某甩掛運(yùn)輸半掛牽引車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)

徐茂武 高玉廣 馬 治 徐忠宇 張學(xué)禮

（1.一汽解放汽車(chē)有限公司；2.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心；3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院）

1 前言

汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)就是在保證汽車(chē)承載能力和安全性的前提下盡可能的降低汽車(chē)的整備質(zhì)量。對(duì)于以運(yùn)輸貨物為主的貨車(chē)，在總質(zhì)量不變的前提下，整備質(zhì)量的降低意味著可以多拉貨物；空車(chē)行駛時(shí)則意味著更低的燃油消耗和排放。整備質(zhì)量越低，經(jīng)濟(jì)效益就越高，就越環(huán)保。汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的基本途徑有:合理采用新技術(shù)，兼顧質(zhì)量、性能和成本3者之間的關(guān)系；采用輕質(zhì)材料替代鋼、鐵；整車(chē)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，降低材料的耗用量；結(jié)合使用工況，合理選用輕量化總成。

甩掛運(yùn)輸牽引車(chē)具有運(yùn)輸效率高、運(yùn)輸成本低和能源消耗少的特點(diǎn)，因此成為北美、西歐等公路網(wǎng)絡(luò)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家的主要運(yùn)輸方式。對(duì)甩掛運(yùn)輸牽引車(chē)的要求是其行駛路況要好且不超載，這就使其具備了應(yīng)用輕量化技術(shù)的條件。但是，甩掛運(yùn)輸牽引車(chē)的車(chē)速高、運(yùn)距長(zhǎng)，在輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，其動(dòng)力系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)和車(chē)輪等的可靠性和安全性需要特別注意。

經(jīng)查詢，國(guó)外6×4半掛牽引車(chē)的整備質(zhì)量約為8100～8600 kg，中國(guó)6×4半掛牽引車(chē)的整備質(zhì)量約為 8500～9500 kg，整備質(zhì)量相差 400～900 kg，與國(guó)外牽引車(chē)有一定差距。此次設(shè)計(jì)目標(biāo)是應(yīng)用輕量化技術(shù)使現(xiàn)有的一款6×4半掛牽引車(chē)的整備質(zhì)量由9100 kg左右降至8200 kg以下。

2 新技術(shù)的應(yīng)用

2.1 采用盤(pán)式制動(dòng)器

目前，貨車(chē)制動(dòng)主要采用的是鼓式制動(dòng)器。與鼓式制動(dòng)器相比，盤(pán)式制動(dòng)器具有體積小、質(zhì)量輕、耐高溫性能好、制動(dòng)性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。甩掛運(yùn)輸牽引車(chē)的行駛車(chē)速較高，使用盤(pán)式制動(dòng)器能提高整車(chē)的安全性。采用盤(pán)式制動(dòng)器后，與同等制動(dòng)效能的鼓式制動(dòng)器相比，質(zhì)量減輕108 kg。

2.2 采用少片簧

少片簧在國(guó)外貨車(chē)上已廣泛應(yīng)用，其質(zhì)量輕、性能好，是一種非常成熟的技術(shù)。由于國(guó)內(nèi)車(chē)輛普遍超載以及材料性能等方面的原因，導(dǎo)致少片簧在國(guó)內(nèi)使用較少。但甩掛運(yùn)輸車(chē)不超載、運(yùn)距長(zhǎng)的特點(diǎn)適合采用少片簧。

根據(jù)整車(chē)的布置先確定前簧的作用長(zhǎng)度為1750 mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算確定前簧剛度為26 kg/mm。進(jìn)一步計(jì)算，板簧中間部位厚度為22 mm，3片簧結(jié)構(gòu)即可滿足要求。綜合考慮可靠性及淬透性，選用材料50CrMnVA。與以前常用的50CrVA相比，其抗拉強(qiáng)度由1300 MPa提升到1500 MPa，最大淬透厚度提升至24 mm[1]。

