淺談半掛車“瘦身”設(shè)計(jì)

蘇衛(wèi)鋒 王錕 付宏衛(wèi)

摘 要：隨著國(guó)家對(duì)治超力度的不斷加大，“計(jì)重收費(fèi)”的大環(huán)境下，半掛車輕量化也越來(lái)越受到重視和關(guān)注，“減重”成為當(dāng)下專用汽車研究的熱點(diǎn)之一。通過(guò)優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用新材料，盡可能降低車輛重量，達(dá)到減重、降耗、節(jié)能環(huán)保、安全的目的。本文為輕量化半掛車設(shè)計(jì)者提供了參考，可減少設(shè)計(jì)中問(wèn)題的發(fā)生，提高產(chǎn)品的合理性。

關(guān)鍵詞：半掛車 輕量化 高強(qiáng)度鋼 復(fù)合材料 減重設(shè)計(jì)

1 引言

在公路運(yùn)輸中，半掛車有其他運(yùn)輸方式所不具備的靈活、安全、簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)發(fā)展成為我國(guó)重要的物流運(yùn)輸模式。隨著我國(guó)對(duì)超載運(yùn)輸?shù)膰?yán)厲治理和油價(jià)上漲的壓力加大，半掛車朝著輕量化、大容積、專用化、節(jié)能化方向發(fā)展。半掛車輕量化一直是行業(yè)追求的目標(biāo)，追求輕量化的腳步從未停止。首先來(lái)看半掛車減重后所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益：車輛每年按行駛20萬(wàn)公里，運(yùn)費(fèi)0.4元/噸計(jì)算，半掛車車每減重100kg可帶來(lái)的收益為：

0.4×0.1×200000=8000元。

研究表明，汽車所用燃料約60%消耗于汽車的自重，汽車的質(zhì)量每減輕100kg，每公里的燃油消耗減少0.4L-0.8L，CO2排放量也相應(yīng)減少。

那么什么是半掛車輕量化，該怎么輕，下邊從以下幾方面進(jìn)行簡(jiǎn)單論述。

2 車型選擇

（1）選對(duì)車型是輕量化的基礎(chǔ)，很關(guān)鍵，這就需要用戶根據(jù)運(yùn)輸貨物的不同類型來(lái)選擇所需的車型。如運(yùn)輸煤炭、鐵粉等一般選擇倉(cāng)柵半掛車，運(yùn)輸箱包貨一般選擇鵝頸或廂式半掛車，運(yùn)輸鋼卷、盤(pán)圓選擇低欄板半掛車等。

（2）車輛長(zhǎng)度的選擇，貨物類型確定后，選擇合適的車輛長(zhǎng)度也很重要，一般用于煤炭運(yùn)輸?shù)能囕v長(zhǎng)度選擇在11米-12米之間較多，而運(yùn)輸箱包貨車輛一般選擇長(zhǎng)度13米-13.75米。車輛長(zhǎng)度增加，重量必定隨之增加，運(yùn)輸貨物就相對(duì)減少，收益也會(huì)減少。拿11米倉(cāng)柵半掛車與12米倉(cāng)柵半掛車對(duì)比重量增加300-400kg左右。

3 半掛車相關(guān)配置及設(shè)計(jì)

在確定好具體車型之后，首先要考慮用戶的使用環(huán)境、工況等。如經(jīng)常跑國(guó)道還是高速，在考慮配置上也有較大差別。高強(qiáng)度鋼可以制造半掛車車架、車廂、懸架等，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，應(yīng)用高強(qiáng)度鋼的半掛車重量可以減輕25%-30%，通?？蓽p輕28%。不過(guò)高強(qiáng)度鋼在應(yīng)用時(shí)會(huì)存在一些問(wèn)題隨著強(qiáng)度的增加，沖壓性能變差、回彈量大、尺寸難以控制、容易引起皺開(kāi)裂，焊接時(shí)需要注意選用適合的高強(qiáng)度焊絲。

3.1 半掛車大梁的設(shè)計(jì)

