徐茂武 高玉廣 馬 治 徐忠宇 張學(xué)禮

（1.一汽解放汽車有限公司；2.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心；3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院）

1 前言

汽車的輕量化設(shè)計(jì)就是在保證汽車承載能力和安全性的前提下盡可能的降低汽車的整備質(zhì)量。對于以運(yùn)輸貨物為主的貨車，在總質(zhì)量不變的前提下，整備質(zhì)量的降低意味著可以多拉貨物；空車行駛時(shí)則意味著更低的燃油消耗和排放。整備質(zhì)量越低，經(jīng)濟(jì)效益就越高，就越環(huán)保。汽車輕量化設(shè)計(jì)的基本途徑有:合理采用新技術(shù)，兼顧質(zhì)量、性能和成本3者之間的關(guān)系；采用輕質(zhì)材料替代鋼、鐵；整車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，降低材料的耗用量；結(jié)合使用工況，合理選用輕量化總成。

甩掛運(yùn)輸牽引車具有運(yùn)輸效率高、運(yùn)輸成本低和能源消耗少的特點(diǎn)，因此成為北美、西歐等公路網(wǎng)絡(luò)比較發(fā)達(dá)的國家的主要運(yùn)輸方式。對甩掛運(yùn)輸牽引車的要求是其行駛路況要好且不超載，這就使其具備了應(yīng)用輕量化技術(shù)的條件。但是，甩掛運(yùn)輸牽引車的車速高、運(yùn)距長，在輕量化設(shè)計(jì)過程中，其動力系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)和車輪等的可靠性和安全性需要特別注意。

經(jīng)查詢，國外6×4半掛牽引車的整備質(zhì)量約為8100～8600 kg，中國6×4半掛牽引車的整備質(zhì)量約為 8500～9500 kg，整備質(zhì)量相差 400～900 kg，與國外牽引車有一定差距。此次設(shè)計(jì)目標(biāo)是應(yīng)用輕量化技術(shù)使現(xiàn)有的一款6×4半掛牽引車的整備質(zhì)量由9100 kg左右降至8200 kg以下。

2 新技術(shù)的應(yīng)用

2.1 采用盤式制動器

目前，貨車制動主要采用的是鼓式制動器。與鼓式制動器相比，盤式制動器具有體積小、質(zhì)量輕、耐高溫性能好、制動性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。甩掛運(yùn)輸牽引車的行駛車速較高，使用盤式制動器能提高整車的安全性。采用盤式制動器后，與同等制動效能的鼓式制動器相比，質(zhì)量減輕108 kg。

2.2 采用少片簧

少片簧在國外貨車上已廣泛應(yīng)用，其質(zhì)量輕、性能好，是一種非常成熟的技術(shù)。由于國內(nèi)車輛普遍超載以及材料性能等方面的原因，導(dǎo)致少片簧在國內(nèi)使用較少。但甩掛運(yùn)輸車不超載、運(yùn)距長的特點(diǎn)適合采用少片簧。

根據(jù)整車的布置先確定前簧的作用長度為1750 mm，經(jīng)過計(jì)算確定前簧剛度為26 kg/mm。進(jìn)一步計(jì)算，板簧中間部位厚度為22 mm，3片簧結(jié)構(gòu)即可滿足要求。綜合考慮可靠性及淬透性，選用材料50CrMnVA。與以前常用的50CrVA相比，其抗拉強(qiáng)度由1300 MPa提升到1500 MPa，最大淬透厚度提升至24 mm[1]。

牽引車的牽引座部位承受集中載荷，所以中后橋負(fù)荷較大，后平衡懸架承受整車80%左右的滿載質(zhì)量。根據(jù)整車的布置先確定后簧的作用長度為1350 mm，經(jīng)過計(jì)算，后簧的剛度約為306 kg/mm。如果選用3片簧，則每片板簧的中間部位厚度將達(dá)到42 mm，導(dǎo)致加工困難且熱處理也很難淬透。因此考慮采用4片簧，每片簧的中間部位厚度為33 mm。考慮到后簧片厚度更厚、加工難度更大，所以選用新材料FAS3550。新材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1500 MPa以上，最大淬透厚度為50 mm。新材料的可靠性、工藝性均有較大提升。

前、后板簧采用少片簧后質(zhì)量減輕了181 kg。

3 新材料的應(yīng)用

鋼鐵由于具有較高的性價(jià)比，目前仍是汽車制造業(yè)中使用最廣泛的材料。在輕量化設(shè)計(jì)過程中，充分考慮汽車使用性能的前提下，合理的“以鋁代鋼”或“以塑代鋼”，可以顯著減輕汽車的整備質(zhì)量[2]。