牽引車(chē)的牽引座部位承受集中載荷，所以中后橋負(fù)荷較大，后平衡懸架承受整車(chē)80%左右的滿載質(zhì)量。根據(jù)整車(chē)的布置先確定后簧的作用長(zhǎng)度為1350 mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算，后簧的剛度約為306 kg/mm。如果選用3片簧，則每片板簧的中間部位厚度將達(dá)到42 mm，導(dǎo)致加工困難且熱處理也很難淬透。因此考慮采用4片簧，每片簧的中間部位厚度為33 mm?？紤]到后簧片厚度更厚、加工難度更大，所以選用新材料FAS3550。新材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1500 MPa以上，最大淬透厚度為50 mm。新材料的可靠性、工藝性均有較大提升。

前、后板簧采用少片簧后質(zhì)量減輕了181 kg。

3 新材料的應(yīng)用

鋼鐵由于具有較高的性價(jià)比，目前仍是汽車(chē)制造業(yè)中使用最廣泛的材料。在輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮汽車(chē)使用性能的前提下，合理的“以鋁代鋼”或“以塑代鋼”，可以顯著減輕汽車(chē)的整備質(zhì)量[2]。

3.1 采用鋁合金輪輞

鋼制輪輞在國(guó)內(nèi)貨車(chē)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位；而在國(guó)外，鍛造鋁合金輪輞在貨車(chē)、客車(chē)上均有廣泛應(yīng)用。相對(duì)于鋼質(zhì)輪輞，鋁合金輪輞有如下優(yōu)點(diǎn)[3]。

a.車(chē)輛在行駛過(guò)程中，由于輪胎與地面摩擦及制動(dòng)操作，導(dǎo)致輪邊會(huì)有大量熱量產(chǎn)生。鋁合金有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，可降低輪胎和制動(dòng)片的溫度，從而延長(zhǎng)輪胎和制動(dòng)片的使用壽命。

b.鋁合金的彈性模量小，抗振性能優(yōu)于鋼制輪轂，提高了車(chē)輛的舒適性。

c.鋁合金的密度約為鋼的1/3，可以明顯減輕整車(chē)質(zhì)量。

設(shè)計(jì)時(shí)，鋁合金輪輞的承載性能應(yīng)與鋼制輪輞相當(dāng)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用厚度為24 mm的鋁合金輪輞可達(dá)到常用厚度為14 mm鋼制輪輞的承載能力，則每個(gè)輪輞實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量22 kg。

車(chē)輪是車(chē)輛的重要部件，關(guān)系到行車(chē)安全。為了保證其可靠性，對(duì)鋁合金輪輞進(jìn)行彎曲疲勞臺(tái)架試驗(yàn)及徑向疲勞臺(tái)架試驗(yàn)。

3.1.1 彎曲疲勞臺(tái)架試驗(yàn)

彎曲疲勞試驗(yàn)加載如圖1所示。

加載彎矩計(jì)算如下:

式中，μ為輪胎與地面間摩擦因數(shù)；R為匹配輪胎的靜態(tài)負(fù)荷半徑，單位為m；d為車(chē)輪的偏距，單位為m；FV為車(chē)輪額定載荷，單位為N；S為強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)。

3.1.2 徑向疲勞臺(tái)架試驗(yàn)

徑向疲勞試驗(yàn)加載如圖2所示。

加載徑向載荷計(jì)算如下:

式中，K為強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果判定

在彎曲疲勞臺(tái)架試驗(yàn)和徑向疲勞臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，鋁合金輪輞狀態(tài)一直正常，試驗(yàn)達(dá)到要求的最低循環(huán)次數(shù)后停止試驗(yàn)，拆下鋁合金輪輞，對(duì)其表面狀態(tài)進(jìn)行檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋或出現(xiàn)其他損壞情況，同時(shí)自動(dòng)傳感裝置的偏移量在允許范圍內(nèi)，所以判定開(kāi)發(fā)的鋁合金輪輞的強(qiáng)度合格。試驗(yàn)條件及結(jié)果如表1所列。

