.微合金化高强度钢车架
全国主要商用车厂商目前最常用的牵引车车架所用钢板仍然是500MPa级，应用比例占到了65%左右，而欧洲牵引车车架主要使用强度级别为700MPa的微合金化钢板，800MPa级微合金化钢板也在某些车型上得到了应用。牵引车车架轻量化主要是通过700MPa以上级别高强微合金化大梁钢代替500MPa级常用钢板，可将车架质量降低150～300kg，可将车架质量降低10%～20%，具有良好的减重效果。为实现牵引车车架的有效减重，国内许多商用车生产厂开始尝试以700MPa级微合金化钢板制作高强轻量化车架，但在采用冲压机加工700MPa级别高强钢车架时，普遍遇到了冲孔开裂、回弹量大、疲劳失效等问题。这需要通过车架设计、材料性能优化、模具设计、材料成形工艺试验以及车架的疲劳性能分析和测试等来解决。
700MPa高强度微合金化钢板在滚压成型过程中均不同程度的出现过纵梁弯曲角R位置出现裂纹，其原因是多次反复挤压圆角变形区造成，即多次冷却硬化的结果，现在纵梁生产厂家以及主机厂均已使用大型压力机冲压成型。经研究表明，提高700MPa高强度微合金化钢板的成形性，并采用以下工艺方案：板料-数控激光切割外形-数控冲孔（或模具冲孔）-模具复合成型（包含折弯及合梁）-补孔-表面处理（抛丸）可以避免裂纹的产生。优化的700MPa高强度微合金化大梁钢成分见表1。
典型700MPa高强度微合金化大梁钢组织为针状铁素体+贝氏体+M/A，晶粒细小，M/A分布在铁素体和贝氏体基体和晶界，其冷弯、低温冲击、表面质量、板形良好，延伸率在18%～22%，屈服强度比在0.9～0.93之间。另外车架是疲劳构件，表面划伤等对使用过程的疲劳性能有较大的影响，数控激光切割外形或用模具冲切外形可解决板料毛刺问题。吊运过程中可采用吊带并用垫木隔离的方法可解决板料和成品纵梁划痕问题。其原因由于选用其它切割设备在切割过程中产生的毛刺造成零件表面划痕。吊运过程中钢丝绳、铁链吊索具也会对纵梁表面造成划痕，弯曲成型后易在零件表面划痕处产生应力集中缺陷使纵梁在使用过程中产生断裂现象。
大梁冲孔是重要的工艺，尤其是钢材强度提高以后，以北汽福田重型卡车、北方奔驰重型卡车和大运重型卡车为例，纵梁弯曲角R（单梁或双梁一次成型）都采用10mm的规格，工艺上也主要采用先冲孔后成型的生产工艺方案，东风汽车则主要以配钻孔为主。但实际使用中，共性的问题均为弯曲线与腹面最外侧孔距离太近，造成纵梁腹面平面度超差无法达到工艺要求，同样造成纵梁直线度较差，纵梁呈拱形状，此外还有纵梁和衬梁翼面、间隙超差（2～4mm）、纵梁开口尺寸正超差等问题。这些问题需靠合理模具设计结构及设备参数的精细调整来实现。
2.微合金化高强度钢车轮
商用车列车车辆一般装配20个车轮，车轮作为高速旋转的非簧载质量，其轻量化效果比其它零部件更为显著，车轮轻量化产生的节能效果是其它零部件的1.5倍左右，因而采用轻量化车轮可以达到良好的节能减排效果。以22.5×8.25型车轮为例，目前国内的该型号车轮的质量约35kg，若每个车轮减重10%，则相当于上装减重100kg以上。目前，兴民钢圈等企业和科研院所通过600MPa级新型车轮钢的开发、结构强度及疲劳仿真和优化设计、成型和焊接等工艺优化等，最终使轮辋板厚由5.25mm降低为4.5mm、产品样件质量达到了31.5kg，减重明显，达到了预期要求，车轮疲劳性能有明显提升。新型铌微合金化600MPa车轮钢的主要成分见表2，金相检验表明除B类、D类有0.5级夹杂外，其余均为0级。与只通过LF处理钢种夹杂物对比说明，通过LF+RH工序可以较好的降低钢中夹杂级别，可以提高钢材的疲劳性能。钢中铁素体占91%，贝氏体占9%，贝氏体含量适中。