商用車(chē)的質(zhì)量特征及輕量化評(píng)價(jià)

董學(xué)鋒

（中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130011）

1 前言

產(chǎn)品輕量化是汽車(chē)主要發(fā)展戰(zhàn)略之一，旨在通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)的最小質(zhì)量，在給定的技術(shù)邊界條件下實(shí)現(xiàn)所需功能，減輕系統(tǒng)質(zhì)量，提高系統(tǒng)效率，并在整個(gè)生命周期內(nèi)保證系統(tǒng)的可靠性。重型載貨車(chē)輛每個(gè)輪胎的載荷是有限定的，總質(zhì)量也有標(biāo)準(zhǔn)限制，若總質(zhì)量不變，降低整備質(zhì)量，實(shí)際上是增加了載質(zhì)量。假如整備質(zhì)量降重500 kg，可視為載質(zhì)量增加500 kg，因此對(duì)商用車(chē)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，輕量化更有意義。

2 商用車(chē)的動(dòng)力強(qiáng)勁度

商用車(chē)、尤其是中重型載貨汽車(chē)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同類(lèi)型車(chē)輛的外廓尺寸、車(chē)軸數(shù)、輪胎數(shù)下的允許負(fù)荷都有明確的規(guī)定和限制，除了車(chē)輛的類(lèi)別與噸位外，商用車(chē)用戶(hù)關(guān)注品牌和動(dòng)力、油耗和運(yùn)營(yíng)成本、發(fā)動(dòng)機(jī)排量和功率等技術(shù)指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)分析商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)功率與總質(zhì)量數(shù)據(jù)，以車(chē)輛總質(zhì)量為橫坐標(biāo)（X=Gz），以發(fā)動(dòng)機(jī)功率為縱坐標(biāo)（Y=Pe），形成散點(diǎn)圖及總趨勢(shì)線(xiàn)，如圖1a所示，圖中的P1.0，代表總體的平均線(xiàn)，以此線(xiàn)為基線(xiàn)，分別乘以0.6、0.8、…、1.6，得到P0.6、P0.8…、P1.6，作為動(dòng)力強(qiáng)勁度分級(jí)。視P1.0線(xiàn)為平均水平，本文中車(chē)輛強(qiáng)勁度定義是發(fā)動(dòng)機(jī)功率與P1.0線(xiàn)上相同總質(zhì)量的平均功率之比。在P1.0之上越高越強(qiáng)，之下越低越弱，如果選擇動(dòng)力型，需選擇動(dòng)力強(qiáng)勁度高的，從圖中可知，個(gè)別車(chē)輛的動(dòng)力大于P1.6，在總質(zhì)量16 t以下的載貨汽車(chē)中，也有低于P0.6的車(chē)輛在售。用一個(gè)圖表示從總質(zhì)量1.3～32 t的所有動(dòng)力，從數(shù)據(jù)分布看對(duì)輕型汽車(chē)顯然不太合理，放大1.3～5 t的局部區(qū)域得到圖1b，同理，得到牽引車(chē)和自卸車(chē)的動(dòng)力強(qiáng)勁度圖1c和圖1d，其計(jì)算見(jiàn)表1。其中，動(dòng)力強(qiáng)勁度P=Pe/（aGz+b）。Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率；Gz為總質(zhì)量。

圖1 商用車(chē)動(dòng)力強(qiáng)勁度與分級(jí)

3 載貨汽車(chē)的質(zhì)量特征

將16 t以下的載貨汽車(chē)按橫坐標(biāo)X為整備質(zhì)量、縱坐標(biāo)Y為載質(zhì)量進(jìn)行散點(diǎn)圖分析，從圖2可以看出，點(diǎn)的集中分布規(guī)律有兩個(gè)特點(diǎn)，一是總質(zhì)量的恒定集中規(guī)律，二是載質(zhì)量的恒定集中規(guī)律。連成圖2中4～16 t的斜線(xiàn)族，表現(xiàn)為車(chē)輛是按總噸位設(shè)計(jì)，總質(zhì)量恒定，載質(zhì)量為總質(zhì)量與整備質(zhì)量之差；總質(zhì)量與法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)直觀對(duì)應(yīng)，也方便車(chē)輛和道路管理部門(mén)。圖中的5 t、8 t、10 t等水平線(xiàn)上點(diǎn)，說(shuō)明設(shè)計(jì)是按載質(zhì)量為目標(biāo)開(kāi)發(fā)的車(chē)型。