表1 鋁合金輪輞試驗(yàn)條件及結(jié)果

3.2 采用鋁合金殼體變速器

強(qiáng)度、剛度性能相當(dāng)?shù)淖兯倨鳉んw，鋁合金殼體比鑄鐵殼體質(zhì)量輕80 kg。變速器是車(chē)輛的重要部件，以對(duì)鑄鐵殼體變速器的同等技術(shù)要求對(duì)鋁合金殼體變速器進(jìn)行嚙合印記試驗(yàn)和靜扭試驗(yàn)。

嚙合印跡試驗(yàn)表明各擋齒輪嚙合正常，變速器殼體的抗彎能力滿足要求。由于試驗(yàn)結(jié)果圖片較多，僅截取1擋主、從動(dòng)齒輪在100%輸入扭矩情況下的嚙合印跡試驗(yàn)結(jié)果，如圖3和圖4所示。

樣品靜扭試驗(yàn)結(jié)果如表2所列，可知變速器未出現(xiàn)損壞，抗扭能力達(dá)到要求。

表2 變速器總成靜扭試驗(yàn)結(jié)果

3.3 采用鋁鎂合金油箱、鋁散熱器、尼龍快插接頭

同容積鋁鎂合金油箱與鐵油箱相比，前者質(zhì)量減輕44 kg；同等性能的鋁散熱器與銅散熱器相比，前者質(zhì)量減輕9 kg。

氣制動(dòng)管路采用尼龍快插接頭，與傳統(tǒng)的金屬快插接頭相比質(zhì)量減輕1.5 kg。

4 新結(jié)構(gòu)和總成的應(yīng)用

4.1 采用單層縱梁

車(chē)架是貨車(chē)重要的連接、承載部件，質(zhì)量一般在1000kg左右，有一定減輕質(zhì)量的空間。在以往設(shè)計(jì)中通常采用槽型縱梁加內(nèi)槽型內(nèi)加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，材料的屈服強(qiáng)度一般為380 MPa左右。隨著屈服強(qiáng)度在500 MPa及以上高強(qiáng)度鋼板的出現(xiàn)，采用單層車(chē)架的輕量化車(chē)架設(shè)計(jì)方案成為可能。甩掛運(yùn)輸牽引車(chē)不超載且要求路況好，在牽引座處承受局部集中載荷。選用屈服強(qiáng)度為500MPa的高強(qiáng)度鋼板作為縱梁的材料，采取等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，整體采用單層縱梁，對(duì)牽引座附近承受載荷較大的部位進(jìn)行局部加強(qiáng)[4]，在縱梁外側(cè)裝有“L”形鞍座底板連接板、內(nèi)側(cè)裝有板狀加強(qiáng)板。完成初步設(shè)計(jì)后運(yùn)用有限元分析手段對(duì)車(chē)架不同工況下的受力情況進(jìn)行分析，并進(jìn)行適當(dāng)修改，以得到合理的車(chē)架總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。最終實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量96kg。

在鞍載質(zhì)量18348 kg的后扭工況下，車(chē)架的應(yīng)力云圖如圖5所示，最大應(yīng)力水平未超出400 MPa，有大于1.25的安全余量。在垂直、轉(zhuǎn)彎、前扭等工況下的受力情況均優(yōu)于后扭工況，可以判定滿足要求。

4.2 采用最短軸距、最短后懸布置方案

圖6所示為該車(chē)整車(chē)外形圖。汽車(chē)的軸距越短，則整備質(zhì)量越輕、機(jī)動(dòng)性越好[5]。綜合考慮各種因素，通過(guò)合理布置鞍座位置及各總成的位置，將軸距縮短為（3200+1350）mm，與目前絕大多數(shù)采用（3450+1350）mm軸距的牽引車(chē)相比，其質(zhì)量減輕20 kg。

較小的整車(chē)后懸可以減小半掛牽引車(chē)的后回轉(zhuǎn)半徑，對(duì)半掛車(chē)有更好的適應(yīng)性。最終確定整車(chē)后懸為760 mm，與目前常用的890 mm后懸相比，質(zhì)量減輕7 kg。

