某甩挂运输半挂牵引车的轻量化设计

2013-09-04徐茂武高玉广徐忠宇张学礼

汽车技术 2013年6期

徐茂武高玉广马治徐忠宇张学礼

（1.一汽解放汽车有限公司；2.中国第一汽车股份有限公司技术中心；3.交通运输部公路科学研究院）

1 前言

汽车的轻量化设计就是在保证汽车承载能力和安全性的前提下尽可能的降低汽车的整备质量。对于以运输货物为主的货车，在总质量不变的前提下，整备质量的降低意味着可以多拉货物；空车行驶时则意味着更低的燃油消耗和排放。整备质量越低，经济效益就越高，就越环保。汽车轻量化设计的基本途径有:合理采用新技术，兼顾质量、性能和成本3者之间的关系；采用轻质材料替代钢、铁；整车结构的合理设计，降低材料的耗用量；结合使用工况，合理选用轻量化总成。

甩挂运输牵引车具有运输效率高、运输成本低和能源消耗少的特点，因此成为北美、西欧等公路网络比较发达的国家的主要运输方式。对甩挂运输牵引车的要求是其行驶路况要好且不超载，这就使其具备了应用轻量化技术的条件。但是，甩挂运输牵引车的车速高、运距长，在轻量化设计过程中，其动力系统、悬架系统和车轮等的可靠性和安全性需要特别注意。

经查询，国外6×4半挂牵引车的整备质量约为8100～8600 kg，中国6×4半挂牵引车的整备质量约为 8500～9500 kg，整备质量相差 400～900 kg，与国外牵引车有一定差距。此次设计目标是应用轻量化技术使现有的一款6×4半挂牵引车的整备质量由9100 kg左右降至8200 kg以下。

2 新技术的应用

2.1 采用盘式制动器

目前，货车制动主要采用的是鼓式制动器。与鼓式制动器相比，盘式制动器具有体积小、质量轻、耐高温性能好、制动性能稳定的优点。甩挂运输牵引车的行驶车速较高，使用盘式制动器能提高整车的安全性。采用盘式制动器后，与同等制动效能的鼓式制动器相比，质量减轻108 kg。

2.2 采用少片簧

少片簧在国外货车上已广泛应用，其质量轻、性能好，是一种非常成熟的技术。由于国内车辆普遍超载以及材料性能等方面的原因，导致少片簧在国内使用较少。但甩挂运输车不超载、运距长的特点适合采用少片簧。

根据整车的布置先确定前簧的作用长度为1750 mm，经过计算确定前簧刚度为26 kg/mm。进一步计算，板簧中间部位厚度为22 mm，3片簧结构即可满足要求。综合考虑可靠性及淬透性，选用材料50CrMnVA。与以前常用的50CrVA相比，其抗拉强度由1300 MPa提升到1500 MPa，最大淬透厚度提升至24 mm[1]。

牵引车的牵引座部位承受集中载荷，所以中后桥负荷较大，后平衡悬架承受整车80%左右的满载质量。根据整车的布置先确定后簧的作用长度为1350 mm，经过计算，后簧的刚度约为306 kg/mm。如果选用3片簧，则每片板簧的中间部位厚度将达到42 mm，导致加工困难且热处理也很难淬透。因此考虑采用4片簧，每片簧的中间部位厚度为33 mm。考虑到后簧片厚度更厚、加工难度更大，所以选用新材料FAS3550。新材料的抗拉强度达到了1500 MPa以上，最大淬透厚度为50 mm。新材料的可靠性、工艺性均有较大提升。

前、后板簧采用少片簧后质量减轻了181 kg。

3 新材料的应用

钢铁由于具有较高的性价比，目前仍是汽车制造业中使用最广泛的材料。在轻量化设计过程中，充分考虑汽车使用性能的前提下，合理的“以铝代钢”或“以塑代钢”，可以显著减轻汽车的整备质量[2]。

3.1 采用铝合金轮辋

钢制轮辋在国内货车应用中占主导地位；而在国外，锻造铝合金轮辋在货车、客车上均有广泛应用。相对于钢质轮辋，铝合金轮辋有如下优点[3]。

a.车辆在行驶过程中，由于轮胎与地面摩擦及制动操作，导致轮边会有大量热量产生。铝合金有较高的热传导系数，可降低轮胎和制动片的温度，从而延长轮胎和制动片的使用寿命。

b.铝合金的弹性模量小，抗振性能优于钢制轮毂，提高了车辆的舒适性。

c.铝合金的密度约为钢的1/3，可以明显减轻整车质量。

设计时，铝合金轮辋的承载性能应与钢制轮辋相当。经过计算，采用厚度为24 mm的铝合金轮辋可达到常用厚度为14 mm钢制轮辋的承载能力，则每个轮辋实现减轻质量22 kg。

车轮是车辆的重要部件，关系到行车安全。为了保证其可靠性，对铝合金轮辋进行弯曲疲劳台架试验及径向疲劳台架试验。

3.1.1 弯曲疲劳台架试验

弯曲疲劳试验加载如图1所示。

加载弯矩计算如下:

式中，μ为轮胎与地面间摩擦因数；R为匹配轮胎的静态负荷半径，单位为m；d为车轮的偏距，单位为m；FV为车轮额定载荷，单位为N；S为强化试验系数。

3.1.2 径向疲劳台架试验

径向疲劳试验加载如图2所示。

加载径向载荷计算如下:

式中，K为强化试验系数。

3.1.3 试验结果判定

在弯曲疲劳台架试验和径向疲劳台架试验过程中，铝合金轮辋状态一直正常，试验达到要求的最低循环次数后停止试验，拆下铝合金轮辋，对其表面状态进行检查，没有发现裂纹或出现其他损坏情况，同时自动传感装置的偏移量在允许范围内，所以判定开发的铝合金轮辋的强度合格。试验条件及结果如表1所列。

表1 铝合金轮辋试验条件及结果

3.2 采用铝合金壳体变速器

强度、刚度性能相当的变速器壳体，铝合金壳体比铸铁壳体质量轻80 kg。变速器是车辆的重要部件，以对铸铁壳体变速器的同等技术要求对铝合金壳体变速器进行啮合印记试验和静扭试验。

啮合印迹试验表明各挡齿轮啮合正常，变速器壳体的抗弯能力满足要求。由于试验结果图片较多，仅截取1挡主、从动齿轮在100%输入扭矩情况下的啮合印迹试验结果，如图3和图4所示。

样品静扭试验结果如表2所列，可知变速器未出现损坏，抗扭能力达到要求。

表2 变速器总成静扭试验结果

3.3 采用铝镁合金油箱、铝散热器、尼龙快插接头

同容积铝镁合金油箱与铁油箱相比，前者质量减轻44 kg；同等性能的铝散热器与铜散热器相比，前者质量减轻9 kg。

气制动管路采用尼龙快插接头，与传统的金属快插接头相比质量减轻1.5 kg。

4 新结构和总成的应用

4.1 采用单层纵梁

车架是货车重要的连接、承载部件，质量一般在1000kg左右，有一定减轻质量的空间。在以往设计中通常采用槽型纵梁加内槽型内加强板的结构，材料的屈服强度一般为380 MPa左右。随着屈服强度在500 MPa及以上高强度钢板的出现，采用单层车架的轻量化车架设计方案成为可能。甩挂运输牵引车不超载且要求路况好，在牵引座处承受局部集中载荷。选用屈服强度为500MPa的高强度钢板作为纵梁的材料，采取等强度设计方法，整体采用单层纵梁，对牵引座附近承受载荷较大的部位进行局部加强[4]，在纵梁外侧装有“L”形鞍座底板连接板、内侧装有板状加强板。完成初步设计后运用有限元分析手段对车架不同工况下的受力情况进行分析，并进行适当修改，以得到合理的车架总成结构设计方案。最终实现减轻质量96kg。

在鞍载质量18348 kg的后扭工况下，车架的应力云图如图5所示，最大应力水平未超出400 MPa，有大于1.25的安全余量。在垂直、转弯、前扭等工况下的受力情况均优于后扭工况，可以判定满足要求。

4.2 采用最短轴距、最短后悬布置方案

图6所示为该车整车外形图。汽车的轴距越短，则整备质量越轻、机动性越好[5]。综合考虑各种因素，通过合理布置鞍座位置及各总成的位置，将轴距缩短为（3200+1350）mm，与目前绝大多数采用（3450+1350）mm轴距的牵引车相比，其质量减轻20 kg。

较小的整车后悬可以减小半挂牵引车的后回转半径，对半挂车有更好的适应性。最终确定整车后悬为760 mm，与目前常用的890 mm后悬相比，质量减轻7 kg。

4.3 轻量化驱动桥的应用

目前6×4牵引车广泛采用的驱动桥中质量最轻的为1524 kg（双桥合计，不含车轮），该桥的主减速器从动锥齿轮分度圆直径为457 mm。该桥曾广泛应用在总质量达40 t的公路自卸车上，双桥承受载荷为26 t，经过长期验证其可靠性满足要求。甩挂运输牵引车的中后桥轴荷合计最大为20 t且使用工况较好，即该桥的能力富余较多。为进一步减轻车辆质量，开发了主减速器从动锥齿轮分度圆直径为440 mm的驱动桥，该桥单桥额定轴荷13 t，最大输出扭矩 31000 N·m，速比范围 3.545～7.4，采用准双曲面齿轮、直齿锥齿轮式差速器，贯通桥带轴间差速器、轴间差速锁。结果为，后桥总成质量约650 kg，中桥约760 kg，与目前使用的质量最小的双驱动桥相比，质量减轻了114 kg。

为保证驱动桥总成的可靠性，对中、后桥桥壳进行台架试验，结果表明满足设计要求。方法及结果见图7和表3。