3.1 采用鋁合金輪輞

鋼制輪輞在國內(nèi)貨車應(yīng)用中占主導(dǎo)地位；而在國外，鍛造鋁合金輪輞在貨車、客車上均有廣泛應(yīng)用。相對于鋼質(zhì)輪輞，鋁合金輪輞有如下優(yōu)點(diǎn)[3]。

a.車輛在行駛過程中，由于輪胎與地面摩擦及制動操作，導(dǎo)致輪邊會有大量熱量產(chǎn)生。鋁合金有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，可降低輪胎和制動片的溫度，從而延長輪胎和制動片的使用壽命。

b.鋁合金的彈性模量小，抗振性能優(yōu)于鋼制輪轂，提高了車輛的舒適性。

c.鋁合金的密度約為鋼的1/3，可以明顯減輕整車質(zhì)量。

設(shè)計(jì)時(shí)，鋁合金輪輞的承載性能應(yīng)與鋼制輪輞相當(dāng)。經(jīng)過計(jì)算，采用厚度為24 mm的鋁合金輪輞可達(dá)到常用厚度為14 mm鋼制輪輞的承載能力，則每個(gè)輪輞實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量22 kg。

車輪是車輛的重要部件，關(guān)系到行車安全。為了保證其可靠性，對鋁合金輪輞進(jìn)行彎曲疲勞臺架試驗(yàn)及徑向疲勞臺架試驗(yàn)。

3.1.1 彎曲疲勞臺架試驗(yàn)

彎曲疲勞試驗(yàn)加載如圖1所示。

加載彎矩計(jì)算如下:

式中，μ為輪胎與地面間摩擦因數(shù)；R為匹配輪胎的靜態(tài)負(fù)荷半徑，單位為m；d為車輪的偏距，單位為m；FV為車輪額定載荷，單位為N；S為強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)。

3.1.2 徑向疲勞臺架試驗(yàn)

徑向疲勞試驗(yàn)加載如圖2所示。

加載徑向載荷計(jì)算如下:

式中，K為強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果判定

在彎曲疲勞臺架試驗(yàn)和徑向疲勞臺架試驗(yàn)過程中，鋁合金輪輞狀態(tài)一直正常，試驗(yàn)達(dá)到要求的最低循環(huán)次數(shù)后停止試驗(yàn)，拆下鋁合金輪輞，對其表面狀態(tài)進(jìn)行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋或出現(xiàn)其他損壞情況，同時(shí)自動傳感裝置的偏移量在允許范圍內(nèi)，所以判定開發(fā)的鋁合金輪輞的強(qiáng)度合格。試驗(yàn)條件及結(jié)果如表1所列。

表1 鋁合金輪輞試驗(yàn)條件及結(jié)果

3.2 采用鋁合金殼體變速器

強(qiáng)度、剛度性能相當(dāng)?shù)淖兯倨鳉んw，鋁合金殼體比鑄鐵殼體質(zhì)量輕80 kg。變速器是車輛的重要部件，以對鑄鐵殼體變速器的同等技術(shù)要求對鋁合金殼體變速器進(jìn)行嚙合印記試驗(yàn)和靜扭試驗(yàn)。

嚙合印跡試驗(yàn)表明各擋齒輪嚙合正常，變速器殼體的抗彎能力滿足要求。由于試驗(yàn)結(jié)果圖片較多，僅截取1擋主、從動齒輪在100%輸入扭矩情況下的嚙合印跡試驗(yàn)結(jié)果，如圖3和圖4所示。

樣品靜扭試驗(yàn)結(jié)果如表2所列，可知變速器未出現(xiàn)損壞，抗扭能力達(dá)到要求。

表2 變速器總成靜扭試驗(yàn)結(jié)果

3.3 采用鋁鎂合金油箱、鋁散熱器、尼龍快插接頭

同容積鋁鎂合金油箱與鐵油箱相比，前者質(zhì)量減輕44 kg；同等性能的鋁散熱器與銅散熱器相比，前者質(zhì)量減輕9 kg。

氣制動管路采用尼龍快插接頭，與傳統(tǒng)的金屬快插接頭相比質(zhì)量減輕1.5 kg。

4 新結(jié)構(gòu)和總成的應(yīng)用

4.1 采用單層縱梁

車架是貨車重要的連接、承載部件，質(zhì)量一般在1000kg左右，有一定減輕質(zhì)量的空間。在以往設(shè)計(jì)中通常采用槽型縱梁加內(nèi)槽型內(nèi)加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，材料的屈服強(qiáng)度一般為380 MPa左右。隨著屈服強(qiáng)度在500 MPa及以上高強(qiáng)度鋼板的出現(xiàn)，采用單層車架的輕量化車架設(shè)計(jì)方案成為可能。甩掛運(yùn)輸牽引車不超載且要求路況好，在牽引座處承受局部集中載荷。選用屈服強(qiáng)度為500MPa的高強(qiáng)度鋼板作為縱梁的材料，采取等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，整體采用單層縱梁，對牽引座附近承受載荷較大的部位進(jìn)行局部加強(qiáng)[4]，在縱梁外側(cè)裝有“L”形鞍座底板連接板、內(nèi)側(cè)裝有板狀加強(qiáng)板。完成初步設(shè)計(jì)后運(yùn)用有限元分析手段對車架不同工況下的受力情況進(jìn)行分析，并進(jìn)行適當(dāng)修改，以得到合理的車架總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。最終實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量96kg。

