董學(xué)鋒

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，長春 130011）

1 前言

產(chǎn)品輕量化是汽車主要發(fā)展戰(zhàn)略之一，旨在通過一個(gè)系統(tǒng)的最小質(zhì)量，在給定的技術(shù)邊界條件下實(shí)現(xiàn)所需功能，減輕系統(tǒng)質(zhì)量，提高系統(tǒng)效率，并在整個(gè)生命周期內(nèi)保證系統(tǒng)的可靠性。重型載貨車輛每個(gè)輪胎的載荷是有限定的，總質(zhì)量也有標(biāo)準(zhǔn)限制，若總質(zhì)量不變，降低整備質(zhì)量，實(shí)際上是增加了載質(zhì)量。假如整備質(zhì)量降重500 kg，可視為載質(zhì)量增加500 kg，因此對商用車用戶來說，輕量化更有意義。

2 商用車的動(dòng)力強(qiáng)勁度

商用車、尤其是中重型載貨汽車的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對不同類型車輛的外廓尺寸、車軸數(shù)、輪胎數(shù)下的允許負(fù)荷都有明確的規(guī)定和限制，除了車輛的類別與噸位外，商用車用戶關(guān)注品牌和動(dòng)力、油耗和運(yùn)營成本、發(fā)動(dòng)機(jī)排量和功率等技術(shù)指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)分析商用車發(fā)動(dòng)機(jī)功率與總質(zhì)量數(shù)據(jù)，以車輛總質(zhì)量為橫坐標(biāo)（X=Gz），以發(fā)動(dòng)機(jī)功率為縱坐標(biāo)（Y=Pe），形成散點(diǎn)圖及總趨勢線，如圖1a所示，圖中的P1.0，代表總體的平均線，以此線為基線，分別乘以0.6、0.8、…、1.6，得到P0.6、P0.8…、P1.6，作為動(dòng)力強(qiáng)勁度分級(jí)。視P1.0線為平均水平，本文中車輛強(qiáng)勁度定義是發(fā)動(dòng)機(jī)功率與P1.0線上相同總質(zhì)量的平均功率之比。在P1.0之上越高越強(qiáng)，之下越低越弱，如果選擇動(dòng)力型，需選擇動(dòng)力強(qiáng)勁度高的，從圖中可知，個(gè)別車輛的動(dòng)力大于P1.6，在總質(zhì)量16 t以下的載貨汽車中，也有低于P0.6的車輛在售。用一個(gè)圖表示從總質(zhì)量1.3～32 t的所有動(dòng)力，從數(shù)據(jù)分布看對輕型汽車顯然不太合理，放大1.3～5 t的局部區(qū)域得到圖1b，同理，得到牽引車和自卸車的動(dòng)力強(qiáng)勁度圖1c和圖1d，其計(jì)算見表1。其中，動(dòng)力強(qiáng)勁度P=Pe/（aGz+b）。Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率；Gz為總質(zhì)量。

圖1 商用車動(dòng)力強(qiáng)勁度與分級(jí)

3 載貨汽車的質(zhì)量特征

將16 t以下的載貨汽車按橫坐標(biāo)X為整備質(zhì)量、縱坐標(biāo)Y為載質(zhì)量進(jìn)行散點(diǎn)圖分析，從圖2可以看出，點(diǎn)的集中分布規(guī)律有兩個(gè)特點(diǎn)，一是總質(zhì)量的恒定集中規(guī)律，二是載質(zhì)量的恒定集中規(guī)律。連成圖2中4～16 t的斜線族，表現(xiàn)為車輛是按總噸位設(shè)計(jì)，總質(zhì)量恒定，載質(zhì)量為總質(zhì)量與整備質(zhì)量之差；總質(zhì)量與法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)直觀對應(yīng)，也方便車輛和道路管理部門。圖中的5 t、8 t、10 t等水平線上點(diǎn)，說明設(shè)計(jì)是按載質(zhì)量為目標(biāo)開發(fā)的車型。

表1 商用車動(dòng)力強(qiáng)勁度的計(jì)算

圖2 載貨汽車的質(zhì)量

如果以車長作為橫坐標(biāo)，總質(zhì)量作為縱坐標(biāo)，制作載貨汽車的總質(zhì)量與車長關(guān)系圖（見圖3），對照國家2軸、3軸和4軸載貨汽車的總質(zhì)量和長度標(biāo)準(zhǔn)限制，全部符合。對于大噸位的車輛，基本是按總質(zhì)量最大化的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，車長各有不同，但都沒超越法規(guī)的限定。