表1 商用車(chē)動(dòng)力強(qiáng)勁度的計(jì)算

圖2 載貨汽車(chē)的質(zhì)量

如果以車(chē)長(zhǎng)作為橫坐標(biāo)，總質(zhì)量作為縱坐標(biāo)，制作載貨汽車(chē)的總質(zhì)量與車(chē)長(zhǎng)關(guān)系圖（見(jiàn)圖3），對(duì)照國(guó)家2軸、3軸和4軸載貨汽車(chē)的總質(zhì)量和長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)限制，全部符合。對(duì)于大噸位的車(chē)輛，基本是按總質(zhì)量最大化的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，車(chē)長(zhǎng)各有不同，但都沒(méi)超越法規(guī)的限定。

圖3 載貨汽車(chē)質(zhì)量與車(chē)長(zhǎng)

總質(zhì)量＜16 t的載貨汽車(chē)，用整備質(zhì)量和載質(zhì)量的散點(diǎn)形態(tài)體現(xiàn)在圖2中，按GB 1589《汽車(chē)、掛車(chē)及汽車(chē)列車(chē)外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》，兩軸載貨車(chē)最大允許總質(zhì)量16 t，如圖4中的最下斜線(xiàn)，但驅(qū)動(dòng)軸為每軸每側(cè)雙輪胎且裝備空氣懸架時(shí)，最大允許總質(zhì)量可以放寬到17 t，原因是空氣懸架在車(chē)架（車(chē)箱）與車(chē)橋之間，有效減緩了互相之間的沖擊，總質(zhì)量可以增大1 t。

圖4 2軸載貨汽車(chē)的限定

3軸貨車(chē)如圖5所示，按GB 1589最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量最小限值16 t，最大允許總質(zhì)量最大限值25 t，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸為每軸每側(cè)雙輪胎且裝備空氣懸架時(shí)，最大允許總質(zhì)量最大限值可到26 t；在圖5的陰影部分是所示區(qū)域，其中的點(diǎn)是所對(duì)應(yīng)的中國(guó)市場(chǎng)的現(xiàn)有車(chē)型，多數(shù)在最大限值25 t的控制線(xiàn)上，左上主要是6×2車(chē)型，右下主要是6×4車(chē)型，顯然，同一斜線(xiàn)上的車(chē)型，整備質(zhì)量越靠左上越輕，當(dāng)然6×2比6×4的要輕。

圖5 3軸載貨汽車(chē)的限定與實(shí)際分布

具有雙轉(zhuǎn)向軸的4軸汽車(chē)，GB 1589中規(guī)定重型載貨汽車(chē)[8×2/8×4]最大允許總質(zhì)量最大限值是31 t，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸為每軸每側(cè)雙輪胎且裝備空氣懸架時(shí)，最大允許總質(zhì)量最大限值32 t，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量最小限值24 t。圖6陰影區(qū)域是標(biāo)準(zhǔn)的限定區(qū)域，中國(guó)的載貨汽車(chē)空氣懸架極少，絕大多數(shù)的車(chē)型都設(shè)計(jì)在總質(zhì)量31 t的邊界線(xiàn)上。8×2的車(chē)型要比8×4輕，8×2的車(chē)型多集中在線(xiàn)的左上部分，8×4的車(chē)型多集中在線(xiàn)的右下部分。同一驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，左上部分自重輕而載重大。

4 商用車(chē)的輕量化度與輕量化指數(shù)

4.1 商用車(chē)的輕量化度

商用車(chē)受道路限制，對(duì)其尺寸是有限定的，外廓尺寸的最大限值是（12 000×2 500×4 000），設(shè)計(jì)不能越限。比較與分析認(rèn)為，商用車(chē)的輕量化度用整備質(zhì)量與總質(zhì)量比較合適，為此，以總質(zhì)量為橫坐標(biāo)，以整車(chē)整備質(zhì)量為縱坐標(biāo)，形成整車(chē)質(zhì)量輕量化度的評(píng)價(jià)圖，本文對(duì)輕量化度的定義是被評(píng)價(jià)車(chē)輛的整備質(zhì)量與同樣總質(zhì)量下的整備質(zhì)量趨勢(shì)平均值之比，其意義在于同樣的總質(zhì)量下，如果輕量化度值Ld=1，說(shuō)明被評(píng)價(jià)車(chē)輛的整備質(zhì)量處于平均水平，Ld＜1說(shuō)明比平均值好，輕量化度的值越低越好，即整車(chē)整備質(zhì)量越低越好。

