輕量化載貨掛車促進綠色貨運

路洪洲，吳劍，陳琦峰，萬國喜，劉獻棟，郭愛民

前言

隨著我國對節(jié)能環(huán)保要求的日益嚴格以及國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的需要，汽車輕量化越來越成為緩解能源壓力和改善環(huán)境、降低霧霾的重要手段，綠色貨運已經(jīng)成為公路運輸行業(yè)的發(fā)展趨勢[1]。各種廂式運輸車、罐式運輸車、柵欄半掛車等是承擔公路運輸?shù)慕煌üぞ?。從各國的?jīng)驗看，實現(xiàn)貨運車輛節(jié)能減排的措施主要有4種：改進發(fā)動機燃油效率、替代燃料和開發(fā)新能源車輛開發(fā)應(yīng)用、輕量化、甩掛運輸[]。輕量化作為傳統(tǒng)汽車、替代燃料汽車和新能源汽車共有的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)引起了世界各國和知名跨國企業(yè)的高度重視。汽車輕量化是一個系統(tǒng)工程，涉及到產(chǎn)品設(shè)計、材料、裝備和工藝、售后維修、回收再利用等多方面[3]，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料優(yōu)化無疑是其中最重要的內(nèi)容，本文將主要探討應(yīng)用鈮微合金化技術(shù)方案來實現(xiàn)的典型貨運裝備輕量化的案例。

1、理論及方法

半掛車的車廂和車架，作為半掛車上最重要的也是質(zhì)量最大的部件，在減輕半掛車總質(zhì)量方面具有很大潛力。以往的車架，由于材料性能和設(shè)計方法的限制，為了達到使用所需的強度在結(jié)構(gòu)上有很多不合理的設(shè)計，這也直接導(dǎo)致了整車質(zhì)量的增大。而隨著技術(shù)的進步，新型高強度鋼材的研究不斷發(fā)展，有限元仿真分析和先進優(yōu)化設(shè)計方法的廣泛應(yīng)用，以及新型制造工藝的推動，為車廂、車架結(jié)構(gòu)的輕量化開發(fā)提供了基礎(chǔ)。

依據(jù)載貨掛車實際的行駛狀況,可選取彎曲工況、彎扭工況、制動工況、加速工況和轉(zhuǎn)彎工況進行力學分析計算[4]，由于彎曲工況、制動工況和加速工況三個工況是物流企業(yè)和掛車企業(yè)較為關(guān)注的工況，故本研究主要從上述三個工況進行探討。CAE分析軟件采用參數(shù)優(yōu)化軟件 ISIGHT和HYPERWORK軟件。對于均為空心方管或工字梁結(jié)構(gòu)的車架結(jié)構(gòu)，由于這些結(jié)構(gòu)的特點是壁厚尺寸遠小于它們的長、寬尺寸，因此屬于薄壁結(jié)構(gòu)范疇。在有限元方法理論中，殼單元是解決薄壁結(jié)構(gòu)問題常用的單元類型，因而本研究采用殼單元。在鞍座處固定五個自由度，只保留繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度?？紤]到實際工況中車架與板簧連接處基本不動，因此在車架模型中鋼板彈簧對應(yīng)的位置將其完全固定。以轎車運輸車CAE分析為例，在彎曲工況分析中，將轎車模型的質(zhì)心坐標后，在質(zhì)心處添加質(zhì)點作為載荷，耦合在車架相應(yīng)的位置上，沿Z軸負方向（即垂向）施加重力載荷Gravity，大小取。由于建立的轎車方塊模型包含有質(zhì)量，故緊急制動工況下所產(chǎn)生的慣性力只需通過沿Y軸負方向（即縱向）施加加速度場即可，參照參考文獻可選取加速度大小為0.7g。加速工況與緊急制動工況十分類似，加速工況下加速度方向則相反，由前端指向后端。根據(jù)相關(guān)文獻，加速度值取為0.6g。根據(jù)分析，選擇最大應(yīng)力和最大變形不敏感的構(gòu)件進行材料減薄處理，并在最大應(yīng)力和最大變形較敏感的構(gòu)件進行材料加厚處理，或者設(shè)計加強梁等對敏感部位進行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最后根據(jù)基于輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化的三個工況的CAE分析結(jié)果，如最大應(yīng)力分布結(jié)果等，選擇高強度材料。同時考慮車輛腐蝕所造成的部件厚度減薄對結(jié)構(gòu)強度和剛度的影響，再次優(yōu)化掛車結(jié)構(gòu)和高強度鋼材厚度選擇。并對所選擇的高強度鋼板進行焊接和成形等工藝參數(shù)的研究，以保證良好的制造工藝性。