组织均匀细小，铁素体晶粒度13级，平均晶粒尺寸约4.0μm，属超细晶粒钢。新型铌微合金化600Mpa车轮钢的延伸率≥22%，扩孔率≥100%，金相组织和结构优化见图1。 使用含铌高强钢600MPa的车轮钢来制造轮辋并降低轮辋厚度，必须进行结构优化分析和轻量化设计，通过仿真分析，可计算出在材料替换之后各危险点的疲劳寿命。通过整体减薄轮辋的方式对其进行优化设计。通过三维造型软件Solidworks进行模型的改变，再导入有限元软件中进行应力分析，研究轮辋减薄至4.5mm后车轮径向疲劳载荷和弯曲疲劳载荷下危险点的等效应力及疲劳寿命。结果表明当轮辋减薄至4.5mm后，车轮的疲劳寿命满足标准要求。原有轮辋重14kg，在使用新型含铌高强钢替换原有材料并进行整体减薄设计后，轮辋质量约为11.5kg，相比于原有轮辋减重约2.5kg。轮辐重20kg，加上轮辋的11.5kg，整个车轮总重为31.5kg，满足了用户对质量的需求，并且也满足了疲劳寿命的要求。
在钢制车轮制造过程中，焊接技术主要应用于轮辋的对接及轮辐与轮辋的组合。商用车车轮轮辋的对接一般采用闪光对焊，高强钢的闪光对焊成为亟待解决的问题。存在的主要问题是：成型过程中轮辋对焊焊缝易开裂；径向疲劳试验中疲劳裂纹易在组合焊缝区萌生、扩展，明显影响产品质量、制造成本及生产效率。闪光对焊参数主要包括：伸出长度（L0）、闪光电流（If）、闪光留量（δf）、闪光速度（Vf）、顶锻留量（δu）、顶锻速度（Vu）、顶锻压力（Fu）、顶锻电流（Iu）、夹钳夹持力（Fc）等。生产实践证明，闪光留量（δf）、顶锻留量（δu）、顶锻压力（Fu）及带电顶锻时间（St）对接头性能及产品质量具有更明显的影响。通过研究得到，随着δf增大，界面结合特征减弱，过热区及界面晶粒粗化，焊接区宽度有增加的趋势；δf对接头力学性能的影响主要与A动态再结晶和晶粒粗化有关。随着δu增大，界面结合特征减弱，过热区晶纹弯曲角增大，焊接区和过热区宽度减小，接头延伸率及弯曲裂纹长度有减小的趋势，这主要与接头塑性变形量、A动态再结晶及位错密度的变化有关。随着Fu增大，过热区晶纹弯曲角增大，焊接区和过热区宽度有减小的趋势；Fu较小时过热区硬度相对较高，Fu在4MP≤Fu≤6MP范围内接头弯曲裂纹长度减小。随着St增加，界面区及过热区晶粒粗化，界面区F量增加，过热区和焊接区宽度增加，接头延伸率及硬度有减小的趋势，在0.4s
3.桥壳
商用车桥壳从结构上主要可分为整体式桥壳和分段式桥壳2大类，整体式桥壳因制造方法不同又有多种形式，常见的有整体铸造、钢板料冲压焊接、钢管扩张成形等。板料冲压焊接式桥壳具有质量小、制造简单、材料利用率高、抗冲击性能好以及成本低等优点，并适于大批量生产。目前桥壳采用钢板料冲压成半桥壳再经焊接而成的制造工艺正在逐步推广，有关桥壳的冲压成形研究也日渐成为研究热点。目前冲焊车桥存在主要问题是工艺水平普遍较低，过程控制能较弱，试制、试验、监测及分析技术落后等导致产品质量不稳定，出现“漏油、漏气”的现象较多，齿轮噪声高、早期失效普遍，制动器质量缺陷较多等。就桥壳生产工艺而言，汽车冲焊桥壳根据钢板的厚度分为冷冲压成形与热冲压成形，重型和中型车商用车列车车桥料厚度在12～20mm之间时，主要采用热冲压成形。国外一般为控切割下料—加热（中频炉）—压型、整形（30 000kN以上双工位液压机）—空冷—抛丸—焊接，而国内汽车桥壳普遍采用剪板机下料—加热（中频炉、电炉）—热冲压（3 000～10 000kN液压机）—空冷—校直—修边（气割或刨平）—焊接工艺来进行生产。由于国外在热冲压生产桥壳时压型和整形在同一工序完成，所以桥壳质量稳定、寿命长，而我国大多数产线矫直或整形温度偏低，从而导致所生产的桥壳质量不稳定。
