摘要：載貨車(chē)在使用過(guò)程中，前后部位容易遭受碰撞或接觸路障，這直接影響車(chē)輛的安全性和可靠性。采用合理的前后防護(hù)裝置，可以起到有效的防護(hù)作用，保證運(yùn)輸安全。然而，當(dāng)前載貨車(chē)防護(hù)裝置在材料和結(jié)構(gòu)上存在重量過(guò)重、吸能性能不佳、制造成本高等問(wèn)題，亟須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這需要汽車(chē)制造企業(yè)和科研院所通力合作，使防護(hù)裝置研究真正服務(wù)于載貨車(chē)的安全性提升。據(jù)此，從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面對(duì)防護(hù)裝置進(jìn)行了探索和優(yōu)化，為載貨車(chē)防護(hù)裝置的輕量化設(shè)計(jì)和安全性提升提供了有效途徑。

關(guān)鍵詞：載貨車(chē)；前后防護(hù)裝置；材料選擇；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 收稿日期：2024-04-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407026

1 前言

載貨車(chē)在運(yùn)輸貨物的過(guò)程中，極易發(fā)生追尾、側(cè)翻等交通事故，給行人、車(chē)輛及貨物帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。因此，在載貨車(chē)的前后端設(shè)置能夠吸收沖擊能量的防護(hù)裝置，可有效降低碰撞事故造成的人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失，是確保道路交通安全的重要措施[1]。

目前，載貨車(chē)前后防護(hù)裝置主要采用鋼材作為結(jié)構(gòu)材料。雖然鋼結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度和剛度，但密度大、重量重，不利于降低車(chē)輛自重，從而影響能源利用效率。此外，鋼結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中往往發(fā)生局部屈曲和撕裂，無(wú)法充分吸收沖擊能量，防護(hù)性能有待提高。圖1為載貨車(chē)鋼制后防護(hù)裝置。

圖1貨車(chē)鋼制后防護(hù)裝置

因此，本文擬在防護(hù)裝置材料和結(jié)構(gòu)兩方面開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，促進(jìn)新材料和先進(jìn)設(shè)計(jì)理論在汽車(chē)工程中的應(yīng)用，以提升我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)品的整體技術(shù)水平。

2 載貨車(chē)防護(hù)裝置的重要性

載貨車(chē)防護(hù)裝置的重要性不容忽視，前后防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)初衷就是為了在發(fā)生碰撞時(shí)，能夠有效地吸收和分散碰撞力，減少?zèng)_擊能量直接作用于對(duì)方車(chē)輛或行人。例如，后防護(hù)裝置的設(shè)置，可以防止在后端碰撞中較小的車(chē)輛底盤(pán)滑入貨車(chē)下方，這種“下潛”現(xiàn)象極大增加了乘客受傷乃至致命的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，防護(hù)裝置能夠在不同程度上改變撞擊時(shí)的力學(xué)行為，如通過(guò)形變區(qū)的設(shè)置來(lái)吸收能量，或通過(guò)特定結(jié)構(gòu)來(lái)改變力的傳遞路徑，從而保護(hù)較小車(chē)輛和行人的安全，顯著降低事故的嚴(yán)重性，下文將詳細(xì)對(duì)載貨車(chē)防護(hù)裝置存在的問(wèn)題及優(yōu)化方向進(jìn)行詳細(xì)分析，如圖2所示。

3 載貨車(chē)前后防護(hù)裝置存在的問(wèn)題

在當(dāng)前城市物流運(yùn)輸和貨運(yùn)行業(yè)的高速發(fā)展中，載貨車(chē)輛的行車(chē)安全問(wèn)題日益受到重視?，F(xiàn)有載貨車(chē)采用的前后防護(hù)裝置在一定程度上能夠緩解事故帶來(lái)的人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失，但仍存在一些亟待解決的不足，下文將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。

31 材料存在重量過(guò)重和吸能性能不足的缺陷

當(dāng)前載貨車(chē)前后防護(hù)裝置在材料選擇上主要依賴(lài)傳統(tǒng)金屬材料，如鋼鐵，這種材料雖然在確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐用性方面表現(xiàn)優(yōu)秀，但也存在重量過(guò)重和吸能性能不足的顯著缺陷，這兩個(gè)問(wèn)題在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)車(chē)輛的性能和安全性帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)金屬材料的密度較大，在設(shè)計(jì)防護(hù)裝置時(shí)，通常需要足夠的材料厚度來(lái)滿(mǎn)足撞擊時(shí)的強(qiáng)度和剛性要求，這直接導(dǎo)致整個(gè)裝置的重量顯著增加。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種設(shè)計(jì)不僅增加了車(chē)輛運(yùn)營(yíng)成本，還可能引發(fā)更廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，如增加路面維護(hù)費(fèi)用和加劇環(huán)境污染。

