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)較為簡單，無需多點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)；相反鋁合金副車架整體結(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；在相同車型，即整車額定載質(zhì)量相同的情況下，碳鋼副車架設(shè)計(jì)總質(zhì)量反而比鋁合金副車架輕約100 kg，同時(shí)鋁合金副車架生產(chǎn)總成本遠(yuǎn)高于碳鋼副車架。研究表明，碳鋼副車架目前仍是鋁合金運(yùn)油半掛車的首選。

關(guān)鍵詞：鋁合金運(yùn)油半掛車；碳鋼副車架；鋁合金副車架；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，我國運(yùn)輸汽油、柴油等油品仍使用的是碳鋼運(yùn)油車，其材料成本較低，制造工藝相對(duì)簡單，價(jià)格低廉，但碳鋼運(yùn)油車自重大、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。

副車架是汽車底盤關(guān)鍵零部件之一，有著連接懸掛與車身的重要作用。鋁合金運(yùn)油半掛車屬于專用汽車中的罐式半掛車，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)總成又包含副車架總成、懸掛總成、輪胎等部件。鋁合金運(yùn)油半掛車的副車架總成按材質(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；鋁合金罐式車還具有殘值價(jià)值更高、使用壽命長、更環(huán)保和更節(jié)能等特點(diǎn)[2]。鋁合金罐式車中的鋁合金運(yùn)油半掛車從罐體總成、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。副車架作為專用汽車的關(guān)鍵零部件之一，連接著車身和懸掛，現(xiàn)階段已有部分車型使用鋁合金副車架，但大部分車型仍使用碳鋼副車架。本文對(duì)現(xiàn)有49立方鋁合金運(yùn)油半掛車兩種材質(zhì)的副車架整體結(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)油半掛車碳鋼副車架的工程圖，該副車架由碳鋼材質(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)油半掛車鋁合金副車架的工程圖，該副車架由鋁合金材質(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)，無法與鋁合金副車架直接通過焊接方式連接，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。

兩種副車架的主體結(jié)構(gòu)相同，但鋁合金副車架相較于碳鋼副車架部件數(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)使用過程中，由于鋁合金副車架的鋁合金材質(zhì)連接板及縱梁均通過螺栓與碳鋼材質(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使用安全。

綜上所述，碳鋼副車架整體結(jié)構(gòu)較鋁合金副車架更為簡單，零件數(shù)量也更少，連接方式更簡單、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，碳鋼副車架明顯優(yōu)于鋁合金副車架。

3 材料厚度選擇對(duì)比

碳鋼副車架和鋁合金副車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。例如副車架Z形左右縱梁，碳鋼副車架使用的是高強(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，即使鋁合金副車架用料厚度是碳鋼副車架的2倍，鋁合金副車架總質(zhì)量也會(huì)比碳鋼副車架輕約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，鋁合金副車架比碳鋼副車架多出27件部件用于加強(qiáng)和連接配合，表1為兩種副車架關(guān)鍵部件的質(zhì)量明細(xì)。

從表1中可以看出，鋁合金副車架的Z形材左右縱梁即使厚度為碳鋼副車架的2倍，但總的質(zhì)量仍比碳鋼副車架輕了近1/3；同時(shí)橫梁厚度為碳鋼副車架橫梁的2倍，且鋁合金副車架中部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)量仍比碳鋼副車架的橫梁輕約11 kg。通過對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)鋁合金副車架用于加強(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架的總質(zhì)量，也導(dǎo)致看似應(yīng)該更輕的鋁合金副車架變得更沉重，反而比碳鋼副車架總質(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

碳鋼副車架部件均采用激光下料，縱梁、橫梁、U形加強(qiáng)筋使用折彎機(jī)折彎，加工工藝較為簡單；鋁合金副車架的縱梁、橫梁通常訂購鋁型材，再通過鋸床按尺寸切割、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機(jī)折彎，加工工藝也相對(duì)簡單。

52 拼裝工藝

碳鋼副車架和鋁合金副車架主體結(jié)構(gòu)均采用焊接工藝進(jìn)行連接，但因?yàn)殇X合金副車架中部橫梁及加強(qiáng)筋數(shù)量增加，導(dǎo)致整個(gè)副車架的焊縫長度明顯增加，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)使用過程中，經(jīng)過雨水和陽光的照射，碳鋼副車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，此外碳鋼副車架相比于鋁合金副車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。其中碳鋼副車架原材料費(fèi)用為碳鋼副車架總質(zhì)量與每噸材料單價(jià)的乘積，約為1 95447元；鋁合金副車架原材料費(fèi)用為鋁合金副車架總質(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)測算統(tǒng)計(jì)，碳鋼副車架的加工費(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架的總成本，表2為碳鋼副車架和鋁合金副車架成本匯總明細(xì)。

表2 碳鋼副車架和鋁合金副車架成本匯總明細(xì)

[項(xiàng)目????? 碳鋼副車架，元/臺(tái)????? 鋁合金副車架，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??? 合計(jì)?????? 2 88400?????? 9 46370?????? ]

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

7 結(jié)語

在鋁合金運(yùn)油半掛車副車架的設(shè)計(jì)及制造生產(chǎn)過程中，碳鋼副車架無論從整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總質(zhì)量、成本等方面均優(yōu)于鋁合金副車架，性價(jià)比更高。汽車輕量化是當(dāng)今汽車創(chuàng)新工程的技術(shù)發(fā)展方向，是21世紀(jì)世界汽車創(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的總質(zhì)量，副車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，鋁合金副車架尚未能達(dá)到輕量化的目標(biāo)。在不久的將來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，設(shè)計(jì)者通過對(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，無論碳鋼副車架，還是鋁合金副車架都將實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)，滿足市場的需求。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

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