桥壳的形状和结构特点决定了其所用材料必须具有很高的强度，良好的弯曲及拉延成形性及优异的焊接性能。目前，已有日本的SAPH440、SHP45、GW3300等，德国的TL-VW1114Ti、TL-VW1128TLVW1206、TL-VW1490等桥壳专用钢牌号，目前国外普遍采用的桥壳钢抗拉强度为600MPa，而国内大量应用的则为Q345、16MnL等抗拉强度在500MPa以下的钢板，这些钢板普遍存在的问题是带状组织比较明显，所以在冲压加工及后续使用过程中存在皱褶、弯曲和开裂现象。目前国内钢厂中只有宝钢股份（简称“宝钢”）、武钢股份（简称“武钢”）、太原钢铁集团（简称“太钢”）、邯郸钢铁集团（简称“邯钢”）等少数企业有专门的桥壳钢牌号，所以国内高强桥壳钢的开发和应用还没有引起足够的重视。宝钢已经在与山东蓬翔车桥厂进行合作开发铌微合金化的800～900MPa级重型货车桥壳钢的开发和应用工作，采用新的桥壳钢后，桥壳可减重50kg，减重率达20%以上。另外，武钢、邯钢、太钢也在与车桥生产厂积极开发600MPa以上铌微合金化桥壳钢，以实现桥壳轻量化（可减重10%以上）和提高桥壳使用寿命的目的。与原有500MPa级碳-锰钢相比，新的更高级别的桥壳钢都采用了铌微合金化技术，充分利用了铌在钢中细化晶粒、调节奥氏体非再结晶温度、析出强化、延迟加热时奥氏体晶粒长大等作用，不仅使钢板轧制工艺更加稳定，同时显著消除了钢中带状组织，在提高桥壳强度的同时，提高了桥壳的韧性，从而大大地提高了桥壳的使用寿命。典型的轻量化商用车列车桥壳见图2。
4.变截面板簧
商用车悬架系统主要有多片钢板弹簧、变截面少片钢板弹簧、橡胶悬架、空气悬架、复合材料板簧等，其中变截面少片钢板弹簧、橡胶悬架、空气悬架、复合材料板簧都可以达到减重的目的。由于橡胶悬架、空气悬架价格较贵，而复合材料板簧尚不成熟，因而对于中国商用车而言，参与变截面少片钢板弹簧是比较这种的选择，既可以轻量化同时性价比高。
少片变截面弹簧是由一片或几片纵向等长的变断面弹簧组成，一般不超过5片（见图3）。由两端薄中间厚、等宽等长的钢片所迭加起来。少片钢板弹簧的钢板截面变化大，从中间到两端的截面是逐渐不同，因此轧制工艺比较复杂，少片簧与多片簧相比，在相同刚度（即相同承载能力）的情况下，少片簧比多片簧轻约30%～40%左右，降低了油耗，增加了行驶平顺性。而且少片簧单片之间为点接触，减少了相对摩擦及振动，增加了乘坐舒适性。
国内外板簧的比较，国外的板簧使用应力约为1 300MPa，国内还处于900～1 100MPa。目前，广泛应用的弹簧应力和变形的计算公式根据材料力学推导出来。若无一定的实际经验，很难设计和制造出高精度的弹簧，随着设计应力的提高，以往的很多经验不再适用。
三、车厢的轻量化
除了牵引车以外，挂车是商用车列车的主要组成部分，挂车的轻量化是商用车列车减重的主要手段。半挂车的车厢和车架，作为半挂车上最重要的也是质量最大的部件，在减轻半挂车总质量方面具有很大潜力。以往的车架，由于材料性能和设计方法的限制，为了达到使用所需的强度在结构上有很多不合理的设计，这也直接导致了整车质量的增大。而随着技术的进步，新型高强度钢材的研究不断发展，有限元仿真分析和先进优化设计方法的广泛应用，以及新型制造工艺的推动，为车厢、车架结构的轻量化开发提供了基础。半挂车自重大，质量利用系数小，主要问题存在于材料和结构优化等方面。目前，挂车采用Q345和Q235比较多，如采用铌微合金化的700MPa及750MPa的挂车用钢可以有效降低挂车质量，但同时焊接、成形等工艺也亟待优化。
