重型卡车中轻量化材料应用探析

汤玉军

北京福田戴姆勒汽车有限公司 北京 101400

引言

随着重型载货卡车的应用推广，用户对重型卡车提出了更高要求，也面临更严格的安全、节能、环保等问题，汽车轻量化成为满足用户需求和解决环保问题的重要措施之一，各大重型卡车厂商将整车轻量化作为工作重点，从结构设计、材料应用、技术创新等方面不断探索轻量化解决方案。有效降低卡车自重，提高运输效率，降低运输成本，为企业创造更多盈利空间。本文对重型卡车轻量化材料应用进行研究，探索汽车轻量化解决途径，促进新型轻量化材料的应用和创新。

1 重型卡车轻量化途径

重型卡车构成是一个系统工程，包含了数千个部件，材料涉及金属、塑料、橡胶以及众多加工工艺，在重型卡车轻量化途径上，总结主要有以下几点：

轻量化部件设计。对卡车功能进行优化重组，将多个部件进行整合，通过减少部件数量达到降低重量的目的。

应用轻量化材料。轻量化材料主要指高强度材料和轻质材料，高强度钢材属于高强度材料，铝合金、镁合金、复合材料以及塑料等属于轻质材料。

部件减重设计和功能优化。随着新型材料应用，原有的设计、加工、装配等环节也要随之进行大幅改动；在部件材料不变更的情况下通过设计优化进行合理瘦身。

2 轻量化材料在重型卡车上的应用现状

2.1 铝合金

在轻量化材料方面铝的应用最多，铝的密度大约是钢的三分之一，不仅重量轻还有很好的抗热抗疲劳性，在重型卡车上铝合金可以用在多种部件中。铝合金板带材、铝合金锻造材等属于变形铝合金，可以用在重卡车身骨架、车轮、车身面板上。

铝合金货箱应用。传统油罐车能耗高、安全性差、易腐蚀，使用高强度铝合金可以一次包裹成型，提高了安全性能，极大减轻了自重，油品运输质量得到保障。在厢式货车、半挂车等不同型号重卡中都可以进行推广使用。

铝合金部件应用，如铝合金车轮，铸造铝合金车轮比普通轮毂相比质量轻、散热性能好，目前美国90%的运输车辆车轮都使用了铸造铝合金车轮，在我国也将逐渐得到推广。铝合金油箱，可以很好的防止油箱内污垢的产生，保护车辆燃油系统，并且银色外观简洁大方，不需要额外喷漆，同时由于铝质的延展性，冬季或发生碰撞时不容易破裂。铝合金鞍座，在满足车辆载荷要求的情况下至少可以减轻40公斤鞍座重量，特别适用于运输挂车、油罐车、大型冷藏车等。铝合金制动鼓具有更好的导热率和低密度，可以有效减少车辆制动过程中产生的摩擦受热，在耐磨损性和耐疲劳性上也有很好表现，提高行驶安全。

铝基复合材料密度低，比模量和比强度高，在重卡上有很好的应用前景，但是目前阶段由于生产工艺和价格制约，还没有形成加大规模的市场发展。

2.2 镁合金

镁合金具有和铝合金相似的特定，密度更低，重量更轻，在铝合金减重的基础上还可以再减重15%-20%。我国在不断探索研究中突破了镁合金铸件在汽车上的应用瓶颈，在汽缸盖罩、转向盘、变速器壳体、曲轴后端盖等上研发成功，在电池壳箱上的应用不仅减轻了自重，也可以极大避免车辆在行驶过程中消耗不必要的能量，提高车辆性能。但是镁合金成本高、铸造性差，后处理工艺复杂，限制了在重卡上的应用发展，目前主要应用在车辆非结构件如仪表盘、座位框架、汽缸头外壳等。

2.3 高强度钢铁材料

传统重型卡车中钢是主要应用材料，在环保要求以及相关法律约束下，汽车生产商家必须进行产品提档升级。很多重型车企通过使用高强钢，在不降低安全级别的前提下，减小板材厚度来达到轻量化目标。目前高强度钢材在重卡上应用普遍，如高强度钢质车架、半挂车厢、后围内外板、后下横梁等，增加了汽车弹性应变区和构件的变形抗力，提高了汽车能量吸收能力，在安全驾驶及车辆性能上实现突破。

2.4 复合材料应用

复合材料有玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、玄武岩复合材料等，在车辆内外饰、部件上具有很多应用优势。玻璃纤维复合材料具有优良的物理机械性能，热变形温度高，耐腐蚀，制件不易变形且外观质量更佳，价格较低，在我国其主要应用在汽车驾驶室、发动机内部件、车身结构与半结构部件、车身表面覆盖件等。

碳纤维复合材料具有密度低、强度高、耐高温、抗冲击、零部件一体化等特点，可设计性好，在我国主要应用在刹车片、构架、汽车传动轴、板簧等构件中，既减轻重量又环保节能。2012年我国首辆全碳纤维复合自卸车研制成功，标志着碳纤维复合材料开始进入重卡应用。

玄武岩纤维复合材料是以纯天然火山岩为原料，经过高温（1500℃上下）熔融再使用专用工具高速拉制形成，具有超高强度和弹性模量，是碳纤维的低价替代品。目前主要应用在车辆内饰部件、隔热防火部件、隔音材料部件等，应用前景广阔。

2.5 其他轻量化材料

新型轻量化材料不断出现，如陶瓷材料、橡胶材料、聚双环戊二烯材料等。精细陶瓷材料可以应用在汽车制动部件中；橡胶材料主要应用在超宽轮胎和真空轮胎中，可以提高行驶稳定性，避免吃胎现象；聚双环戊二烯材料具有很好的耐腐蚀性、抗冲击性，密度低，耐候性强，适合用在保险杠、挡泥板、仪表板、缓冲板等部件中，在重卡中也逐渐进行推广应用。

3 总结

本文对重型卡车轻量化材料应用进行研究，探索汽车轻量化解决途径。铝合金、镁合金、复合材料等轻量化材料优势明显，在不同重卡部件应用中可以发挥出各自独有的性能，提高整体车辆的安全及经济效用，虽然目前还会受到成本、设计能力和加工工艺方面的制约，但随着对新材料应用的不断探索，其在重型卡车上的应用必将实现质的飞跃。