新材料在重型卡車輕量化中的應(yīng)用

王慶國　王凱　趙飛

摘 要：對(duì)載重汽車來說，減輕自身質(zhì)量不僅降低油耗，還提高了有效載重量，從而提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。實(shí)現(xiàn)重卡輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程，是在保證強(qiáng)度和安全性的前提下，使用新材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新技術(shù)等實(shí)現(xiàn)整體輕量化。本文從新材料的角度出發(fā)，提出重卡輕量化在材料方面的應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：重卡；輕量化；新材料；應(yīng)用研究

隨著用戶對(duì)整車載貨量提出了更高的要求，各大重卡整車廠開始將整車降重作為重點(diǎn)工作目標(biāo)，在重卡輕量化過程中，以鋁、塑代鋼技術(shù)開始發(fā)展起來，但進(jìn)展緩慢，其重要原因是以鋁、塑代鋼并不僅僅意味著材料的替換，還意味著汽車的設(shè)計(jì)、加工、裝配各個(gè)環(huán)節(jié)都必須進(jìn)行大幅度的更改變動(dòng)，因而風(fēng)險(xiǎn)很大。另外，顧客在車輛采購中的話語權(quán)越來越重要，重卡的安全性越來越受到重視。所以，為了贏得市場(chǎng)，重卡輕量化任重道遠(yuǎn)。

1 高強(qiáng)度鋼鐵材料應(yīng)用

在輕量化概念提出之前，鋼以其卓越的性能占據(jù)重卡部件?；诜煞ㄒ?guī)及環(huán)境需求等因素，相關(guān)車企在不斷進(jìn)行產(chǎn)品提檔升級(jí)。重卡的輕量化，以高強(qiáng)鋼為方向，在提高鋼板強(qiáng)度保證安全性的前提下，降低板材厚度來實(shí)現(xiàn)減重。目前，高強(qiáng)度鋼在重卡上逐漸廣泛使用，包括首鋼研發(fā)的重型礦車輕量化設(shè)計(jì)和先進(jìn)高強(qiáng)鋼開發(fā)應(yīng)用、北京航空航天大學(xué)開發(fā)的高強(qiáng)度輕量化鋼制半掛車廂、車架等，增加了構(gòu)件的變形抗力，提高了能量吸收能力和擴(kuò)大了彈性應(yīng)變區(qū)，應(yīng)大力提倡在重卡上運(yùn)用高強(qiáng)度鋼。

2 有色合金材料應(yīng)用

2.1 鋁合金

鋁的密度約為鋼的 1/3，是應(yīng)用最廣泛的輕量化材料。變形鋁合金指鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材，在重卡上主要用于車身面板、車身骨架、車輪和懸架系統(tǒng)零件等。鋁基復(fù)合材料密度低、比強(qiáng)度和比模量高、抗熱疲勞性能好，但在重卡上的應(yīng)用受到價(jià)格及生產(chǎn)質(zhì)量控制等方面的制約，還沒有形成很大的規(guī)模。

2.1.1 鋁合金貨箱

目前，我國“輕量化”卡車研發(fā)和生產(chǎn)取得重大突破。像傳統(tǒng)油罐車運(yùn)營效益低、能耗高、易腐蝕且回收價(jià)值低、安全性能差。輕量化油罐車采用高強(qiáng)度、高延伸率鋁板，一次包罐成型，自重輕、安全性能好、油品運(yùn)輸質(zhì)量有保障，能顯著提升經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。同時(shí)，廂式車、蒼柵車、半掛車等不同產(chǎn)品系列也廣泛使用鋁合金。

2.1.2 鋁合金油箱（見圖一）

隨著工藝的不斷進(jìn)步，很多大貨車開始配備鋁合金油箱，鋁合金油箱可以很好的防止油箱內(nèi)部產(chǎn)生污垢損壞燃油系統(tǒng)，外觀上不需要噴漆涂裝，銀色外觀簡潔美觀，不僅使生產(chǎn)工藝簡化了噴涂這一過程，同時(shí)銀光閃閃的外表更容易讓用戶接受。相比鐵質(zhì)材料，鋁合金材質(zhì)本身延伸性更好，碰撞時(shí)不易破裂。

