專用汽車“減重”問題探討

張玉巍 方金順

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專用汽車“減重”問題探討

張玉巍 方金順

龍巖暢豐專用汽車有限公司

本文介紹了專用汽車輕量化發(fā)展的背景，簡單論述了輕量化設(shè)計的理論基礎(chǔ)，并從采用新型材料、進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方面對專用汽車的減重現(xiàn)狀及成效做了描述，并提出現(xiàn)階段專用車輕量化方面存在的問題。

專用汽車；輕量化；新材料；新工藝；優(yōu)化設(shè)計

引言

汽車輕量化，就是采用科學(xué)方法和手段對汽車產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計，在確保汽車綜合性能指標的前提下，通過使用新型材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀，盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量，達到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合目標。研究表明，汽車所用燃料約60%消耗于汽車自重，汽車的質(zhì)量每減輕100 kg，每公里的燃油消耗將減少0.4～0.8 L，CO2排放量也將減少[1]。燃油效率提高，意味著降低汽車的耗油量和排污量，改善人類生存環(huán)境。同時汽車輕量化也提高了車輛性能，在同樣的輸出功率下，較輕的車對于發(fā)動機來說就是較輕的負載，汽車的操控穩(wěn)定性也有所提高。所以減少汽車車體重量對于降低發(fā)動機的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應(yīng)。隨著專用汽車比重的不斷增加，也越來越受到重視和關(guān)注，“減重”成為當(dāng)下專用汽車研究的熱點之一。

1 輕量化的理論基礎(chǔ)

汽車運動的實質(zhì)就是燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械運動的過程。除了正常工作所需要的能量，還有很大一部分能量以不同形式損失。汽車在運行過程中的行駛—阻力平衡方程[2]為

由于是車重與貨物重量的總和，從公式（1）可以看出，在發(fā)動機輸出功率一定的情況下，要想裝載更多貨物，提高運輸效率，其它參數(shù)不變，則只有減少車輛自重在總重中所占的比例。從燃油經(jīng)濟性【3】這方面來講，其相關(guān)等式如下：

總質(zhì)量依然是制約燃油消耗量的主要因素，要多拉貨少燒油或者保持當(dāng)前的燃油消耗，最可行最現(xiàn)實的就是給車輛“減肥”。

2 專用汽車“減重”措施與存在問題

2.1 采用輕質(zhì)材料

輕量化是汽車發(fā)展的一個重要趨勢，通過使用輕質(zhì)材料來替代傳統(tǒng)的鋼鐵材料，可以減輕汽車的質(zhì)量，以達到節(jié)省燃料的目的。日益苛刻的安全法規(guī)要求我們用提高汽車主動安全性（使用安全氣囊、安全帶、安全制動系統(tǒng)、降低汽車整備質(zhì)量以及縮短制動距離）和被動安全性（使用能有效吸收正面和側(cè)面碰撞能量的材料）的眼光來完善汽車的安全設(shè)計[4]。因此，越來越多的輕質(zhì)或高比強度的材料受到汽車設(shè)計者的關(guān)注，如高強度鋼板、鋁合金、SMC等。

車輛本身在各方面都悄然發(fā)生著一場場輕量化的革命。作為汽車核心的發(fā)動機及動力傳遞部件身先士卒承擔(dān)起減重的任務(wù)。由于大功率的需要，專用汽車往往不得不使用個頭大卻又笨重的大家伙。但是現(xiàn)在發(fā)展趨勢正在朝著小體積、大功率前進。較小的發(fā)動機自身重量甚至可以減輕好幾百公斤，即使在較大的發(fā)動機上，改良的冶金技術(shù)、設(shè)計手段和制造工藝也在戲劇性地減輕著質(zhì)量。如北美International公司的 MaxxForce發(fā)動機，使用緊湊石墨鑄鐵制造的MaxxForce 13 L發(fā)動機可以提供超過450 hp的動力，但自身質(zhì)量還不到998 kg。而許多13 L和15 L、450 hp的發(fā)動機自身質(zhì)量約1 315 kg，或者更重。鋁合金的低密度、高強度、高熱傳導(dǎo)率、卓越的機械加工性能及良好的抗腐蝕性使其在發(fā)動機上的應(yīng)用不斷擴大，發(fā)動機殼體、氣缸蓋等均可以由鋁合金制造。采用具有同等性能的鋁合金部件取代鑄鐵發(fā)動機殼體可以減少超過50%的質(zhì)量[5]。

越來越多的專用汽車開始配備自動變速器，因為這樣可以減輕質(zhì)量，節(jié)省燃油，降低排放。事實上自動變速器的優(yōu)點并不僅僅在于減重這個方面，它還提供了更友好的操縱方式，甚至可以根據(jù)司機的偏好和道路情況進入全自動模式工作。鋁合金還可以用來制造離合器殼體，以Roadranger離合器殼體為例，RT和FR系列（RT-6609除外）的鋁合金離合器殼體與鑄鐵離合器殼體相比，減輕比例超過了60%。