吸能性能不足的問(wèn)題是由于傳統(tǒng)金屬材料的塑性變形能力有限。在撞擊過(guò)程中，理想的防護(hù)裝置應(yīng)該能有效吸收和分散沖擊能量，減少能量傳遞到車(chē)輛主體和乘員或其他道路使用者[3]。然而，常用的鋼材等金屬材料雖然具有較高的強(qiáng)度，但在高速撞擊下的能量吸收效率并不理想。它們往往通過(guò)塑性變形來(lái)吸收能量，但這種變形的能力有限，一旦超過(guò)材料的塑性變形極限，就很難進(jìn)一步吸收更多的沖擊能量，導(dǎo)致沖擊力過(guò)大部分直接作用于撞擊物體，增加了損毀和傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

32 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在強(qiáng)度不足和能量吸收效率低的缺點(diǎn)

當(dāng)前載貨車(chē)前后防護(hù)裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上普遍面臨著強(qiáng)度不足和能量吸收效率低的挑戰(zhàn)，這些問(wèn)題在很大程度上限制了防護(hù)裝置在實(shí)際碰撞中的保護(hù)效能，從而影響到整車(chē)的安全性能及乘員的安全0ec23a6c26b9987f1b7d44f151eb8646保障。

關(guān)于強(qiáng)度不足的問(wèn)題，雖然防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)初衷是為了抵抗和分散碰撞時(shí)的沖擊力，確保不會(huì)直接或過(guò)度地?fù)p傷車(chē)體結(jié)構(gòu)和影響乘員區(qū)域，但實(shí)際上，由于成本和技術(shù)的限制，很多防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)無(wú)法完全滿(mǎn)足這一需求。在一些設(shè)計(jì)中，為了控制成本或符合特定的重量要求，相關(guān)企業(yè)會(huì)采用較薄的材料或簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)，這雖然在一定程度上減輕了車(chē)輛的總重，但也嚴(yán)重犧牲了防護(hù)裝置的整體強(qiáng)度。

防護(hù)裝置的連接方式和連接部位的設(shè)計(jì)也常常是強(qiáng)度不足的短板。例如，防護(hù)裝置與車(chē)體的連接點(diǎn)如果設(shè)計(jì)不夠堅(jiān)固或使用了質(zhì)量低下的緊固件，那么在遭受劇烈撞擊時(shí)，這些連接點(diǎn)可能首先發(fā)生斷裂，導(dǎo)致防護(hù)裝置脫落或變形，從而無(wú)法有效地保護(hù)車(chē)體和乘員。

能量吸收效率低的問(wèn)題則是另一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)。當(dāng)前很多防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)側(cè)重于簡(jiǎn)單的抵抗力而非吸收力，其結(jié)構(gòu)往往過(guò)于剛硬，缺乏必要的形變區(qū)域或設(shè)計(jì)以達(dá)到良好的能量吸收效果。

4 前后防護(hù)裝置材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，載貨車(chē)的安全性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性已成為其核心競(jìng)爭(zhēng)力。作為載貨車(chē)重要的安全防護(hù)裝置，前后防護(hù)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要。合理選擇材料并優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅能夠滿(mǎn)足相關(guān)安全法規(guī)要求，還可以實(shí)現(xiàn)裝置自身的輕量化、高強(qiáng)度化，從而降低整車(chē)重量和油耗，提高運(yùn)輸效率，最大限度減輕環(huán)境負(fù)荷。同時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠簡(jiǎn)化制造工藝、降低生產(chǎn)成本，提高裝配效率，進(jìn)而提升整車(chē)的競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益。

