轻量化载货挂车促进绿色货运

路洪洲，吴剑，陈琦峰，万国喜，刘献栋，郭爱民

前言

随着我国对节能环保要求的日益严格以及国家能源发展战略的需要，汽车轻量化越来越成为缓解能源压力和改善环境、降低雾霾的重要手段，绿色货运已经成为公路运输行业的发展趋势[1]。各种厢式运输车、罐式运输车、栅栏半挂车等是承担公路运输的交通工具。从各国的经验看，实现货运车辆节能减排的措施主要有4种：改进发动机燃油效率、替代燃料和开发新能源车辆开发应用、轻量化、甩挂运输[]。轻量化作为传统汽车、替代燃料汽车和新能源汽车共有的关键基础技术已经引起了世界各国和知名跨国企业的高度重视。汽车轻量化是一个系统工程，涉及到产品设计、材料、装备和工艺、售后维修、回收再利用等多方面[3]，结构优化和材料优化无疑是其中最重要的内容，本文将主要探讨应用铌微合金化技术方案来实现的典型货运装备轻量化的案例。

1、理论及方法

半挂车的车厢和车架，作为半挂车上最重要的也是质量最大的部件，在减轻半挂车总质量方面具有很大潜力。以往的车架，由于材料性能和设计方法的限制，为了达到使用所需的强度在结构上有很多不合理的设计，这也直接导致了整车质量的增大。而随着技术的进步，新型高强度钢材的研究不断发展，有限元仿真分析和先进优化设计方法的广泛应用，以及新型制造工艺的推动，为车厢、车架结构的轻量化开发提供了基础。

依据载货挂车实际的行驶状况,可选取弯曲工况、弯扭工况、制动工况、加速工况和转弯工况进行力学分析计算[4]，由于弯曲工况、制动工况和加速工况三个工况是物流企业和挂车企业较为关注的工况，故本研究主要从上述三个工况进行探讨。CAE分析软件采用参数优化软件 ISIGHT和HYPERWORK软件。对于均为空心方管或工字梁结构的车架结构，由于这些结构的特点是壁厚尺寸远小于它们的长、宽尺寸，因此属于薄壁结构范畴。在有限元方法理论中，壳单元是解决薄壁结构问题常用的单元类型，因而本研究采用壳单元。在鞍座处固定五个自由度，只保留绕Z轴旋转的自由度。考虑到实际工况中车架与板簧连接处基本不动，因此在车架模型中钢板弹簧对应的位置将其完全固定。以轿车运输车CAE分析为例，在弯曲工况分析中，将轿车模型的质心坐标后，在质心处添加质点作为载荷，耦合在车架相应的位置上，沿Z轴负方向（即垂向）施加重力载荷Gravity，大小取。由于建立的轿车方块模型包含有质量，故紧急制动工况下所产生的惯性力只需通过沿Y轴负方向（即纵向）施加加速度场即可，参照参考文献可选取加速度大小为0.7g。加速工况与紧急制动工况十分类似，加速工况下加速度方向则相反，由前端指向后端。根据相关文献，加速度值取为0.6g。根据分析，选择最大应力和最大变形不敏感的构件进行材料减薄处理，并在最大应力和最大变形较敏感的构件进行材料加厚处理，或者设计加强梁等对敏感部位进行几何结构优化。最后根据基于轻量化结构优化的三个工况的CAE分析结果，如最大应力分布结果等，选择高强度材料。同时考虑车辆腐蚀所造成的部件厚度减薄对结构强度和刚度的影响，再次优化挂车结构和高强度钢材厚度选择。并对所选择的高强度钢板进行焊接和成形等工艺参数的研究，以保证良好的制造工艺性。

2、轻量化载货挂车案例

2.1 轿车运输车

随着中国汽车产销量的快速增长，轿车运输车的需求量越来越大，由于轿车运输车没有超载需求，其降低整备质量，可以提高整车的平顺性、降低物流企业的燃油消耗并减少高速公路过路费，因而物流企业对轿车运输车的轻量化需求较大。

