陸平忠 楊文杰 甘興川

摘要：對(duì)碳鋼材質(zhì)和鋁合金材質(zhì)的副車(chē)架進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者用料厚度比后者薄，且整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，無(wú)需多點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)；相反鋁合金副車(chē)架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需額外增加大量加強(qiáng)筋對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)，懸掛與副車(chē)架縱梁連接的方式也存在不同，仍需使用碳鋼材料配合方能連接；在相同車(chē)型，即整車(chē)額定載質(zhì)量相同的情況下，碳鋼副車(chē)架設(shè)計(jì)總質(zhì)量反而比鋁合金副車(chē)架輕約100 kg，同時(shí)鋁合金副車(chē)架生產(chǎn)總成本遠(yuǎn)高于碳鋼副車(chē)架。研究表明，碳鋼副車(chē)架目前仍是鋁合金運(yùn)油半掛車(chē)的首選。

關(guān)鍵詞：鋁合金運(yùn)油半掛車(chē)；碳鋼副車(chē)架；鋁合金副車(chē)架；整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；總質(zhì)量；成本

中圖分類號(hào)：U463? 收稿日期：2024-03-11

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406016

1 前言

21世紀(jì)初期，我國(guó)運(yùn)輸汽油、柴油等油品仍使用的是碳鋼運(yùn)油車(chē)，其材料成本較低，制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但碳鋼運(yùn)油車(chē)自重大、質(zhì)量利用系數(shù)低、油耗大，易生銹腐蝕而污染環(huán)境，同時(shí)為應(yīng)對(duì)全球變暖和能源危機(jī)，倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)，中國(guó)政府也制定出減少CO2的排放計(jì)劃，因此更安全環(huán)保的鋁合金材料在交通運(yùn)輸中得以廣泛運(yùn)用。

副車(chē)架是汽車(chē)底盤(pán)關(guān)鍵零部件之一，有著連接懸掛與車(chē)身的重要作用。鋁合金運(yùn)油半掛車(chē)屬于專用汽車(chē)中的罐式半掛車(chē)，多用于運(yùn)輸汽油、柴油等介質(zhì)，主要由罐體總成、底架總成、行走機(jī)構(gòu)總成、牽引裝置等組成，其中行走機(jī)構(gòu)總成又包含副車(chē)架總成、懸掛總成、輪胎等部件。鋁合金運(yùn)油半掛車(chē)的副車(chē)架總成按材質(zhì)分類可分為兩種：碳鋼材質(zhì)和鋁合金材質(zhì)。鐵和鋁屬于兩種不同的元素，鋁合金的密度較小，只是碳鋼的1/3，同時(shí)兩者力學(xué)性能也不同，所以碳鋼材質(zhì)和鋁合金材質(zhì)副車(chē)架從整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料厚度選擇、總質(zhì)量、加工工藝、成本等均存在明顯的差異。

鋁合金材料具有如下特點(diǎn)：密度小、導(dǎo)電性好、耐蝕性強(qiáng)、散熱性好和易于加工等[1]；該材料可焊接、可彎曲及壓力加工，可加工性較高；鋁合金罐式車(chē)還具有殘值價(jià)值更高、使用壽命長(zhǎng)、更環(huán)保和更節(jié)能等特點(diǎn)[2]。鋁合金罐式車(chē)中的鋁合金運(yùn)油半掛車(chē)從罐體總成、底架總成、附件總成等都已使用鋁合金材料替代碳鋼材料，以達(dá)到降低整車(chē)總質(zhì)量的目的，便于運(yùn)輸更多的油品，降低運(yùn)輸能耗。副車(chē)架作為專用汽車(chē)的關(guān)鍵零部件之一，連接著車(chē)身和懸掛，現(xiàn)階段已有部分車(chē)型使用鋁合金副車(chē)架，但大部分車(chē)型仍使用碳鋼副車(chē)架。本文對(duì)現(xiàn)有49立方鋁合金運(yùn)油半掛車(chē)兩種材質(zhì)的副車(chē)架整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料厚度選擇、總質(zhì)量、加工工藝、成本等開(kāi)展對(duì)比分析，以供設(shè)計(jì)生產(chǎn)參考借鑒。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比