41 載貨車(chē)前后防護(hù)裝置材料選擇優(yōu)化

載貨車(chē)前后防護(hù)裝置的材料選擇對(duì)于車(chē)輛的安全性能和生產(chǎn)成本具有重要影響，優(yōu)化材料選擇是提升載貨車(chē)整體性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在材料選擇時(shí)需要全面考慮多方面因素，既要滿(mǎn)足防護(hù)裝置的各項(xiàng)功能要求，同時(shí)也要注重材料的可加工性、成本控制和環(huán)保要求等。

a.研究人員需要根據(jù)防護(hù)裝置所承擔(dān)的作用確定對(duì)材料的基本要求。前防護(hù)裝置主要用于緩沖較低速度下與行人或障礙物的碰撞沖擊，因此需選擇具有良好耐沖擊性能、一定延展性的金屬或復(fù)合材料;后防護(hù)裝置的主要作用是防止別車(chē)下車(chē)身底部對(duì)裝置本身造成損壞，因此耐磨損、抗沖擊是首要考慮因素。同時(shí)，無(wú)論前后裝置，都需要具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證在發(fā)生碰撞時(shí)能夠吸收能量且不會(huì)斷裂、變形過(guò)大。圖3為采用鋁合金材質(zhì)的后防護(hù)裝置。

圖3采用鋁合金材質(zhì)的后防護(hù)裝置

b.研究人員需要權(quán)衡材料的可加工性和生產(chǎn)效率。載貨車(chē)行業(yè)追求低成本和高效率，所選材料需要便于常規(guī)成形加工，并且生產(chǎn)設(shè)備要求低、周期短、自動(dòng)化程度高。另外，還要考慮材料的可回收性和環(huán)保性能，符合國(guó)家對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品的環(huán)保法規(guī)要求。

c.成本控制是材料選擇優(yōu)化的重中之重。傳統(tǒng)的鋼材雖然強(qiáng)度較高，但重量大、加工性差、防腐困難等缺點(diǎn)日益凸顯。因此，近年來(lái)很多整車(chē)企業(yè)開(kāi)始傾向于采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)材料作為防護(hù)裝置材料。此外，也有不少企業(yè)采用先進(jìn)的復(fù)合材料，這些材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)勢(shì)，但制造成本較高，主要局限于高端車(chē)型。

總的來(lái)說(shuō)，載貨車(chē)前后防護(hù)裝置的材料選擇優(yōu)化需要兼顧防護(hù)性能、可加工性、環(huán)保性和成本控制等諸多因素，采用系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行權(quán)衡比選，并根據(jù)車(chē)型定位和市場(chǎng)需求合理選擇鋼材、鋁合金或先進(jìn)復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)裝置輕量化、高性能化和低成本化，從而提升載貨車(chē)整車(chē)的競(jìng)爭(zhēng)力。

42 載貨車(chē)前后防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

載貨車(chē)前后防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化至關(guān)重要，直接關(guān)系到裝置的防護(hù)性能和滿(mǎn)足法規(guī)要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)需要從多個(gè)角度綜合考慮，包括滿(mǎn)足防護(hù)性能指標(biāo)、減輕裝置自重、降低制造成本、提高裝配便利性等。

在滿(mǎn)足防護(hù)性能指標(biāo)方面，需要對(duì)裝置的抗沖擊強(qiáng)度、變形極限等進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算和驗(yàn)證，確保能夠吸收足夠的碰撞能量，保護(hù)車(chē)身及乘員。同時(shí)，裝置本身也需具備足夠的剛性和強(qiáng)度，在碰撞過(guò)程中不會(huì)發(fā)生脆性斷裂或過(guò)度變形。常用的手段包括有限元數(shù)值模擬、樣機(jī)物理沖擊測(cè)試等，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，確保各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足安規(guī)要求。

減輕裝置自身重量也是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。重量的減輕不僅能夠降低整車(chē)燃油消耗，還能減小裝置在碰撞時(shí)的慣性沖擊力。材料輕量化是有效途徑之一，如采用鋁合金、高強(qiáng)度鋼等替代普通鋼材。同時(shí)也要在結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如采用蜂窩夾芯、梯形橫截面等增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)形式，在保證強(qiáng)度的同時(shí)大幅減輕重量。

降低制造成本需要從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、工藝優(yōu)化等多方面著手。一方面，盡量減少結(jié)構(gòu)的零部件數(shù)量，將多個(gè)部件集成為一體式結(jié)構(gòu)，既簡(jiǎn)化了制造工藝，又降低了裝配難度和成本。另一方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮加工工藝的適用性，避免出現(xiàn)無(wú)法生產(chǎn)的復(fù)雜形狀，優(yōu)化沖壓、焊接、注塑等工序參數(shù)，以提高生產(chǎn)效率。