圖6 4軸載貨汽車(chē)的限定與實(shí)際分布

圖7是中國(guó)載貨汽車(chē)的整備質(zhì)量與總質(zhì)量的散點(diǎn)圖，將散點(diǎn)圖做線(xiàn)性趨勢(shì)分析得到線(xiàn)L1.0，線(xiàn)L1.0就是載貨汽車(chē)（包括2軸、3軸和雙前軸轉(zhuǎn)向的4軸汽車(chē)）的總體平均趨勢(shì)線(xiàn)，平均趨勢(shì)線(xiàn)的公式在圖中標(biāo)出，以趨勢(shì)平均線(xiàn)為基準(zhǔn)，分別作倍數(shù)0.7～1.3的倍數(shù)線(xiàn)，得到一組斜線(xiàn)，這一組斜線(xiàn)基本覆蓋了中國(guó)載貨汽車(chē)的全部點(diǎn)，整個(gè)線(xiàn)族作為整車(chē)輕量化度的刻度線(xiàn)。比如某載貨車(chē)的總質(zhì)量是18 175 kg，整備質(zhì)量9 080 kg，用圖中公式Gk0=0.355 9Gz+516.5表示，將Gz=18 175代入得Gk0=6 985，9 080/6 985≈1.3，它的含意是6 985是總質(zhì)量為18 175 kg的整備質(zhì)量平均值，即在圖中的橫坐標(biāo)軸上，以X=18 175作垂線(xiàn)，以L(fǎng)1.0的交點(diǎn)的y值是6 985，樣車(chē)的整備質(zhì)量是9 080 kg，是平均值的1.3倍，輕量化度為1.3。再如總質(zhì)量為24 595 kg，整車(chē)整備質(zhì)量為9 080 kg時(shí)，算出整備質(zhì)量的平均值是9269.9 kg，從而得到輕量化度是0.98。

圖7 載貨汽車(chē)的輕量化度

從總質(zhì)量1.3～31 t（涵蓋4×2～8×4）用一條評(píng)價(jià)基準(zhǔn)基（這里稱(chēng)混合評(píng)價(jià)），對(duì)于輕型載貨汽車(chē)稍顯粗放，將1.3～4.5 t、4.5～16 t，分開(kāi)并單獨(dú)做平均趨勢(shì)線(xiàn)，得到各自的輕量化度獨(dú)立評(píng)價(jià)圖，見(jiàn)圖8a和圖8b。

圖8a 載貨汽車(chē)GZ＜4.5 t的輕量化度

圖8b 載貨汽車(chē)4.5t＜GZ＜16t的輕量化度

用同樣方法，基于現(xiàn)在中國(guó)牽引汽車(chē)的整備質(zhì)量與總質(zhì)量形成散點(diǎn)圖，圖9中含有2軸和3軸牽引車(chē)，按驅(qū)動(dòng)型式有4×2、6×2和6×4，如果做一個(gè)評(píng)價(jià)圖，同理形成趨勢(shì)平均線(xiàn)作為基準(zhǔn)線(xiàn)（L1.0），擴(kuò)展輕量化度線(xiàn)從L0.7～L1.3；同樣，自卸汽車(chē)的輕量化度如圖10所示，寫(xiě)成輕量化度的評(píng)價(jià)公式如表2所示。其中，Ld=Gk1/(cGz+d)。Gk1為整備質(zhì)量；Gz為總質(zhì)量。

圖9 牽引車(chē)的輕量化度

公式表征汽車(chē)主要類(lèi)別車(chē)型的輕量化度，分母是與總質(zhì)量線(xiàn)性相關(guān)的平均整備質(zhì)量。

4.2 商用車(chē)的輕量化指數(shù)