圖3 載貨汽車質(zhì)量與車長

總質(zhì)量＜16 t的載貨汽車，用整備質(zhì)量和載質(zhì)量的散點(diǎn)形態(tài)體現(xiàn)在圖2中，按GB 1589《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》，兩軸載貨車最大允許總質(zhì)量16 t，如圖4中的最下斜線，但驅(qū)動(dòng)軸為每軸每側(cè)雙輪胎且裝備空氣懸架時(shí)，最大允許總質(zhì)量可以放寬到17 t，原因是空氣懸架在車架（車箱）與車橋之間，有效減緩了互相之間的沖擊，總質(zhì)量可以增大1 t。

圖4 2軸載貨汽車的限定

3軸貨車如圖5所示，按GB 1589最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量最小限值16 t，最大允許總質(zhì)量最大限值25 t，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸為每軸每側(cè)雙輪胎且裝備空氣懸架時(shí)，最大允許總質(zhì)量最大限值可到26 t；在圖5的陰影部分是所示區(qū)域，其中的點(diǎn)是所對應(yīng)的中國市場的現(xiàn)有車型，多數(shù)在最大限值25 t的控制線上，左上主要是6×2車型，右下主要是6×4車型，顯然，同一斜線上的車型，整備質(zhì)量越靠左上越輕，當(dāng)然6×2比6×4的要輕。

圖5 3軸載貨汽車的限定與實(shí)際分布

具有雙轉(zhuǎn)向軸的4軸汽車，GB 1589中規(guī)定重型載貨汽車[8×2/8×4]最大允許總質(zhì)量最大限值是31 t，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸為每軸每側(cè)雙輪胎且裝備空氣懸架時(shí)，最大允許總質(zhì)量最大限值32 t，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量最小限值24 t。圖6陰影區(qū)域是標(biāo)準(zhǔn)的限定區(qū)域，中國的載貨汽車空氣懸架極少，絕大多數(shù)的車型都設(shè)計(jì)在總質(zhì)量31 t的邊界線上。8×2的車型要比8×4輕，8×2的車型多集中在線的左上部分，8×4的車型多集中在線的右下部分。同一驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，左上部分自重輕而載重大。

4 商用車的輕量化度與輕量化指數(shù)

4.1 商用車的輕量化度

商用車受道路限制，對其尺寸是有限定的，外廓尺寸的最大限值是（12 000×2 500×4 000），設(shè)計(jì)不能越限。比較與分析認(rèn)為，商用車的輕量化度用整備質(zhì)量與總質(zhì)量比較合適，為此，以總質(zhì)量為橫坐標(biāo)，以整車整備質(zhì)量為縱坐標(biāo)，形成整車質(zhì)量輕量化度的評(píng)價(jià)圖，本文對輕量化度的定義是被評(píng)價(jià)車輛的整備質(zhì)量與同樣總質(zhì)量下的整備質(zhì)量趨勢平均值之比，其意義在于同樣的總質(zhì)量下，如果輕量化度值Ld=1，說明被評(píng)價(jià)車輛的整備質(zhì)量處于平均水平，Ld＜1說明比平均值好，輕量化度的值越低越好，即整車整備質(zhì)量越低越好。

圖6 4軸載貨汽車的限定與實(shí)際分布

圖7是中國載貨汽車的整備質(zhì)量與總質(zhì)量的散點(diǎn)圖，將散點(diǎn)圖做線性趨勢分析得到線L1.0，線L1.0就是載貨汽車（包括2軸、3軸和雙前軸轉(zhuǎn)向的4軸汽車）的總體平均趨勢線，平均趨勢線的公式在圖中標(biāo)出，以趨勢平均線為基準(zhǔn)，分別作倍數(shù)0.7～1.3的倍數(shù)線，得到一組斜線，這一組斜線基本覆蓋了中國載貨汽車的全部點(diǎn)，整個(gè)線族作為整車輕量化度的刻度線。比如某載貨車的總質(zhì)量是18 175 kg，整備質(zhì)量9 080 kg，用圖中公式Gk0=0.355 9Gz+516.5表示，將Gz=18 175代入得Gk0=6 985，9 080/6 985≈1.3，它的含意是6 985是總質(zhì)量為18 175 kg的整備質(zhì)量平均值，即在圖中的橫坐標(biāo)軸上，以X=18 175作垂線，以L1.0的交點(diǎn)的y值是6 985，樣車的整備質(zhì)量是9 080 kg，是平均值的1.3倍，輕量化度為1.3。再如總質(zhì)量為24 595 kg，整車整備質(zhì)量為9 080 kg時(shí)，算出整備質(zhì)量的平均值是9269.9 kg，從而得到輕量化度是0.98。

圖7 載貨汽車的輕量化度

從總質(zhì)量1.3～31 t（涵蓋4×2～8×4）用一條評(píng)價(jià)基準(zhǔn)基（這里稱混合評(píng)價(jià)），對于輕型載貨汽車稍顯粗放，將1.3～4.5 t、4.5～16 t，分開并單獨(dú)做平均趨勢線，得到各自的輕量化度獨(dú)立評(píng)價(jià)圖，見圖8a和圖8b。