在鞍載質(zhì)量18348 kg的后扭工況下，車架的應(yīng)力云圖如圖5所示，最大應(yīng)力水平未超出400 MPa，有大于1.25的安全余量。在垂直、轉(zhuǎn)彎、前扭等工況下的受力情況均優(yōu)于后扭工況，可以判定滿足要求。

4.2 采用最短軸距、最短后懸布置方案

圖6所示為該車整車外形圖。汽車的軸距越短，則整備質(zhì)量越輕、機(jī)動性越好[5]。綜合考慮各種因素，通過合理布置鞍座位置及各總成的位置，將軸距縮短為（3200+1350）mm，與目前絕大多數(shù)采用（3450+1350）mm軸距的牽引車相比，其質(zhì)量減輕20 kg。

較小的整車后懸可以減小半掛牽引車的后回轉(zhuǎn)半徑，對半掛車有更好的適應(yīng)性。最終確定整車后懸為760 mm，與目前常用的890 mm后懸相比，質(zhì)量減輕7 kg。

4.3 輕量化驅(qū)動橋的應(yīng)用

目前6×4牽引車廣泛采用的驅(qū)動橋中質(zhì)量最輕的為1524 kg（雙橋合計(jì)，不含車輪），該橋的主減速器從動錐齒輪分度圓直徑為457 mm。該橋曾廣泛應(yīng)用在總質(zhì)量達(dá)40 t的公路自卸車上，雙橋承受載荷為26 t，經(jīng)過長期驗(yàn)證其可靠性滿足要求。甩掛運(yùn)輸牽引車的中后橋軸荷合計(jì)最大為20 t且使用工況較好，即該橋的能力富余較多。為進(jìn)一步減輕車輛質(zhì)量，開發(fā)了主減速器從動錐齒輪分度圓直徑為440 mm的驅(qū)動橋，該橋單橋額定軸荷13 t，最大輸出扭矩 31000 N·m，速比范圍 3.545～7.4，采用準(zhǔn)雙曲面齒輪、直齒錐齒輪式差速器，貫通橋帶軸間差速器、軸間差速鎖。結(jié)果為，后橋總成質(zhì)量約650 kg，中橋約760 kg，與目前使用的質(zhì)量最小的雙驅(qū)動橋相比，質(zhì)量減輕了114 kg。

為保證驅(qū)動橋總成的可靠性，對中、后橋橋殼進(jìn)行臺架試驗(yàn)，結(jié)果表明滿足設(shè)計(jì)要求。方法及結(jié)果見圖7和表3。

表3 橋殼垂直彎曲剛性試驗(yàn)結(jié)果

對中、后橋的主減速器進(jìn)行臺架試驗(yàn)，結(jié)果表明，驅(qū)動橋的各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果如表4～表6所列。

表4 主減速器試驗(yàn)方法

表5 驅(qū)動橋主減速器試驗(yàn)結(jié)果

表6 主、從動錐齒輪齒側(cè)間隙測量結(jié)果 mm

5 試驗(yàn)

車輛試制完成后，對車輛進(jìn)行稱重，車輛整備質(zhì)量為8140 kg，達(dá)到了整備質(zhì)量降至8200 kg以下的目標(biāo)。車輛性能變化及整備質(zhì)量變化詳見表7。

對車輛進(jìn)行必要的性能測試后，按照相關(guān)新產(chǎn)品定型試驗(yàn)要求對車輛進(jìn)行30000 km的可靠性試驗(yàn)，其中包括高速行駛12000 km、可靠性道路行駛8000 km、山區(qū)公路行駛6000 km、普通公路行駛4000 km。

試驗(yàn)完成后，盤式制動器、車架、變速器、驅(qū)動橋等關(guān)鍵總成均未發(fā)生損壞現(xiàn)象，其它零部件及總成也未見異常。

表7 輕量化設(shè)計(jì)后性能對比

6 結(jié)束語

介紹了某型甩掛運(yùn)輸半掛牽引車的輕量化設(shè)計(jì)工作，同時(shí)采用盤式制動器、少片簧等新技術(shù)，鋁合金、尼龍等新材料，單層縱梁、短軸距等新結(jié)構(gòu)以及新的輕量化驅(qū)動橋，使其整備質(zhì)量減至8200 kg以下。最后經(jīng)過有限元分析、臺架試驗(yàn)及整車可靠性試驗(yàn)，證明了所采用方法的可行性。

1 彭莫，刁增祥，黨瀟正.機(jī)械工業(yè)出版社汽車懸架構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

2 克萊恩，陳力禾.輕量化:原理、材料選擇與制造方法.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

3 潘復(fù)生，張丁非，等.鋁合金及應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

4 陳家瑞.汽車構(gòu)造.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

5 王望予.汽車設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.