4.3 輕量化驅(qū)動(dòng)橋的應(yīng)用

目前6×4牽引車(chē)廣泛采用的驅(qū)動(dòng)橋中質(zhì)量最輕的為1524 kg（雙橋合計(jì)，不含車(chē)輪），該橋的主減速器從動(dòng)錐齒輪分度圓直徑為457 mm。該橋曾廣泛應(yīng)用在總質(zhì)量達(dá)40 t的公路自卸車(chē)上，雙橋承受載荷為26 t，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期驗(yàn)證其可靠性滿足要求。甩掛運(yùn)輸牽引車(chē)的中后橋軸荷合計(jì)最大為20 t且使用工況較好，即該橋的能力富余較多。為進(jìn)一步減輕車(chē)輛質(zhì)量，開(kāi)發(fā)了主減速器從動(dòng)錐齒輪分度圓直徑為440 mm的驅(qū)動(dòng)橋，該橋單橋額定軸荷13 t，最大輸出扭矩 31000 N·m，速比范圍 3.545～7.4，采用準(zhǔn)雙曲面齒輪、直齒錐齒輪式差速器，貫通橋帶軸間差速器、軸間差速鎖。結(jié)果為，后橋總成質(zhì)量約650 kg，中橋約760 kg，與目前使用的質(zhì)量最小的雙驅(qū)動(dòng)橋相比，質(zhì)量減輕了114 kg。

為保證驅(qū)動(dòng)橋總成的可靠性，對(duì)中、后橋橋殼進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明滿足設(shè)計(jì)要求。方法及結(jié)果見(jiàn)圖7和表3。

表3 橋殼垂直彎曲剛性試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)中、后橋的主減速器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)橋的各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果如表4～表6所列。

表4 主減速器試驗(yàn)方法

表5 驅(qū)動(dòng)橋主減速器試驗(yàn)結(jié)果

表6 主、從動(dòng)錐齒輪齒側(cè)間隙測(cè)量結(jié)果 mm

5 試驗(yàn)

車(chē)輛試制完成后，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行稱重，車(chē)輛整備質(zhì)量為8140 kg，達(dá)到了整備質(zhì)量降至8200 kg以下的目標(biāo)。車(chē)輛性能變化及整備質(zhì)量變化詳見(jiàn)表7。

對(duì)車(chē)輛進(jìn)行必要的性能測(cè)試后，按照相關(guān)新產(chǎn)品定型試驗(yàn)要求對(duì)車(chē)輛進(jìn)行30000 km的可靠性試驗(yàn)，其中包括高速行駛12000 km、可靠性道路行駛8000 km、山區(qū)公路行駛6000 km、普通公路行駛4000 km。

試驗(yàn)完成后，盤(pán)式制動(dòng)器、車(chē)架、變速器、驅(qū)動(dòng)橋等關(guān)鍵總成均未發(fā)生損壞現(xiàn)象，其它零部件及總成也未見(jiàn)異常。

表7 輕量化設(shè)計(jì)后性能對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

介紹了某型甩掛運(yùn)輸半掛牽引車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)工作，同時(shí)采用盤(pán)式制動(dòng)器、少片簧等新技術(shù)，鋁合金、尼龍等新材料，單層縱梁、短軸距等新結(jié)構(gòu)以及新的輕量化驅(qū)動(dòng)橋，使其整備質(zhì)量減至8200 kg以下。最后經(jīng)過(guò)有限元分析、臺(tái)架試驗(yàn)及整車(chē)可靠性試驗(yàn)，證明了所采用方法的可行性。

1 彭莫，刁增祥，黨瀟正.機(jī)械工業(yè)出版社汽車(chē)懸架構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

2 克萊恩，陳力禾.輕量化:原理、材料選擇與制造方法.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

3 潘復(fù)生，張丁非，等.鋁合金及應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

4 陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

5 王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.