徐茂武 高玉廣 馬 治 徐忠宇 張學禮

（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中心；3.交通運輸部公路科學研究院）

1 前言

汽車的輕量化設計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量。對于以運輸貨物為主的貨車，在總質量不變的前提下，整備質量的降低意味著可以多拉貨物；空車行駛時則意味著更低的燃油消耗和排放。整備質量越低，經濟效益就越高，就越環(huán)保。汽車輕量化設計的基本途徑有:合理采用新技術，兼顧質量、性能和成本3者之間的關系；采用輕質材料替代鋼、鐵；整車結構的合理設計，降低材料的耗用量；結合使用工況，合理選用輕量化總成。

甩掛運輸牽引車具有運輸效率高、運輸成本低和能源消耗少的特點，因此成為北美、西歐等公路網絡比較發(fā)達的國家的主要運輸方式。對甩掛運輸牽引車的要求是其行駛路況要好且不超載，這就使其具備了應用輕量化技術的條件。但是，甩掛運輸牽引車的車速高、運距長，在輕量化設計過程中，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。

經查詢，國外6×4半掛牽引車的整備質量約為8100～8600 kg，中國6×4半掛牽引車的整備質量約為 8500～9500 kg，整備質量相差 400～900 kg，與國外牽引車有一定差距。此次設計目標是應用輕量化技術使現有的一款6×4半掛牽引車的整備質量由9100 kg左右降至8200 kg以下。

2 新技術的應用

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、質量輕、耐高溫性能好、制動性能穩(wěn)定的優(yōu)點。甩掛運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用，其質量輕、性能好，是一種非常成熟的技術。由于國內車輛普遍超載以及材料性能等方面的原因，導致少片簧在國內使用較少。但甩掛運輸車不超載、運距長的特點適合采用少片簧。

根據整車的布置先確定前簧的作用長度為1750 mm，經過計算確定前簧剛度為26 kg/mm。進一步計算，板簧中間部位厚度為22 mm，3片簧結構即可滿足要求。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，所以中后橋負荷較大，后平衡懸架承受整車80%左右的滿載質量。根據整車的布置先確定后簧的作用長度為1350 mm，經過計算，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到42 mm，導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。新材料的抗拉強度達到了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量減輕了181 kg。

3 新材料的應用

鋼鐵由于具有較高的性價比，目前仍是汽車制造業(yè)中使用最廣泛的材料。在輕量化設計過程中，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量[2]。

3.1 采用鋁合金輪輞

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

a.車輛在行駛過程中，由于輪胎與地面摩擦及制動操作，導致輪邊會有大量熱量產生。鋁合金有較高的熱傳導系數，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量。

設計時，鋁合金輪輞的承載性能應與鋼制輪輞相當。經過計算，采用厚度為24 mm的鋁合金輪輞可達到常用厚度為14 mm鋼制輪輞的承載能力，則每個輪輞實現減輕質量22 kg。

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

3.1.1 彎曲疲勞臺架試驗

彎曲疲勞試驗加載如圖1所示。

加載彎矩計算如下:

式中，μ為輪胎與地面間摩擦因數；R為匹配輪胎的靜態(tài)負荷半徑，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為強化試驗系數。

3.1.2 徑向疲勞臺架試驗

徑向疲勞試驗加載如圖2所示。

加載徑向載荷計算如下:

式中，K為強化試驗系數。

3.1.3 試驗結果判定

在彎曲疲勞臺架試驗和徑向疲勞臺架試驗過程中，鋁合金輪輞狀態(tài)一直正常，試驗達到要求的最低循環(huán)次數后停止試驗，拆下鋁合金輪輞，對其表面狀態(tài)進行檢查，沒有發(fā)現裂紋或出現其他損壞情況，同時自動傳感裝置的偏移量在允許范圍內，所以判定開發(fā)的鋁合金輪輞的強度合格。試驗條件及結果如表1所列。

表1 鋁合金輪輞試驗條件及結果

3.2 采用鋁合金殼體變速器

強度、剛度性能相當的變速器殼體，鋁合金殼體比鑄鐵殼體質量輕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要求對鋁合金殼體變速器進行嚙合印記試驗和靜扭試驗。