2.1.3 鋁合金車輪（見圖二）

鍛造鋁合金車輪未來將成功引領(lǐng)商用車車輛輕量化發(fā)展趨勢(shì)，[1]由于鋁合金突出的優(yōu)點(diǎn)，重型貨車輪轂也開始使用鑄造鋁合金材料。在國外，美國高速公路上 90%的運(yùn)輸車輛都是鍛造鋁合金車輪，與普通輪轂相比，鑄造鋁合金輪轂具有散熱性好，質(zhì)量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過多年的推廣，鋁制車輪開始在國內(nèi)運(yùn)輸車輛上得到應(yīng)用，這將全面引領(lǐng)商用車車輛輕量化時(shí)代的到來。

2.1.4 鋁合金鞍座（見圖三）

據(jù)了解采用鋁合金材質(zhì)的鞍座在滿足載荷需求的條件下能減重 40多公斤，還運(yùn)用了無潤滑油技術(shù)手段，適用于油罐車、散裝運(yùn)輸掛車、多式聯(lián)運(yùn)、飲料及冷藏車運(yùn)輸。鋁合金鞍座的價(jià)格相比常規(guī)鞍座來說成本將要上升，價(jià)格要高出 30%左右，仍是推廣階段，并沒有大面積的使用。

2.1.5 鋁合金制動(dòng)鼓（見圖四）

在不同的載重，速度，溫度，環(huán)境和高持久性的條件下，剎車系統(tǒng)使用的材料應(yīng)該有穩(wěn)定和信賴的摩擦和抗磨性能。目前，重卡使用的制動(dòng)系統(tǒng)多為鼓式制動(dòng)器，制動(dòng)鼓材質(zhì)為灰鐵，因其材料的固有特性，常有鼓裂、破損現(xiàn)象，售后失效索賠較高。鋁基復(fù)合材料和傳統(tǒng)的灰鐵相比，有更低的密度和更高的導(dǎo)熱率，可有效減少因制動(dòng)過程產(chǎn)生的摩擦熱量累積，同時(shí)具有良好的耐疲勞性能和耐磨損性能，從而提高了機(jī)動(dòng)車的行駛安全性。處于研發(fā)階段。

2.2 鎂合金

鎂合金具有與鋁合金相似的性能，但是鎂的密度更低，是當(dāng)前最理想、重量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。經(jīng)過鎂合金技術(shù)研究，突破了大型復(fù)雜鎂合金鑄件在汽車上集成應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，成功開發(fā)了變速器殼體、氣缸蓋罩、氣缸蓋前端蓋、曲軸后端蓋、轉(zhuǎn)向盤等鎂合金零部件，Neale等人采用重量輕的鎂金屬制作電池殼箱，能夠有效減少運(yùn)載自重，以避免在行駛過程中消耗掉不必要的能量。[2]但其鑄造性差，成本高，重卡行業(yè)用量極少。

3 塑料和復(fù)合材料

3.1 塑料材料

重卡對(duì)外飾件中塑料制品的要求很高，在國內(nèi)的各大重卡車品牌之中，歐曼是將塑料材料應(yīng)用于外飾件最早的汽車廠商之一。而其他重卡品牌在這方面的關(guān)注和應(yīng)用相對(duì)滯后，直到隨著鋼材、柴油等原材料本錢和使用材料本錢的不斷進(jìn)步，國家對(duì)超載的嚴(yán)查，以及用戶對(duì)整車載貨量提出了更高的要求，各大中、重卡車整車廠開始將整車降重作為重點(diǎn)工作目標(biāo)，才有效改善了塑料材料在重卡車外飾件的應(yīng)用現(xiàn)狀，進(jìn)而使得塑料材料在重卡車外飾件的應(yīng)用得到了長足發(fā)展。