半掛車的大梁稱之為半掛車的“脊梁”，是車輛的重要承重部件，連接著各個(gè)主要總成，承受著復(fù)雜空間力系的作用。一般車架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、合適的剛度，在保證剛度和強(qiáng)度的前提下重量最輕，以及結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單等?，F(xiàn)目前行業(yè)用的較多的是“工字”型大梁結(jié)構(gòu)，由上翼板、腹板、下翼板焊接而成，該結(jié)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)、不易變形的特點(diǎn)。也有采用“[”型結(jié)構(gòu)大梁，不需要焊接，采用沖壓成型，該結(jié)構(gòu)與“工字”型大梁相比重量輕、制作簡(jiǎn)單、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)承載能力不如“工字”型大梁，適用于標(biāo)載運(yùn)輸。根據(jù)等強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)變截面大梁，也可有效降低大梁的重量，減少應(yīng)力集中，提高大梁使用壽命。半掛車大梁也可采用熱軋汽車大梁專用H型低合金高強(qiáng)鋼，既能減輕自重，又能縮短加工制造周期，降低生產(chǎn)制造成本。大梁類型確定后，接下來(lái)要確定大梁的高度及上下 翼板、腹板的厚度，一般標(biāo)載車型大梁高度在450mm-480mm左右，大梁越高承載能力就越強(qiáng)。材質(zhì)一般選擇700L、980等高強(qiáng)度鋼材，可減少上翼板寬度和腹板厚度，也可以在大梁上增加減重孔等達(dá)到輕量化的目的。

3.2 半掛車上箱的設(shè)計(jì)

采用高輕度鋼箱板可減少箱板材料厚度，增大花欄間距、采用立柱壓筋結(jié)構(gòu)增加立柱強(qiáng)度降低重量等。

4 半掛車相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)與選擇

4.1 輕量化零部件的選擇

附件如側(cè)防護(hù)、工具箱、儲(chǔ)氣筒、輪輞、支撐裝置等可選用鋁合金材料。整車預(yù)計(jì)重量可減輕300kg左右。若選擇使用6條大單胎（425/65R22.5），需選擇加寬車橋，與配備12條12R22.5真空胎相比，重量可減輕500kg左右。缺點(diǎn)在于配備大單胎后車輛輪胎承載能力相對(duì)于12R22.5真空胎有所降低，使用于標(biāo)載運(yùn)輸。

4.2 復(fù)合材料的應(yīng)用

根據(jù)需要箱板可選用復(fù)合材料來(lái)替代傳統(tǒng)的鋼板材料，一般復(fù)合材料多用在廂式半掛車上，常用的蜂窩板結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的木夾板結(jié)構(gòu)對(duì)比，蜂窩芯板可以降低廂式車35%的側(cè)板重量，換算過(guò)來(lái)每平方米側(cè)板可降低重量5kg，整車側(cè)板可降重360kg。用復(fù)合材料單片板簧（聚氨酯基體樹(shù)脂玻璃纖維增強(qiáng)板簧）主要成分為增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂材料，來(lái)替代傳統(tǒng)鋼板彈簧板簧都可以達(dá)到減輕車輛重量的目的。

為了降低自重，歐洲的廠家可以說(shuō)是想盡了辦法，就連價(jià)格昂貴的的碳纖維材料都開(kāi)始應(yīng)用了。BPW展出了碳纖維材料的車橋，相比傳統(tǒng)的鋼制車橋，碳纖維車橋可有效降低自重。除了BPW，早在2014年的漢諾威車展上，SAF也曾展示過(guò)碳纖維車橋。可以看出，碳纖維車橋在今后車輛輕量化上也將是一大發(fā)展方向。碳纖維材料是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度新型纖維材料，其強(qiáng)度高于超高強(qiáng)度鋼2倍以上，比鋁輕30%，比鋼輕50%，強(qiáng)度是鋼的7-9倍，被稱為“輕量化材料之王”，其軸向強(qiáng)度和模量高，密度低，無(wú)蠕變，熱膨脹系數(shù)小，抗疲勞，耐腐蝕。不過(guò)價(jià)格較高，相信隨著碳纖維行業(yè)不斷成熟與發(fā)展，以及節(jié)能減排和汽車輕量化大方向的指引，碳纖維材料或稱為汽車“瘦身革命”的領(lǐng)導(dǎo)者。