嚙合印跡試驗表明各擋齒輪嚙合正常，變速器殼體的抗彎能力滿足要求。由于試驗結果圖片較多，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結果，如圖3和圖4所示。

樣品靜扭試驗結果如表2所列，可知變速器未出現損壞，抗扭能力達到要求。

表2 變速器總成靜扭試驗結果

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，前者質量減輕44 kg；同等性能的鋁散熱器與銅散熱器相比，前者質量減輕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量減輕1.5 kg。

4 新結構和總成的應用

4.1 采用單層縱梁

車架是貨車重要的連接、承載部件，質量一般在1000kg左右，有一定減輕質量的空間。在以往設計中通常采用槽型縱梁加內槽型內加強板的結構，材料的屈服強度一般為380 MPa左右。隨著屈服強度在500 MPa及以上高強度鋼板的出現，采用單層車架的輕量化車架設計方案成為可能。甩掛運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。選用屈服強度為500MPa的高強度鋼板作為縱梁的材料，采取等強度設計方法，整體采用單層縱梁，對牽引座附近承受載荷較大的部位進行局部加強[4]，在縱梁外側裝有“L”形鞍座底板連接板、內側裝有板狀加強板。完成初步設計后運用有限元分析手段對車架不同工況下的受力情況進行分析，并進行適當修改，以得到合理的車架總成結構設計方案。最終實現減輕質量96kg。

在鞍載質量18348 kg的后扭工況下，車架的應力云圖如圖5所示，最大應力水平未超出400 MPa，有大于1.25的安全余量。在垂直、轉彎、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，則整備質量越輕、機動性越好[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，與目前絕大多數采用（3450+1350）mm軸距的牽引車相比，其質量減輕20 kg。

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

4.3 輕量化驅動橋的應用

目前6×4牽引車廣泛采用的驅動橋中質量最輕的為1524 kg（雙橋合計，不含車輪），該橋的主減速器從動錐齒輪分度圓直徑為457 mm。該橋曾廣泛應用在總質量達40 t的公路自卸車上，雙橋承受載荷為26 t，經過長期驗證其可靠性滿足要求。甩掛運輸牽引車的中后橋軸荷合計最大為20 t且使用工況較好，即該橋的能力富余較多。為進一步減輕車輛質量，開發(fā)了主減速器從動錐齒輪分度圓直徑為440 mm的驅動橋，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。結果為，后橋總成質量約650 kg，中橋約760 kg，與目前使用的質量最小的雙驅動橋相比，質量減輕了114 kg。

為保證驅動橋總成的可靠性，對中、后橋橋殼進行臺架試驗，結果表明滿足設計要求。方法及結果見圖7和表3。

表3 橋殼垂直彎曲剛性試驗結果

對中、后橋的主減速器進行臺架試驗，結果表明，驅動橋的各項指標滿足設計要求。試驗方法和試驗結果如表4～表6所列。

表4 主減速器試驗方法

表5 驅動橋主減速器試驗結果

表6 主、從動錐齒輪齒側間隙測量結果 mm

5 試驗

車輛試制完成后，對車輛進行稱重，車輛整備質量為8140 kg，達到了整備質量降至8200 kg以下的目標。車輛性能變化及整備質量變化詳見表7。

對車輛進行必要的性能測試后，按照相關新產品定型試驗要求對車輛進行30000 km的可靠性試驗，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。

試驗完成后，盤式制動器、車架、變速器、驅動橋等關鍵總成均未發(fā)生損壞現象，其它零部件及總成也未見異常。

表7 輕量化設計后性能對比

6 結束語

介紹了某型甩掛運輸半掛牽引車的輕量化設計工作，同時采用盤式制動器、少片簧等新技術，鋁合金、尼龍等新材料，單層縱梁、短軸距等新結構以及新的輕量化驅動橋，使其整備質量減至8200 kg以下。最后經過有限元分析、臺架試驗及整車可靠性試驗，證明了所采用方法的可行性。

1 彭莫，刁增祥，黨瀟正.機械工業(yè)出版社汽車懸架構件的設計計算.北京:機械工業(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:機械工業(yè)出版社，2010.

3 潘復生，張丁非，等.鋁合金及應用.北京:化學工業(yè)出版社，2012.

4 陳家瑞.汽車構造.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

5 王望予.汽車設計.北京:機械工業(yè)出版社，2004.