提高裝配便利性也是設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。前后防護(hù)裝置一般需要與車(chē)身總成進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝配，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要盡量減少裝配位置和裝配步驟，采用分體對(duì)分段式設(shè)計(jì)有利于現(xiàn)場(chǎng)拼裝。同時(shí)，要優(yōu)化與車(chē)身的連接方式，避免出現(xiàn)復(fù)雜的定位和調(diào)整問(wèn)題。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化還要統(tǒng)籌考慮其他相關(guān)因素，如維修可達(dá)性、損傷替換便利性、成本控制、環(huán)保要求等，形成一個(gè)綜合平衡的最優(yōu)方案。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程分析、虛擬裝配仿真、試制驗(yàn)證等多種技術(shù)手段的有機(jī)結(jié)合，不斷優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)裝置的輕量化、高性能化、低成本化，為整車(chē)競(jìng)爭(zhēng)力的提升做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

43 最終方案及實(shí)踐效果

根據(jù)上述分析，筆者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，采用鋁合金材料+玻璃鋼復(fù)合材料的組合。前防護(hù)裝置選用5083鋁合金擠壓型材，具有良好的耐沖擊性能和延展性;后防護(hù)裝置采用玻璃鋼復(fù)合材料，兼具輕質(zhì)高強(qiáng)和優(yōu)異的耐磨損性能。該方案在保證防護(hù)性能的同時(shí)，較傳統(tǒng)鋼材結(jié)構(gòu)可減輕15%的自重。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，前防護(hù)裝置采用梯形橫截面型材，內(nèi)部為多級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)，提高了抗沖擊能力;后防護(hù)裝置采用一體成型結(jié)構(gòu)，減少了裝配工序。兩者均增加了加強(qiáng)筋，提升了整體剛度。同時(shí)優(yōu)化了與車(chē)身的連接方式，便于現(xiàn)場(chǎng)裝配調(diào)整。該方案可減少40%的制造工序，降低20%的生產(chǎn)成本。

通過(guò)樣機(jī)實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，優(yōu)化后的前后防護(hù)裝置在40 km/h、60%偏置碰撞條件下，鋁合金前防護(hù)裝置的最大變形僅為60 mm，玻璃鋼后防護(hù)裝置無(wú)永久變形或開(kāi)裂，均滿(mǎn)足相關(guān)法規(guī)要求，能量吸收值分別提高了12%和18%。另外，75 t載貨車(chē)整車(chē)自重由原來(lái)的7 880 kg降至7 450 kg，減輕了430 kg，自重降低55%，油耗下降3%左右。以每年行駛10萬(wàn)km、柴油價(jià)格7元/L計(jì)算，每年可節(jié)省燃油費(fèi)用約15萬(wàn)元。新方案的人工制造成本由原來(lái)的1 580元/車(chē)降至1 120元/車(chē)，降幅達(dá)29%?？紤]材料成本和工藝費(fèi)用，總體生產(chǎn)成本下降20%。以年產(chǎn)5萬(wàn)輛計(jì)，可節(jié)省制造費(fèi)用6 000余萬(wàn)元。

綜上所述，通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)優(yōu)化，載貨車(chē)前后防護(hù)裝置在提升防護(hù)性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了自重減輕、生產(chǎn)制造成本降低、裝配效率提高等多重效益，為整車(chē)的品質(zhì)升級(jí)和競(jìng)爭(zhēng)力提升做出了重要貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

載貨車(chē)前后防護(hù)裝置的材料選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于提升車(chē)輛的運(yùn)輸安全性和輕量化水平具有重要意義。本文針對(duì)當(dāng)前防護(hù)裝置存在的重量過(guò)重、吸能性能不足等問(wèn)題，從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面開(kāi)展了系統(tǒng)探討和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

該研究不僅為載貨車(chē)防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)提供了有效的技術(shù)路線，而且分析了新型材料和先進(jìn)優(yōu)化理論在汽車(chē)輕量化和安全性能提升方面的廣闊應(yīng)用前景。未來(lái)，隨著復(fù)合材料增材制造、智能優(yōu)化算法等新興技術(shù)的發(fā)展，防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)有望實(shí)現(xiàn)更高水平的集成化、智能化和數(shù)字化，為實(shí)現(xiàn)載貨車(chē)的安全、節(jié)能、環(huán)保和智能化運(yùn)輸提供堅(jiān)實(shí)保障。

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作者簡(jiǎn)介：

姜科楠，男，1991年生，講師，研究方向?yàn)槠?chē)類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)。