圖1是49立方鋁合金運(yùn)油半掛車(chē)碳鋼副車(chē)架的工程圖，該副車(chē)架由碳鋼材質(zhì)的縱梁、橫梁、懸掛連接板、氣囊固定連接板、加強(qiáng)筋等關(guān)鍵部件組成，零件數(shù)量共計(jì)46件，上述部件均采用焊接的方式進(jìn)行連接，其中加強(qiáng)筋主要用于懸掛連接板位置的加強(qiáng)。

圖2是49立方鋁合金運(yùn)油半掛車(chē)鋁合金副車(chē)架的工程圖，該副車(chē)架由鋁合金材質(zhì)的縱梁、橫梁、加強(qiáng)筋、懸掛連接板、氣囊固定連接板等關(guān)鍵部件組成，零件數(shù)量共計(jì)73件，上述部件大部分采用焊接的方式進(jìn)行連接，但由于懸掛為碳鋼材質(zhì)，無(wú)法與鋁合金副車(chē)架直接通過(guò)焊接方式連接，需增加碳鋼材質(zhì)懸掛連接板先與懸掛支座焊接，再和鋁合金材質(zhì)懸掛連接板及縱梁進(jìn)行螺栓連接；此外，氣囊的固定連接也需使用碳鋼材質(zhì)的連接板與鋁合金副車(chē)架上焊接的鋁合金材質(zhì)氣囊固定連接板及縱梁螺栓連接固定。

兩種副車(chē)架的主體結(jié)構(gòu)相同，但鋁合金副車(chē)架相較于碳鋼副車(chē)架部件數(shù)量明顯增加，主要用于加強(qiáng)橫梁和連接板受力較大的部位，其中中部位置三根橫梁均為L(zhǎng)形鋁材拼接的U形拼接件且在橫梁兩端均增加折彎加強(qiáng)筋，用于提升和保證整體強(qiáng)度，分散受力；懸掛連接板和氣囊固定連接板位置均需增加加強(qiáng)板加強(qiáng)及分散受力，同時(shí)也增加使用了碳鋼材質(zhì)的懸掛連接板和氣囊固定連接板。此外，在后續(xù)使用過(guò)程中，由于鋁合金副車(chē)架的鋁合金材質(zhì)連接板及縱梁均通過(guò)螺栓與碳鋼材質(zhì)連接板連接，需要定期對(duì)螺栓的緊固情況進(jìn)行確認(rèn)并及時(shí)緊固，如未能定期檢查易出現(xiàn)螺栓松動(dòng)，導(dǎo)致鋁合金材質(zhì)連接板及縱梁側(cè)面的連接孔出現(xiàn)逐步擴(kuò)大的情況，即使發(fā)現(xiàn)后緊固也會(huì)出現(xiàn)再次松動(dòng)，從而影響和危害整車(chē)使用安全。

綜上所述，碳鋼副車(chē)架整體結(jié)構(gòu)較鋁合金副車(chē)架更為簡(jiǎn)單，零件數(shù)量也更少，連接方式更簡(jiǎn)單、更安全，后期維護(hù)相對(duì)省時(shí)省力省心，所以從設(shè)計(jì)方面考慮，碳鋼副車(chē)架明顯優(yōu)于鋁合金副車(chē)架。

3 材料厚度選擇對(duì)比

碳鋼副車(chē)架和鋁合金副車(chē)架在選擇用料厚度時(shí)，需要結(jié)合碳鋼材質(zhì)和鋁合金材質(zhì)的力學(xué)性能進(jìn)行選擇。例如副車(chē)架Z形左右縱梁，碳鋼副車(chē)架使用的是高強(qiáng)度鋼折彎，選用適合作為大梁材料的熱板T510L，厚度為6 mm，常溫下的抗拉強(qiáng)度510～630 MPa，屈服強(qiáng)度≥355 MPa，整體強(qiáng)度較高；鋁合金副車(chē)架使用Z形鋁型材作為縱梁，材質(zhì)為鋁合金6061-T6，常溫下的抗拉強(qiáng)度≥290 MPa，延伸強(qiáng)度≥240 MPa。通過(guò)對(duì)比可以看出鋁合金材質(zhì)的強(qiáng)度要弱于高強(qiáng)度鋼，在受力相同的情況下，縱梁Z形鋁型材厚度需要加大，選用厚度為12 mm的型材。同理，鋁合金副車(chē)架的橫梁、懸掛連接板、氣囊固定連接板等關(guān)鍵部件的用料厚度均大于碳鋼副車(chē)架，約呈2倍的關(guān)系。

