商用汽车车桥轻量化设计思路与研究

杨 升，王 佳，陈奇锋，李庚璋

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

引言

随着汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值法规GB 1589和重型商用车辆燃油消耗量限制法规GB 30510的严格实施，汽车行业对节能减排和燃油经济性的要求越来越严苛，在车辆载质量不变的情况下，开展商用车轻量化可以有效降低燃油消耗和减少污染物排放，有效提升商用车续航里程。在目前高速公路实行计重和按轴收费的限制下，车辆自重降低带来的载重量提升或油耗降低产生的收益非常可观，因此商用汽车用户对底盘轻量化的需求也日趋迫切。以目前商用汽车主流的6×4牵引车为例，车桥是底盘的重要组成部分，自重约占底盘重量的20%，它的轻量化设计对车辆自重降低和燃油经济性起着非常关键的作用。

在保证整车安全性和零部件可靠性的前提下，车桥的轻量化目标就是通过一系列新的结构设计、结构优化、高强度轻质材料应用等方式制造出满足车辆承载和传动需求的车桥产品。

1 车桥的功能及结构组成

商用车车桥的功能就是传递车架与车轮之间各方向作用力及其产生的力矩[1]，其对汽车的动力性、稳定性、承载能力等性能有着重要的影响。

（1）将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速胎、差速器、半轴等传到驱动车轮，实现传动系统转速降低、增大转矩；

（2）通过主减速器锥齿轮副改变转矩的传递方向；

（3）通过差速器实现两侧车轮差速作用，保证内、外侧车轮以不同转速转向；

（4）通过桥壳和车轮，实现承载及传递力的作用。

商用车驱动桥的关键部件包括主减速器、桥壳、差速器总成、半轴、制动器总成等，见图1。

图1 驱动桥结构示意

2 车桥轻量化主要设计思路

通过对商用车车桥零部件组成结构的分析，车桥的轻量化设计我们可以从四个方向着手进行优化：

2.1 零部件结构优化设计

采用CAE拓扑优化手段，对零部件进行优化，通过材料的合理分布和局部加强，减少零部件强度的冗余设计，控制零件在不同位置的结构应力在定义的约束范围内，保证零部件各个部位的应力值接近，即各个部位的壁厚不一致，使零件薄壁化、中空化，最终达到减轻零件重量的目的[2]。

2.2 零部件集成化设计

零部件集成是基于原零部件设计功能、可靠性和售后维修性不变的前提下，采用新的思路将两个或多个零件进行模块化集成设计，实现车辆的轻量化，同时兼顾实现零件数量精简、系统部件功能扩展性和兼用性。通过对车桥内外相关件的识别，在不影响装配及可靠性的基础上，可以对车桥差速器、减速器壳、桥壳支架类等多种零部件进行优化集成，减少零部件装配数量实现车桥零部件轻量化集成化设计。

2.3 轻量化材料应用

商用汽车在设计、生产制造过程中所应用的材料目前仍以大量钢制材料为主，铝、镁合金等轻质材料的应用也在逐步增加，轻合金材料在商用汽车零部件的轻量化发挥着很重要的减重作用。商用车铝合金车轮、铝合金变速器壳体、垫块类零部件等可使零部件重量减少30%～40%以上。综合考虑成本和轻量化带来的收益，车桥可采用同样的思路，通过对壳体材料、悬架连接相关件扩展轻量化材料应用达到产品轻量化的目的。

2.4 产品小型化和新结构设计

随着商用车市场运输的逐步规范化，在满足使用可靠性的前提下，针对不同细分市场可以进行车桥精准设计，一些标载运输车型的车桥主减速器、制动器、轴承小型化设计已成为发展趋势。

3 车桥轻量化开发实践

3.1 支座类连接件优化

通过CAE拓扑优化手段对车桥与悬架连接结构件进行改进优化，在保证安全使用性能的前提下，实现零部件的改进。以悬架推力杆安装支架为例，经过零部件结构优化，原始结构原支架重量16 kg，优化后重量降低至12 kg。优化完后安全系数增加，改进后结构件疲劳寿命优于原支架疲劳寿命，如图2所示。

图2 上下推力杆支架优化

3.2 一体化集成结构

一体化结构主要通过车桥零部件一体化设计、车桥桥箱一体式结构等方式开展，保证维修便捷性的同时降低零部件数量，从而达到轻量化的目的。

例如板簧支架与桥壳集成、某主机厂前轴转向节与梯形臂一体式集成等，见图3和图4。

图3 板簧安装支架

图4 前轴梯形臂集成

3.3 高强钢、铝合金和复合材料应用

桥壳重量在车桥结构中占的比重非常大，由于桥壳结构上进行优化的空间比较有限，一般情况下我们主要通过应用高强钢或高牌号球铁来减小桥壳壁厚，从而达到桥壳轻量化的目的。国内目前大量使用的桥壳为Q460抗拉强度在500 MPa以下的钢板。宝钢开发的抗拉强度在800 MPa～900 MPa的重型货车桥壳用钢，可以实现单桥减重50 kg，减重率达到20%[3]。同样，应用高牌号球铁材料也同样可以达到桥壳轻量化的目的，单桥可实现减重30 kg，减重率可以达到15%以上。

国内外车桥零件供应商均致力于研究轻质材料取代金属材料的应用可行性，国内某车桥开发铝合金壳体、端盖使用铝铸件代替冲压钢板等。图5所示为某零部件公司开发的铝合金材料轮毂。

图5 铝合金轮毂

3.4 小型化产品应用和新结构设计

根据商用车满载总质量及工况差异进行车桥匹配应用，对于标载、高速物流车型可采用400/440等小型化主减桥型替代435/457等平台产品。考虑车辆工况，轻量化牵引车车桥主锥朝着悬臂式布置结构发展，减少轴承应用，实现车桥自重降低。通过零部件新结构的设计开发，达到降低整车自重的目的，例如某零部件厂家的空心凸轮轴、花键制动盘、 单蹄销鼓式结构制动器和楔式制动器等，如图6所示。

图6 制动器零部件改进开发

4 结语

通过对国内外车桥零部件轻量化工程开发应用实践进行总结，提炼出适用于商用汽车车桥轻量化设计思路及方法，同时这些设计思路也可为商用汽车其他零部件的轻量化开发提供参考与借鉴。