为了达到减轻重量的目的，对于轿车运输车原始的车架模型，主要做了两方面的改变。第一是合理改变某些位置的钢板的厚度，使其总体上达到强度足够，重量减轻的效果，比如底架的原始厚度从8mm和6mm减至5mm，并在几个关键的位置增加了角板用并在边梁的中段增加了一段腹板以结构加固。中平台和后平台也同样进行减薄处理。另外经过拓扑优化重新设计，如由于中平台的载荷形式比较简单，整体结构对称性强，可将原来中平台的结构改为新的X型结构。在减薄的同时，并部分结构进行加厚处理，如最后一对支架所在的立柱改为壁厚 8mm等，初步方案形成后，对上述提出的三个典型工况进行CAE校验分析，最大应力部分结果见表1。

表1 三个典型工况CAE的最大应力结果

从表1的分析结果看，原始轿车运输车的最大应力不超过280MPa，在考虑误差的前提下并采用1.2的安全系数，可采用屈服强度为350MPa左右的材料，由于我国早期的钢材以Q235和Q345为主，所以原始轿车运输车采用了Q345作为应用材料，但事实上明显安全系数略低；而对于轻量化优化后的轿车运输车，其最大应力在360MPa左右，由于应用轻量化方面导致结构件厚度减薄，为了保证结构强度，应该进一步提高安全系数，如采用1.5的安全系数，在考虑误差的前提下，轻量化轿车运输车应选择屈服强度超600MPa的材料。同样，三个工况下，最大变形见表2。

表2 三个典型工况CAE的最大变形（位移）结果

一般情况下，由于货物装卸过程容易对挂车的车厢车架底部产生磕碰，由于挂车每隔几年才进行一次补漆等维护，故车厢车架底部横梁腐蚀可能会较严重，按照锈蚀速度0.2mm/年，5～6年后已腐蚀部位的壁厚将减薄1.0mm以上，可能会影响相关性能。将模型中车架底部所有的横梁壁厚均作减薄1.2mm（原厚度为3mm，按照6年腐蚀计算）处理，视为材料锈蚀的厚度，再次进行了弯曲、紧急制动和急加速这三种主要工况的计算。

分析结果显示，急加速工况下锈蚀的影响不太明显，锈蚀后横梁上的最大应力在 120MPa～140MPa，底部横梁上的最大变形均大约为19.6mm。弯曲工况下应力变化比较明显，弯曲工况应力从90MPa增加到210MPa，横梁上最大变形约为从未腐蚀状态的 20.9mm变为腐蚀后 21.4mm。紧急制动工况，横梁上最大的应力从未腐蚀状态的159MPa增加到腐蚀后 242MPa，其中紧急制动工况下横梁的最大应力已经接近整个车架的最大应力（约250MPa），可以算作次危险点。从以上计算结果可以看出，在弯曲和紧急制动工况下，锈蚀前后底部横梁上的最大应力有较明显变化应酌情考虑是否进行结构加强或者应用更高强度的材料。故从耐腐蚀的角度看，局部减薄需进行控制，另外结构强度应进一步提高，因而局部位置需选择更高强度的高强度钢，如屈服强度在 600MPa以上的如T700L以及T750L钢板。

基于此，项目组开发及优化了更高强度的挂车用钢材料，其成分见表3。T750L的力学性能见表4，其中屈服强度、延伸率等均为多个样本量的平均值。从 5mm～8mm厚度的T750L的力学性能看，该钢种延伸率在20%以上，屈强比在可以接收的范围内即0.88～0.95，屈服强度在700MPa以上，上述性能完全满足要求。