車架總成的縱梁及橫梁等多采用高強度鋼板沖壓加工而成。歐美牽引車普遍采用高強度鋼來制造車架大梁，高強度鋼大梁不僅可以節(jié)省材料，提供較大的底盤布置空間，還可以降低自身質(zhì)量，提高有效載質(zhì)量，降低燃油消耗。Mack卡車公司的工程師們開發(fā)了一種7 mm車架大梁，該大梁與8 mm車架大梁相比具有較高的抗彎彎矩。因軸距不同，最多可以節(jié)省45 kg。

鋁合金是采用最多的輕型材料，除了上述談及的各大總成，散熱器、駕駛室、車輪、鞍座，車廂等等都已經(jīng)有了比較成熟的鋁合金產(chǎn)品，并且這些部件的減重效果相當(dāng)可觀。

基于不同的受力情況和使用環(huán)境，一些其他的輕型材料也在專用汽車中扮演著重要角色。玻璃鋼彈簧、DuraPlate復(fù)合面板，聚乙烯芯板，聚丙烯電池箱，SMC片狀模塑料發(fā)動機罩……新材料已經(jīng)完全融入汽車的開發(fā)設(shè)計中。

2.2 優(yōu)化設(shè)計

越來越多的產(chǎn)品顯得精致小巧，功能卻大大提高。專用汽車發(fā)展到今天也正在經(jīng)歷這樣一個蛻變的過程。中國傳統(tǒng)觀念講究厚重感，覺得那樣結(jié)實、耐用，但科技的發(fā)展正在打破這一切。隨著計算機設(shè)計和分析軟件的深入應(yīng)用，車輛的每一個零件都可以進行優(yōu)化，尋求最優(yōu)的板材厚度，或者更理想的拓撲結(jié)構(gòu)。這種方式比起更換輕型材料更容易。根據(jù)等強度理論設(shè)計變截面大梁，可以有效降低大梁的質(zhì)量，并減小應(yīng)力集中，提高大梁的壽命。盤式制動器在商用車領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)成熟，目前正在向輕量化、環(huán)保、高效、安全方向發(fā)展。Bendix Spicer率先在輕量化的歷程上邁出了具有劃時代意義的一步。輕質(zhì)Bendix ADB22X空氣制動盤采用單塊卡鉗模式設(shè)計，比傳統(tǒng)的兩塊卡鉗結(jié)構(gòu)更加緊湊。這種輕質(zhì)的空氣制動盤采用鋁合金輪轂和花鍵盤總成，可以減小總的輪端質(zhì)量和轉(zhuǎn)子動態(tài)應(yīng)力，提供改良的熱量平衡，并延長制動器的使用壽命，與典型的6×4牽引車相比可以減少質(zhì)量108.9 kg（總質(zhì)量，單軸可以減少36.3 kg質(zhì)量），與其他鋼質(zhì)空氣盤式制動器配置相比可以減少質(zhì)量94.8 kg（總質(zhì)量）。Freightliner公司Columbia牽引車錐形鋼板彈簧懸掛就是鋼板彈簧懸掛成功的典范。這種輕質(zhì)、低維護前懸由一只端到端板簧和一只半片板簧組成，其中半片板簧僅延伸至板簧的中部。這種板簧可以為每輛車節(jié)省6.4 kg質(zhì)量，并且可以提供較其他傳統(tǒng)板簧懸掛更好的駕駛舒適性。較輕的自身質(zhì)量可以提高由增加的有效裝載能力帶來的潛在收入。

由寬體單胎代替雙胎可以減輕較多的質(zhì)量?？伤緳C們一直以來都不愿使用單胎代替雙胎，因為害怕無法一瘸一拐地回家。當(dāng)然，有可替換輪胎是另一回事。安裝在275/80R22.5鋁合金車輪上時可以減輕272 kg，安裝在同樣大小鋼質(zhì)車輪上時減輕621 kg（18輪半掛列車）。寬體單胎還可以降低滾動阻力，節(jié)省燃油，提高穩(wěn)定性。

2.3 提高制造工藝

專用汽車的發(fā)展并不僅僅在于行業(yè)本身，還關(guān)乎上游的發(fā)展情況，先進的制造技術(shù)可以為專用汽車的輕量化發(fā)展提供良好的平臺。跟輕型材料一樣，某一新型技術(shù)的誕生直接導(dǎo)向了下游生產(chǎn)制造企業(yè)的產(chǎn)品更新?lián)Q代。由此也可以看出，“減重”并不是專業(yè)汽車行業(yè)自己的戰(zhàn)斗。

Alcoa公司開發(fā)出已申請專利的Dura-Bright表面處理技術(shù)處理的燃油箱，該燃油箱不需要拋光處理就可以具有發(fā)光的表面。這種由Dura-Bright?技術(shù)處理的燃油箱具有較高的抗腐蝕性，并且具有無需拋光而獨具的光亮。Meritor公司的SteelLite X30和 Motor Wheel公司的 CentriFuse制動鼓與傳統(tǒng)的鑄造制動鼓相比具有較輕的質(zhì)量。這兩種制動鼓采用離心澆鑄工藝將灰口鐵制動表面材料熔鑄到整塊的鋼殼上。鋼質(zhì)材料確保制動鼓即使在損壞的情況下也能完整無缺。X30制動鼓極具競爭力的優(yōu)點是其獨一無二的整塊旋轉(zhuǎn)成型殼體設(shè)計與ArvinMeritor已申請專利的“加工至平衡”工藝的結(jié)合。這種獨特的設(shè)計和加工工藝確保X30質(zhì)量特別輕，強度特別高，耐久性特別好，可以增加有效載質(zhì)量，保持著一年到頭最少的維護。