抗拉强度700MPa及以上级别汽车用钢的强化途径主要是多种强化方法的综合使用，从强度贡献来看主要有组织强化和析出强化2种，组织强化通过添加一定量的淬透性元素，结合控制轧制和控制冷却，得到中低温转变组织来提高钢板强度，此钢种综合性能优良，析出强化主要加入高钛、微铌钒微合金元素，通过碳氮化物第二相粒子的析出强化铁素体基体，从而提高强度，析出强化钢成本较低，成形性较好，但韧性稍差于低碳贝氏体钢。
中信联合钢厂开发了抗拉强度700MPa及750MPa级别汽车用热轧卷板。由于采用低碳微合金化成分设计，其焊接性能和接头疲劳性能十分优良：采用优选ER50-6、CHW-70C和CHW707Ni焊条焊接材料具有良好的焊接AG700L钢的能力，保留余高的焊接接头板拉伸强度与母材相当，焊接接头冷弯性能良好，各区冲击功均处于较高水平；同时这3种焊接材料具有优良的抗冷裂性能，可在不预热条件下完成8mm的700MPa钢板的焊接；ER50-6、CHW-70C焊丝焊接的AG700L焊接接头具有良好的疲劳性能。铌可以产生非常显著的晶粒细化及中等程度的沉淀强化作用，并可改善低温韧性。在高于临界温度时，铌元素对再结晶的作用表现为溶质拖曳机制，而在低于临界温度时，则表现为析出钉扎机制。铌在钢中的特点就是提高奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。
典型的铌微合金化的750MPa的挂车用钢成分见表3，通过冶炼控制以及轧制控制，铌微合金化的700MPa及750Mpa的挂车用钢均表现出了良好的力学性能，屈服强度比在0.9左右，延伸率在16%以上，强度波动在100MPa以内，冲击功在80～130J。典型的显微组织见图4，由图4可见，750MPa的挂车用钢由均匀细小的PF（多边形铁素体）和少量P（珠光体）组成，晶粒度在12～13级。
1.轻量化轿车运输车
采用上述700MPa及750Mpa的挂车用钢，再集成轻量化设计以及制造工艺优化，可以将12位框架式轿运车从目前的整备质量14.5t减至13t，轻量化减重目标10%。轻量化轿车运输车装配图见图5。
在常用的弯曲、加速和紧急制动工况下，经过优化后的车架大部分结构的应力值都处在安全的范围之内，采用新型的高强钢后可保证结构的安全。新的结构在各工况下的最大位移与原始结构相差不大。从减重效果来看，根据模型测算的质量，车架由原来的约8.2t降6.7t，相对整车减重约10%。
2.轻量化栅拦车
2013年SSAB（全球高强钢领先制造商）进行仓栅车轻量化攻关，使用微合金化的Domex700与Weldox960制造车架车厢，仓栅半挂车质量从7 800kg降低到5 800kg，每年节约费用增加运输量为8 050欧元，节约燃料2 070欧元，合计10 120欧元/年。2014年，国内钢厂与某挂车企业合作，使用700MPa与960MPa挂车用钢制造车架车厢、空气悬架替代板簧悬架、宽基单胎锻造铝合金车轮代替双胎滚型钢制车轮，进行仓栅车轻量化攻关，仓栅半挂车质量从8 000kg降低到4 900kg，每年节约费用增加运输量为15万元，节约燃料4.4万元，合计19.86万元/年。应用960MPa微合金化高强专用车用钢制造挂车大梁上下翼板、腹板、牵引板，实现减重727kg；采用700MPa级微合金化高强专用车用钢制造仓栅半挂车的车厢底板、车架的横梁、边梁、前封、后封、立柱，悬挂以及部分支撑件，实现减重1 007kg。