表3 抗拉强度为750MPa的挂车用高强度钢的主要成分

表4 抗拉强度为750MPa的挂车用高强度钢的主要力学性能参数

为了满足制造工艺性要求，需进行焊接工艺研究，本钢材可使用ER50-6以及CHW-70C等焊材，焊接接头性能均满足使用要求。

最终，应用新开发的抗拉强度为750MPa的AG750及重新优化的抗拉强度为700MPa的AG700两种材料，根据优化分析结果进行相应的减薄以及局部加强，可减重1.47吨，满足使用要求。从优化设计后半挂车应力、位移增加量以及所使用材料强度的提高量来看，本设计是可行的，不但可满足强度要求，还可保证位移增加量不大的需要。

2.2 粮食运输车

利用上述的轻量化挂车设计及分析方案，我们提出另一类车型即粮食运输车的轻量化解决方案。该项目在巴西完成，在巴西这个国家，谷物主要通过汽车进行运输，该车辆主要运输大米、玉米以及大豆等谷物[5]，该车厢的原始设计重量为2.39吨，其使用的材料为屈服强度为270MPa的钢材，轻量化设计后，采用屈服强度为 750MPa的 Docol 1000以及Domex 700MC，使重量降低至 2.17吨。Docol 1000以及Domex 700MC的主要成分见表5。

表5 Docol 1000以及Domex 700MC的主要成分

轻量化前后的效果见表 6，由表可见，除了达到了减重效果外，粮食运输车的容积增加了+ 7.4%，无疑这将增加物流企业的收益。

表6 轻量化前后的效果

3、经济性的初步分析

对于轻量化轿车运输车而言，根据实践发现，车辆公路运输每减轻自重100kg，可节约0.4L/100km的燃油。按3000辆半挂运输车来计算，每辆车平均每年行驶12万km，单车油耗约33L/100km，轻量化后减重1.47吨，将有望年节省成本5000多万元，节约柴油712.8万L，每年减排二氧化碳1.91万 t，产生十分可观的社会效益和经济效益。当然具体的经济性收益还要进行燃油经济性对比测试。对于轻量化谷物运输车来说，经过测试分析可以得到，当该车辆用于运输大米、玉米以及大豆时，每次运输可分别增加载货量8%、3%、1%，这对于节能减排十分有益。

如果每年投放市场的新车均为轻量化车型，可以推算整个公路运输行业，每年将大量的燃油以及减少二氧化碳。如施行若干年后，整个行业的车辆均更新完成，则节能减排的效益更加十分巨大。

4、结论

通过轻量化结构优化设计、高强度钢的开发和应用研究，与原始车辆相比，轻量化轿车运输车可减重10%即1.47吨，粮食运输车可减重9.7%即0.22吨。

抗拉强度在700MPa及750MPa的挂车用高强度钢技术已成熟，钢材性能稳定性以及焊接等工艺均可达到使用要求。

轻量化的汽车列车车辆的开发和投入使用可以促进技术进步、提高运输效率、节约能耗、减少排放，并促进绿色货运。

[1] 路洪洲,王文军,郭爱民,张立龙,王杰功,万国喜,马鸣图.铌微合金化高强度钢在轻量化商用车列车上的应用[J].新材料产业,2015(06):43-49.

[2] 徐茂武,高玉广,马治,徐忠宇,张学礼.某甩挂运输半挂牵引车的轻量化设计[J].汽车技术, 2013(06):13-17.

[3] 路洪洲,王智文,陈一龙等.汽车轻量化评价[J].汽车工程学报,2015(01):1-8.

[4] Jian Bian, Hardy Mohrbacher, Jian-SuZhang, Yun-Tang Zhao, Hong-Zhou Lu, Han Dong. Application potential of high performanceesteels for weight reduction and efficiencyincrease in commercial vehicles[J], Journal of Shanghai University(English Edition),2015(01).

[5] Marcos Stuart, Light Design for Agriculture Transportation Trucks,2015 CITIC-CBMM R&D Report Meeting[C]. 2015(03).