4 總質(zhì)量對(duì)比

鋁合金的密度約為鐵的1/3，假設(shè)在結(jié)構(gòu)相同的情況下，即使鋁合金副車(chē)架用料厚度是碳鋼副車(chē)架的2倍，鋁合金副車(chē)架總質(zhì)量也會(huì)比碳鋼副車(chē)架輕約1/3，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為保證有效強(qiáng)度和正常連接，鋁合金副車(chē)架比碳鋼副車(chē)架多出27件部件用于加強(qiáng)和連接配合，表1為兩種副車(chē)架關(guān)鍵部件的質(zhì)量明細(xì)。

從表1中可以看出，鋁合金副車(chē)架的Z形材左右縱梁即使厚度為碳鋼副車(chē)架的2倍，但總的質(zhì)量仍比碳鋼副車(chē)架輕了近1/3；同時(shí)橫梁厚度為碳鋼副車(chē)架橫梁的2倍，且鋁合金副車(chē)架中部3根橫梁使用U形拼接件，數(shù)量也有所增加，但橫梁的總質(zhì)量仍比碳鋼副車(chē)架的橫梁輕約11 kg。通過(guò)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)鋁合金副車(chē)架用于加強(qiáng)和連接懸掛及固定氣囊的碳鋼材質(zhì)連接板極大地增加了鋁合金副車(chē)架的總質(zhì)量，也導(dǎo)致看似應(yīng)該更輕的鋁合金副車(chē)架變得更沉重，反而比碳鋼副車(chē)架總質(zhì)量重了約100 kg，未能達(dá)到降重的目的。

5 加工工藝對(duì)比

51 下料工藝

碳鋼副車(chē)架部件均采用激光下料，縱梁、橫梁、U形加強(qiáng)筋使用折彎?rùn)C(jī)折彎，加工工藝較為簡(jiǎn)單；鋁合金副車(chē)架的縱梁、橫梁通常訂購(gòu)鋁型材，再通過(guò)鋸床按尺寸切割、打磨，其余部件采用激光下料，U形加強(qiáng)筋等少部分部件使用折彎?rùn)C(jī)折彎，加工工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單。

52 拼裝工藝

碳鋼副車(chē)架和鋁合金副車(chē)架主體結(jié)構(gòu)均采用焊接工藝進(jìn)行連接，但因?yàn)殇X合金副車(chē)架中部橫梁及加強(qiáng)筋數(shù)量增加，導(dǎo)致整個(gè)副車(chē)架的焊縫長(zhǎng)度明顯增加，增大焊絲等耗材的消耗，額外增加焊接工時(shí)，整體的加工成本增高。此外鋁合金材質(zhì)的熱導(dǎo)率和比熱容均比碳鋼材質(zhì)高，約高出兩倍以上，導(dǎo)致在焊接鋁合金材質(zhì)時(shí)，能量除了消耗在融化的鋁合金熔池之外，更多的熱量消耗于周邊金屬部位，如需保證焊接接頭質(zhì)量，需要采用能量集中和功率大的能源或采用預(yù)熱等工藝，必定導(dǎo)致焊接成本的增加，相反碳鋼材質(zhì)則不會(huì)出現(xiàn)上述情況。

53 表面處理工藝

焊接后的碳鋼副車(chē)架為防止生銹需要額外增加噴涂油漆的工藝，但鋁合金副車(chē)架不需要，由于鋁與空氣中的氧氣極易形成致密結(jié)實(shí)的氧化鋁保護(hù)膜，無(wú)需噴漆也不會(huì)出現(xiàn)生銹，且光澤度較好。在后續(xù)使用過(guò)程中，經(jīng)過(guò)雨水和陽(yáng)光的照射，碳鋼副車(chē)架裸露的部位如噴漆效果不達(dá)標(biāo)會(huì)出現(xiàn)腐蝕的情況。

6 成本對(duì)比

副車(chē)架成本主要包含原材料費(fèi)用、加工費(fèi)用兩個(gè)方面，此外碳鋼副車(chē)架相比于鋁合金副車(chē)架需額外增加油漆處理工藝，該成本也需要計(jì)入。