2、輕量化載貨掛車案例

2.1 轎車運輸車

隨著中國汽車產(chǎn)銷量的快速增長，轎車運輸車的需求量越來越大，由于轎車運輸車沒有超載需求，其降低整備質(zhì)量，可以提高整車的平順性、降低物流企業(yè)的燃油消耗并減少高速公路過路費，因而物流企業(yè)對轎車運輸車的輕量化需求較大。

為了達到減輕重量的目的，對于轎車運輸車原始的車架模型，主要做了兩方面的改變。第一是合理改變某些位置的鋼板的厚度，使其總體上達到強度足夠，重量減輕的效果，比如底架的原始厚度從8mm和6mm減至5mm，并在幾個關(guān)鍵的位置增加了角板用并在邊梁的中段增加了一段腹板以結(jié)構(gòu)加固。中平臺和后平臺也同樣進行減薄處理。另外經(jīng)過拓撲優(yōu)化重新設(shè)計，如由于中平臺的載荷形式比較簡單，整體結(jié)構(gòu)對稱性強，可將原來中平臺的結(jié)構(gòu)改為新的X型結(jié)構(gòu)。在減薄的同時，并部分結(jié)構(gòu)進行加厚處理，如最后一對支架所在的立柱改為壁厚 8mm等，初步方案形成后，對上述提出的三個典型工況進行CAE校驗分析，最大應(yīng)力部分結(jié)果見表1。

表1 三個典型工況CAE的最大應(yīng)力結(jié)果

從表1的分析結(jié)果看，原始轎車運輸車的最大應(yīng)力不超過280MPa，在考慮誤差的前提下并采用1.2的安全系數(shù)，可采用屈服強度為350MPa左右的材料，由于我國早期的鋼材以Q235和Q345為主，所以原始轎車運輸車采用了Q345作為應(yīng)用材料，但事實上明顯安全系數(shù)略低；而對于輕量化優(yōu)化后的轎車運輸車，其最大應(yīng)力在360MPa左右，由于應(yīng)用輕量化方面導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件厚度減薄，為了保證結(jié)構(gòu)強度，應(yīng)該進一步提高安全系數(shù)，如采用1.5的安全系數(shù)，在考慮誤差的前提下，輕量化轎車運輸車應(yīng)選擇屈服強度超600MPa的材料。同樣，三個工況下，最大變形見表2。

表2 三個典型工況CAE的最大變形（位移）結(jié)果

一般情況下，由于貨物裝卸過程容易對掛車的車廂車架底部產(chǎn)生磕碰，由于掛車每隔幾年才進行一次補漆等維護，故車廂車架底部橫梁腐蝕可能會較嚴重，按照銹蝕速度0.2mm/年，5～6年后已腐蝕部位的壁厚將減薄1.0mm以上，可能會影響相關(guān)性能。將模型中車架底部所有的橫梁壁厚均作減薄1.2mm（原厚度為3mm，按照6年腐蝕計算）處理，視為材料銹蝕的厚度，再次進行了彎曲、緊急制動和急加速這三種主要工況的計算。

分析結(jié)果顯示，急加速工況下銹蝕的影響不太明顯，銹蝕后橫梁上的最大應(yīng)力在 120MPa～140MPa，底部橫梁上的最大變形均大約為19.6mm。彎曲工況下應(yīng)力變化比較明顯，彎曲工況應(yīng)力從90MPa增加到210MPa，橫梁上最大變形約為從未腐蝕狀態(tài)的 20.9mm變?yōu)楦g后 21.4mm。緊急制動工況，橫梁上最大的應(yīng)力從未腐蝕狀態(tài)的159MPa增加到腐蝕后 242MPa，其中緊急制動工況下橫梁的最大應(yīng)力已經(jīng)接近整個車架的最大應(yīng)力（約250MPa），可以算作次危險點。從以上計算結(jié)果可以看出，在彎曲和緊急制動工況下，銹蝕前后底部橫梁上的最大應(yīng)力有較明顯變化應(yīng)酌情考慮是否進行結(jié)構(gòu)加強或者應(yīng)用更高強度的材料。故從耐腐蝕的角度看，局部減薄需進行控制，另外結(jié)構(gòu)強度應(yīng)進一步提高，因而局部位置需選擇更高強度的高強度鋼，如屈服強度在 600MPa以上的如T700L以及T750L鋼板。

基于此，項目組開發(fā)及優(yōu)化了更高強度的掛車用鋼材料，其成分見表3。T750L的力學性能見表4，其中屈服強度、延伸率等均為多個樣本量的平均值。從 5mm～8mm厚度的T750L的力學性能看，該鋼種延伸率在20%以上，屈強比在可以接收的范圍內(nèi)即0.88～0.95，屈服強度在700MPa以上，上述性能完全滿足要求。