Alcoa LvL ONE?技術(shù)是鍛造鋁合金車輪技術(shù)上的一次重要的提升。22.5"LvL ONE?鋁合金車輪（重約20.6kg，最大額定載荷3 356 kg）比該公司最輕的22.5"鍛造鋁合金車輪還輕0.9 kg，是行業(yè)上最輕的鍛造鋁合金車輪。使用22.5"LvL ONE?鋁合金車輪與使用標準鋼質(zhì)車輪相比，可以為18輪半掛列車減輕293.9 kg。

另外，液壓成型的橋殼不僅使重量大大減少，而且性能也大大提高[6]。

2.4 專用汽車“減重”遇到的問題

盡管節(jié)能減排等呼聲屢見不鮮，專用汽車行業(yè)內(nèi)各企業(yè)廠家輕量化的工作也開展得如火如荼，不可否認取得一些成績，但也存在一些需要面對的問題。

成本控制是輕量化推廣受到阻礙的主要原因。在競爭異常激烈的專用汽車行業(yè)，相對優(yōu)勢的價格將成為占領(lǐng)市場的有力武器，只有鋁合金可能增加購買成本，但綜合油耗節(jié)省也未必增加成本。其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化呢？為了獲得當(dāng)前利益，一般小企業(yè)不愿意在這方面有所投入，大企業(yè)也只是有這么一條道路，并沒有在自己的產(chǎn)品中形成主流。簡單的說，雖然鋁合金在性能方面比普通鋼材有很大優(yōu)勢，但是高昂的價格遠遠大于實行輕量化帶來的收益。

相關(guān)行業(yè)水平影響著專用汽車輕量化發(fā)展。新型材料的開發(fā)和推廣應(yīng)用，加工工藝、制造水平的升級都對專用汽車的發(fā)展產(chǎn)生很大影響。這是一個長時間積累的浩大工程，需要各方面的共同努力。

顧客的購買意向支配著企業(yè)的生產(chǎn)方向。如前所述，老百姓喜歡厚重感，覺得實在，事實上現(xiàn)在的新產(chǎn)品性能比以前更好，這需要顧客慢慢去接受。另外，由于中國的現(xiàn)狀是能多拉就絕不少裝，所以大多數(shù)時候車輛都處于超載狀態(tài)，這給輕量化帶來很大壓力。自動變速器在正常的工作范圍內(nèi)充分體現(xiàn)本身優(yōu)勢，但是在超載狀態(tài)下性能卻大打折扣，反而不如機械變速器，所以顧客傾向于機械變速器。很多時候人們誤讀了輕量化的意義，原本是要提高運輸效率，卻成了宣傳多拉多裝的賣點。

3 總結(jié)

通過采用輕質(zhì)材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計以及提高制造工藝，可以使車輛燃油消耗降低，也可以減少導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體排放。當(dāng)然，所有這些措施都會以增加車輛成本為代價的，不過，隨著制造技術(shù)和規(guī)?；?jīng)濟的發(fā)展，因采用輕質(zhì)材料等措施而增加的成本將會大大降低，因此，其經(jīng)濟回報期將會大大縮短，輕量化始終是專用汽車發(fā)展的必然。

[1] 馬鳴圖,易紅亮,路洪洲,等.論汽車輕量化[J].中國工程科學(xué),2009,11(9): 20-27.

[2] 余志生.汽車理論（第三版）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.

[3] 高延齡.汽車運用工程.北京:人民交通出版社,1999.

[4] 蔡其剛.鋁合金在汽車車體上的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探討[J].廣西輕工業(yè), 2009(1).

[5] 敖炳秋.輕量化汽車材料技術(shù)的最新動態(tài)[R].世界汽車技術(shù)發(fā)展研究報告,中國汽車工程學(xué)會.

[6] 鄭柳萍,劉馳.汽車液壓脹形橋殼工藝的成本分析[J].裝備制造技術(shù),2007(6): 106-108.

Discussion on Lightweightening of Special Purpose Vehicles

Zhang Yuwei, Fang Jinshun

(Fujian Longyan Shunfeng Special Vehicle Co., Ltd, Longyan 364028, China)

Lightweightening design of special purpose vehicle is a hot issue. The developing background of lightweightening is briefly introduced. The theoretical basis of lightweightening design is analyzed. The current situation of lightweightening of special purpose vehicles is described from the aspects of new materials application and optimal structure design. Some existing problems in special vehicle lightweightening are discussed.

special purpose vehicle; lightweightening; new material; new technology; optimal design