4.3 空氣懸架、碟剎橋的應(yīng)用

隨著GB 7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》2018年1月1日起的實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)7.2.6要求：汽車（三輪汽車除外）、摩托車（邊三輪摩托車除外）、掛車（總質(zhì)量不大于750kg的掛車除外）的所有車輪應(yīng)裝備制動(dòng)器。所有專用校車和危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸貨車的前輪和車長(zhǎng)大于9m的其他客車的前輪，以及危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸半掛車、三軸的欄板式和倉(cāng)柵式半掛車的所有車輪，應(yīng)裝備盤(pán)式制動(dòng)器。危險(xiǎn)品貨物運(yùn)輸半掛車2019年1月1日實(shí)施，三軸欄板、倉(cāng)柵式半掛車2020年1月1日實(shí)施。其中，9.4要求：總質(zhì)量大于或等于12000kg的危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車的后軸，所有危險(xiǎn)貨物運(yùn)半掛車，以及三軸欄板式、倉(cāng)柵式半掛車應(yīng)裝備空氣懸架。以上要求于2020年1月1日起實(shí)施，這就意味著用戶在購(gòu)買普通三軸欄板式、倉(cāng)柵式半掛車購(gòu)車成本將增加5-6萬(wàn)元。整車在裝備盤(pán)式制動(dòng)器、空氣懸架后車輛重量與鋼板彈簧懸架加轂式制動(dòng)器車橋重量幾乎相當(dāng)，優(yōu)勢(shì)在于空氣懸架的減震舒適性比鋼板彈簧懸架要好，盤(pán)式制動(dòng)器比轂式制動(dòng)器散熱性能、制動(dòng)穩(wěn)定性好，維修保養(yǎng)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，提升了整車的行車安全性，可減少超載的發(fā)生。盤(pán)式制動(dòng)車橋與標(biāo)準(zhǔn)13噸轂式車橋相比單根輕約30kg，三軸車輛可減重約90kg。特別需要注意的是，半掛車配備盤(pán)式制動(dòng)器時(shí)，要求牽引車要配置緩速器，且禁止加裝淋水器進(jìn)行噴水（高溫制動(dòng)盤(pán)急冷易開(kāi)裂導(dǎo)致制動(dòng)失靈）。水箱加水后重量在600kg左右。

5 全鋁合金半掛車

由于鋁合金具有一系列優(yōu)良特性，如密度小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、彈性好、抗沖擊性能好、耐腐蝕、良好的加工成型性以及高的回收再生性等，在歐美，74%為鋁合金半掛車，在日本路合金半掛車的市場(chǎng)份額甚至達(dá)到90%以上。鋁合金半掛車使用壽命可達(dá)10年，可多創(chuàng)收150萬(wàn)-180萬(wàn)。在我國(guó)鋁合金半掛車較多的是罐式車輛，如液罐車，廂式車等。由于價(jià)格、運(yùn)輸貨物受限等原因，在倉(cāng)柵式、欄板式半掛車用全鋁結(jié)構(gòu)的較少，不過(guò)隨著用戶的認(rèn)識(shí)的提高，全鋁合金半掛車必定是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

6 承載式結(jié)構(gòu)半掛車

目前國(guó)內(nèi)的半掛車基本上采用的非承載式掛車，通俗的講就是有車架（大梁）的掛車，而在歐洲，像冷藏車或者一些廂式半掛車多數(shù)采用的是承載式結(jié)構(gòu)。這種承載式掛車沒(méi)有貫通的車架，掛車的底部就相當(dāng)于車架，因而沒(méi)有車架，所以這種承載式掛車重量更輕，當(dāng)然，這種掛車的生產(chǎn)技術(shù)要求會(huì)更高。

7 結(jié)語(yǔ)

半掛車輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程，是為了為用戶創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，作為一名設(shè)計(jì)人員，不能一味的追求“輕量化”而犧牲了車輛的安全性，在設(shè)計(jì)前期一定要做好充分的論證，做好市場(chǎng)調(diào)研，避免后期問(wèn)題的發(fā)生，因?yàn)椤拜p量化”并不一定輕。

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