鋁和鐵分別是地殼含量第一和第二高的金屬元素，儲(chǔ)量巨大，但因?yàn)殇X的提煉工藝難度高，儲(chǔ)備和運(yùn)輸成本大等諸多因素影響，鋁合金原材料成本比碳鋼要更高。截至2024年3月1日，通過(guò)查詢：鋁錠材料單價(jià)約為18 950元/t，鋁錠加工費(fèi)用約為7 500元/t；碳鋼高強(qiáng)度板單價(jià)約為5 100元/t。其中碳鋼副車(chē)架原材料費(fèi)用為碳鋼副車(chē)架總質(zhì)量與每噸材料單價(jià)的乘積，約為1 95447元；鋁合金副車(chē)架原材料費(fèi)用為鋁合金副車(chē)架總質(zhì)量與每噸材料單價(jià)及加工費(fèi)用之和的乘積再加上所用碳鋼連接板材料費(fèi)用，約為8 83403元。

根據(jù)內(nèi)部生產(chǎn)測(cè)算統(tǒng)計(jì)，碳鋼副車(chē)架的加工費(fèi)用共計(jì)約88953元/臺(tái)，包含零件加工和拼裝焊接的費(fèi)用、油漆工時(shí)費(fèi)用；鋁合金副車(chē)架的加工費(fèi)用共計(jì)約62967元/臺(tái)，包含零件加工和拼裝焊接的費(fèi)用。因此，將上述成本匯總相加即為兩種副車(chē)架的總成本，表2為碳鋼副車(chē)架和鋁合金副車(chē)架成本匯總明細(xì)。

表2 碳鋼副車(chē)架和鋁合金副車(chē)架成本匯總明細(xì)

[項(xiàng)目????? 碳鋼副車(chē)架，元/臺(tái)????? 鋁合金副車(chē)架，元/臺(tái)?? 原材料費(fèi)用??? 1 95447?????? 8 83403?????? 加工費(fèi)用（下料及拼裝焊接）?????? 13898?? 62967?? 油漆工時(shí)費(fèi)用?????? 75055?? 無(wú)??? 合計(jì)?????? 2 88400?????? 9 46370?????? ]

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)鋁合金副車(chē)架材料成本要遠(yuǎn)高于碳鋼副車(chē)架，且已高出4倍以上；另外鋁合金副車(chē)架加工費(fèi)用即使無(wú)油漆工時(shí)費(fèi)用，但合計(jì)后總成本也遠(yuǎn)高于碳鋼副車(chē)架，已超出3倍有余。在競(jìng)爭(zhēng)殘酷的鋁合金半掛運(yùn)油車(chē)市場(chǎng)中，高額的生產(chǎn)成本是企業(yè)無(wú)法承受的，所以從經(jīng)濟(jì)性考慮，碳鋼副車(chē)架明顯優(yōu)于鋁合金副車(chē)架。

7 結(jié)語(yǔ)

在鋁合金運(yùn)油半掛車(chē)副車(chē)架的設(shè)計(jì)及制造生產(chǎn)過(guò)程中，碳鋼副車(chē)架無(wú)論從整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總質(zhì)量、成本等方面均優(yōu)于鋁合金副車(chē)架，性價(jià)比更高。汽車(chē)輕量化是當(dāng)今汽車(chē)創(chuàng)新工程的技術(shù)發(fā)展方向，是21世紀(jì)世界汽車(chē)創(chuàng)新的前沿和熱點(diǎn)[3]。鋁合金材料的運(yùn)用極大地降低了整車(chē)的總質(zhì)量，副車(chē)架作為連接罐體與懸掛的重要部件，在保證強(qiáng)度的前提下，鋁合金副車(chē)架尚未能達(dá)到輕量化的目標(biāo)。在不久的將來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，設(shè)計(jì)者通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的合理改進(jìn)，運(yùn)用性能將得到極大提升的材料，無(wú)論碳鋼副車(chē)架，還是鋁合金副車(chē)架都將實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)，滿足市場(chǎng)的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜文學(xué)，周勇鋁合金罐式運(yùn)輸半掛車(chē)技術(shù)淺析[J]安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，13（5）：42-44.

[2]袁巨偉中國(guó)鋁合金罐式車(chē)發(fā)展前景（上）[J]專用汽車(chē)，2012（1）：46-49.

[3]皮佑國(guó)，黃堅(jiān)，范建湘鋁合金罐式運(yùn)輸車(chē)制造技術(shù)[J]科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（29）：19.

作者簡(jiǎn)介：

陸平忠，男，1991年生，初級(jí)工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ密?chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。