四、驾驶室的轻量化 驾驶室是商用车重要的组成部分，通过合理地应用轻量化材料，提高商用车驾驶室白车身的动态性能，并减轻白车身质量，实现白车身的轻量化设计，有利于驾驶人员的安全和节能减排[2]。目前国内商用车驾驶室的内外板多采用DC01-DC04，其中DC04居多，发动机周围复杂采用DC06，厚度为0.8～1.2mm。驾驶室骨架多采用DC01-DC04，厚度1.5mm居多，也采用20号钢来制造驾驶室骨架。但随着节能减排需求的提高，我国高强度钢用量约有提高，如一汽汽车驾驶室用高强度钢比例约15%左右，东风汽车用高强度钢用量亦在15%左右，而陕西汽车集团有限责任公司汽车驾驶室用高强度钢比例则小于10%。高强度钢主要是高强度合金钢（HSLA）和烘烤硬化钢为主。而通过Benchmark分析了解到，最新奔驰商用车驾驶室的高强度钢比例达到了25%以上，应用了大量的HSLA钢，这些钢材均采用铌微合金化来强化钢材性能。
近年来，国内主机厂与相关研究机构进行了驾驶室轻量化的研究和开发，但多停留在结构拓扑优化的层面[3]，应该采用高强度轻量化材料、先进成形技术和结构拓扑优化的结合，达到更佳的轻量化效果，同时通过轻量化来降低钢材采购成本，进而抵消一部分高强度钢的采购成本。
五、铌微合金化
微合金含铌高性能钢在汽车行业较为广泛，主要目的是提高汽车安全、降低汽车质量、轻量化，达到节能减排的目的。其原理是在汽车钢中添加铌元素，通过细化晶粒、减缓带状组织、优化显微组织、提高镀层性能等来达到提高钢材的强度、韧性、弯曲性能、扩孔性能、焊接性能以及疲劳性能等基本力学性能和使用性能，进而更便于制造复杂的汽车构件，提高构件的惯性矩和刚度，并同时提高构件的结构强度，进而达到构件和总成质量减低的目的。铌微合金化对钢材性能的作用见图6。
冶金和材料工程师更加关心铌微合金化对钢材性能的作用，对于汽车工程师而言，铌微合金化对对于汽车构件性能的作用更加重要，表4总结了铌微合金化对汽车轻量化以及汽车构件和总成功能的作用[4]。
总而言之，多年的实践证明，通过微合金化技术可以提高汽车钢的力学性能和使用性能，为汽车轻量化奠定了基础。
六、结论
商用车列车的轻量化意义重大，在重视牵引车轻量化的同时，应加大推动挂车的轻量化。通过轻量化设计和结构优化并结合制造工艺的改进，采用铌微合金化高强度钢的轻量化车轮、驾驶室、桥壳、牵引车车架、变截面悬架、挂车等可分别减重约100kg、150kg、200kg、150～250kg、200kg、1.5t，进而采用铌微合金化高强度钢的轻量化商用车列车可减重2t以上即轻量化15%左右，可以有效降低燃油消耗和减低排放。
在汽车钢中添加铌元素，通过细化晶粒、减缓带状组织、优化显微组织、提高镀层性能等来达到提高钢材的强度、韧性、弯曲性能、扩孔性能、焊接性能以及疲劳性能等基本力学性能和使用性能，进而更便于制造复杂的汽车构件，提高构件的惯性矩和刚度，并同时提高构件的结构强度，进而达到构件和总重降低的目的。铌微合金化的系列高强度钢的开发和应用是商用车列车轻量化的有效手段。
参考文献
[1] 路洪洲，王智文，陈一龙，等.汽车轻量化评价[J].汽车工程学报2015（1）：1-8.
[2] 张显波.商用车驾驶室白车身开发中轻量化材料的应用研究[D].吉林：吉林大学，2011.
[3] 王新宇，王登峰，陈静，等.重型商用车驾驶室轻量化设计[J]，农业机械学报，2012（8）：13-18.
[4] Lu Hongzhou，Zhang Shiqi，Jian Bian，et al.Solutions for Hydrogen-Induced Delayed Fracture in Hot Stamping[C]// Advanced Materials Research，Edited by Ma Mingtu and Zhang Yisheng，Trans Tech Publications，Switzerla nd：2015，1063：32-36.