圖8a 載貨汽車GZ＜4.5 t的輕量化度

圖8b 載貨汽車4.5t＜GZ＜16t的輕量化度

用同樣方法，基于現(xiàn)在中國牽引汽車的整備質(zhì)量與總質(zhì)量形成散點(diǎn)圖，圖9中含有2軸和3軸牽引車，按驅(qū)動(dòng)型式有4×2、6×2和6×4，如果做一個(gè)評(píng)價(jià)圖，同理形成趨勢平均線作為基準(zhǔn)線（L1.0），擴(kuò)展輕量化度線從L0.7～L1.3；同樣，自卸汽車的輕量化度如圖10所示，寫成輕量化度的評(píng)價(jià)公式如表2所示。其中，Ld=Gk1/(cGz+d)。Gk1為整備質(zhì)量；Gz為總質(zhì)量。

圖9 牽引車的輕量化度

公式表征汽車主要類別車型的輕量化度，分母是與總質(zhì)量線性相關(guān)的平均整備質(zhì)量。

4.2 商用車的輕量化指數(shù)

僅用質(zhì)量對比表示輕量化度過于簡單，考慮車輛外廓尺寸越大整車質(zhì)量越大，動(dòng)力越大整車質(zhì)量也越大，因此縱坐標(biāo)用車輛密度與功率比來表征，即為整備質(zhì)量除以車體積（長×寬×高），再除以發(fā)動(dòng)機(jī)功率，表示單位功率質(zhì)量密度，圖11為載貨車的輕量化指數(shù)，用二次函數(shù)來求趨勢平均線，得圖中的線1.0，以1.0線的（0.5、0.75、1.25、1.5、1.75、2.0）的倍數(shù)，得其輕量化指數(shù)的各個(gè)級(jí)線。同理得到牽引車和自卸車的輕量化指數(shù)圖如圖12和圖13所示，如果寫成公式如表3所示。其中，L是汽車輕量化指數(shù)；Gz是汽車總質(zhì)量；Gk是汽車的整備質(zhì)量；V為汽車體積（長×寬×高）；P為發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

圖10 自卸車的輕量化度

表2 輕量化度的計(jì)算

圖12 牽引車的輕量化指數(shù)

圖13 自卸車的輕量化指數(shù)

表3 輕量化指數(shù)的計(jì)算

5 載質(zhì)量利用系數(shù)

載質(zhì)量利用系數(shù)是載質(zhì)量與整備質(zhì)量之比，2009年開始，在商用車相關(guān)申報(bào)中，被當(dāng)作重要使用性能指標(biāo)來填寫，也是宏觀衡量汽車結(jié)構(gòu)合理程度的一項(xiàng)指標(biāo)。其數(shù)值越大，表明汽車設(shè)計(jì)制造水平越高，使用性能越優(yōu)越。對載貨車的質(zhì)量利用系數(shù)有最小值限定，本文不再說明。

載質(zhì)量利用系數(shù)與汽車部件、總成、結(jié)構(gòu)的完善與精良化程度以及輕質(zhì)材料的使用率有關(guān)，表明了汽車主要材料的使用及輕量化程度，也間接反映了汽車使用經(jīng)濟(jì)性。在運(yùn)輸過程中，汽車整備質(zhì)量將引起非生產(chǎn)性油耗、輪胎磨損以及發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗。在總質(zhì)量和使用壽命相同條件下，載質(zhì)量利用系數(shù)越高，該車型的結(jié)構(gòu)和制造水平就越高，輕量化程度也越好。

整備質(zhì)量利用系數(shù)的提高是現(xiàn)代載貨汽車制造技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志之一。除了不斷完善汽車結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)外，降低汽車整備質(zhì)量的重要途徑是利用輕質(zhì)材料，特別是應(yīng)用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的高強(qiáng)度鋁合金和復(fù)合塑料等。圖14是載貨汽車的載質(zhì)量利用系數(shù)圖，其部分特征線已在圖中標(biāo)示出來。

圖14 載質(zhì)量利用系數(shù)

6 結(jié)束語

重型商用車基本使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，柴油汽車比汽油汽車排放嚴(yán)重，雖商用車量少，但排量大，所以商用車的輕量化也極其重要，由于對比和評(píng)價(jià)的相關(guān)研究較少，本文在現(xiàn)有質(zhì)量統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出一種分析方法，建立一個(gè)簡單標(biāo)尺，為整車輕量化水平評(píng)價(jià)提供一個(gè)思路，用來表征商用車產(chǎn)品的輕量化程度，商用車品種非常多，文中僅以典型的3種商用車為例進(jìn)行說明，供參考和討論，并逐漸完善。