僅用質(zhì)量對(duì)比表示輕量化度過(guò)于簡(jiǎn)單，考慮車(chē)輛外廓尺寸越大整車(chē)質(zhì)量越大，動(dòng)力越大整車(chē)質(zhì)量也越大，因此縱坐標(biāo)用車(chē)輛密度與功率比來(lái)表征，即為整備質(zhì)量除以車(chē)體積（長(zhǎng)×寬×高），再除以發(fā)動(dòng)機(jī)功率，表示單位功率質(zhì)量密度，圖11為載貨車(chē)的輕量化指數(shù)，用二次函數(shù)來(lái)求趨勢(shì)平均線(xiàn)，得圖中的線(xiàn)1.0，以1.0線(xiàn)的（0.5、0.75、1.25、1.5、1.75、2.0）的倍數(shù)，得其輕量化指數(shù)的各個(gè)級(jí)線(xiàn)。同理得到牽引車(chē)和自卸車(chē)的輕量化指數(shù)圖如圖12和圖13所示，如果寫(xiě)成公式如表3所示。其中，L是汽車(chē)輕量化指數(shù)；Gz是汽車(chē)總質(zhì)量；Gk是汽車(chē)的整備質(zhì)量；V為汽車(chē)體積（長(zhǎng)×寬×高）；P為發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

圖10 自卸車(chē)的輕量化度

表2 輕量化度的計(jì)算

圖12 牽引車(chē)的輕量化指數(shù)

圖13 自卸車(chē)的輕量化指數(shù)

表3 輕量化指數(shù)的計(jì)算

5 載質(zhì)量利用系數(shù)

載質(zhì)量利用系數(shù)是載質(zhì)量與整備質(zhì)量之比，2009年開(kāi)始，在商用車(chē)相關(guān)申報(bào)中，被當(dāng)作重要使用性能指標(biāo)來(lái)填寫(xiě)，也是宏觀衡量汽車(chē)結(jié)構(gòu)合理程度的一項(xiàng)指標(biāo)。其數(shù)值越大，表明汽車(chē)設(shè)計(jì)制造水平越高，使用性能越優(yōu)越。對(duì)載貨車(chē)的質(zhì)量利用系數(shù)有最小值限定，本文不再說(shuō)明。

載質(zhì)量利用系數(shù)與汽車(chē)部件、總成、結(jié)構(gòu)的完善與精良化程度以及輕質(zhì)材料的使用率有關(guān)，表明了汽車(chē)主要材料的使用及輕量化程度，也間接反映了汽車(chē)使用經(jīng)濟(jì)性。在運(yùn)輸過(guò)程中，汽車(chē)整備質(zhì)量將引起非生產(chǎn)性油耗、輪胎磨損以及發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗。在總質(zhì)量和使用壽命相同條件下，載質(zhì)量利用系數(shù)越高，該車(chē)型的結(jié)構(gòu)和制造水平就越高，輕量化程度也越好。

整備質(zhì)量利用系數(shù)的提高是現(xiàn)代載貨汽車(chē)制造技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志之一。除了不斷完善汽車(chē)結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)外，降低汽車(chē)整備質(zhì)量的重要途徑是利用輕質(zhì)材料，特別是應(yīng)用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的高強(qiáng)度鋁合金和復(fù)合塑料等。圖14是載貨汽車(chē)的載質(zhì)量利用系數(shù)圖，其部分特征線(xiàn)已在圖中標(biāo)示出來(lái)。

圖14 載質(zhì)量利用系數(shù)

6 結(jié)束語(yǔ)

重型商用車(chē)基本使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，柴油汽車(chē)比汽油汽車(chē)排放嚴(yán)重，雖商用車(chē)量少，但排量大，所以商用車(chē)的輕量化也極其重要，由于對(duì)比和評(píng)價(jià)的相關(guān)研究較少，本文在現(xiàn)有質(zhì)量統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出一種分析方法，建立一個(gè)簡(jiǎn)單標(biāo)尺，為整車(chē)輕量化水平評(píng)價(jià)提供一個(gè)思路，用來(lái)表征商用車(chē)產(chǎn)品的輕量化程度，商用車(chē)品種非常多，文中僅以典型的3種商用車(chē)為例進(jìn)行說(shuō)明，供參考和討論，并逐漸完善。