3.2

復(fù)合材料

3.2.1

玻璃纖維復(fù)合材料

玻璃纖維復(fù)合材料具有不可比擬的物理機(jī)械性能：制件不易變形，機(jī)械性能與熱變形溫度較高，耐化學(xué)藥品性優(yōu)，且價(jià)格較低，制品外觀質(zhì)量上更佳等。玻璃纖維復(fù)合材料自問世以來，主要用于汽車制造業(yè)。在美國，所有的卡車駕駛室都用復(fù)合材料制成，其中主要是玻璃纖維復(fù)合材料。在國內(nèi)，玻璃纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用場(chǎng)合包括：車身表面覆蓋件、結(jié)構(gòu)與半結(jié)構(gòu)部件以及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部件等。

3.2.2 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料，具有低密度、高強(qiáng)度、抗沖擊、耐疲勞、耐腐蝕、耐高溫、可設(shè)計(jì)性好及零部件一體化等性能優(yōu)勢(shì)，成功應(yīng)用在汽車領(lǐng)域。車用碳纖維復(fù)合材料可用作汽車傳動(dòng)軸、板簧、構(gòu)架和剎車片等制件，能在減輕汽車重量的同時(shí)達(dá)到節(jié)能省源的效果。 2012年 11月 6日，我國首輛全碳纖維自卸車面世，開創(chuàng)了全碳纖維復(fù)合材料在國內(nèi)重卡貨箱上應(yīng)用的先河。[3]

3.2.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維是我國四大高性能纖維之一，是以純天然火山巖為原料在 1450℃～ 1500℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維，是碳纖維的低價(jià)替代品，具有更高的強(qiáng)度和彈性模量。用玄武巖粗紗制成的消音器、玄武巖織物制成的防火、隔熱和隔音材料和其它車輛內(nèi)飾部件，在重卡行業(yè)中有著良好的應(yīng)用前景。[4]

3.3

其他輕量化材料

3.3.1

橡膠材料、精細(xì)陶瓷材料

橡膠材料在重卡上降重主要表現(xiàn)在真空胎和超寬胎上。真空胎取消了內(nèi)胎組件，輪輞的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)減少。超寬胎具有低成本、自重輕、耐磨損和低油耗等優(yōu)點(diǎn)，還可以提高行駛穩(wěn)定性、避免雙輪胎的“吃胎”現(xiàn)象。

精細(xì)陶瓷材料是汽車領(lǐng)域新興材料，目前應(yīng)用在重卡上的實(shí)例還不多，在制動(dòng)材料方面，將來會(huì)較多地得到運(yùn)用。

3.3.2 聚雙環(huán)戊二烯

聚雙環(huán)戊二烯是一種新型熱固性工程塑料，具有卓越的抗沖擊性、優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性、耐候性、密度低等特性，是理想的輕量化材料，用作汽車零部件，如保險(xiǎn)杠、緩沖板、儀表板、擋泥板等，在重卡上推廣階段。

4 結(jié)束語

重卡作為汽車的一個(gè)種類，與我們生活關(guān)系密切，節(jié)能減排、綠色環(huán)保低碳生活的逐步樹立和深入人心，將會(huì)促進(jìn)新材料在重卡上運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)重卡輕量化。但由于成本問題，很多新材料很難突入到實(shí)際生產(chǎn)上，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段。希望隨著對(duì)新材料的不斷研究和發(fā)現(xiàn)，新材料在重卡行業(yè)的發(fā)展速度達(dá)到質(zhì)的飛躍。

參考文獻(xiàn)：

[1] Jianping Ticha. 《2012年中國公路貨運(yùn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》.

[2]Neale R. Neelameggham. The use of magnesium in lightweight lithium-ion battery packs[J]. Journal of Materials， 2009， 61

（4）：58～60.

[3]魏龍 .我國首輛全碳纖維自卸車面世 [J].汽車與配件，2013（1）：98-99.

[4]胡顯奇，申屠年 .連續(xù)玄武巖纖維在軍工及民用領(lǐng)域的應(yīng)用 [J].高科技纖維與應(yīng)用，2005（6）：7-13.