表3 抗拉強度為750MPa的掛車用高強度鋼的主要成分

表4 抗拉強度為750MPa的掛車用高強度鋼的主要力學性能參數(shù)

為了滿足制造工藝性要求，需進行焊接工藝研究，本鋼材可使用ER50-6以及CHW-70C等焊材，焊接接頭性能均滿足使用要求。

最終，應(yīng)用新開發(fā)的抗拉強度為750MPa的AG750及重新優(yōu)化的抗拉強度為700MPa的AG700兩種材料，根據(jù)優(yōu)化分析結(jié)果進行相應(yīng)的減薄以及局部加強，可減重1.47噸，滿足使用要求。從優(yōu)化設(shè)計后半掛車應(yīng)力、位移增加量以及所使用材料強度的提高量來看，本設(shè)計是可行的，不但可滿足強度要求，還可保證位移增加量不大的需要。

2.2 糧食運輸車

利用上述的輕量化掛車設(shè)計及分析方案，我們提出另一類車型即糧食運輸車的輕量化解決方案。該項目在巴西完成，在巴西這個國家，谷物主要通過汽車進行運輸，該車輛主要運輸大米、玉米以及大豆等谷物[5]，該車廂的原始設(shè)計重量為2.39噸，其使用的材料為屈服強度為270MPa的鋼材，輕量化設(shè)計后，采用屈服強度為 750MPa的 Docol 1000以及Domex 700MC，使重量降低至 2.17噸。Docol 1000以及Domex 700MC的主要成分見表5。

表5 Docol 1000以及Domex 700MC的主要成分

輕量化前后的效果見表 6，由表可見，除了達到了減重效果外，糧食運輸車的容積增加了+ 7.4%，無疑這將增加物流企業(yè)的收益。

表6 輕量化前后的效果

3、經(jīng)濟性的初步分析

對于輕量化轎車運輸車而言，根據(jù)實踐發(fā)現(xiàn)，車輛公路運輸每減輕自重100kg，可節(jié)約0.4L/100km的燃油。按3000輛半掛運輸車來計算，每輛車平均每年行駛12萬km，單車油耗約33L/100km，輕量化后減重1.47噸，將有望年節(jié)省成本5000多萬元，節(jié)約柴油712.8萬L，每年減排二氧化碳1.91萬 t，產(chǎn)生十分可觀的社會效益和經(jīng)濟效益。當然具體的經(jīng)濟性收益還要進行燃油經(jīng)濟性對比測試。對于輕量化谷物運輸車來說，經(jīng)過測試分析可以得到，當該車輛用于運輸大米、玉米以及大豆時，每次運輸可分別增加載貨量8%、3%、1%，這對于節(jié)能減排十分有益。

如果每年投放市場的新車均為輕量化車型，可以推算整個公路運輸行業(yè)，每年將大量的燃油以及減少二氧化碳。如施行若干年后，整個行業(yè)的車輛均更新完成，則節(jié)能減排的效益更加十分巨大。

4、結(jié)論

通過輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、高強度鋼的開發(fā)和應(yīng)用研究，與原始車輛相比，輕量化轎車運輸車可減重10%即1.47噸，糧食運輸車可減重9.7%即0.22噸。

抗拉強度在700MPa及750MPa的掛車用高強度鋼技術(shù)已成熟，鋼材性能穩(wěn)定性以及焊接等工藝均可達到使用要求。

輕量化的汽車列車車輛的開發(fā)和投入使用可以促進技術(shù)進步、提高運輸效率、節(jié)約能耗、減少排放，并促進綠色貨運。

[1] 路洪洲,王文軍,郭愛民,張立龍,王杰功,萬國喜,馬鳴圖.鈮微合金化高強度鋼在輕量化商用車列車上的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè),2015(06):43-49.

[2] 徐茂武,高玉廣,馬治,徐忠宇,張學禮.某甩掛運輸半掛牽引車的輕量化設(shè)計[J].汽車技術(shù), 2013(06):13-17.

[3] 路洪洲,王智文,陳一龍等.汽車輕量化評價[J].汽車工程學報,2015(01):1-8.

[4] Jian Bian, Hardy Mohrbacher, Jian-SuZhang, Yun-Tang Zhao, Hong-Zhou Lu, Han Dong. Application potential of high performanceesteels for weight reduction and efficiencyincrease in commercial vehicles[J], Journal of Shanghai University(English Edition),2015(01).

[5] Marcos Stuart, Light Design for Agriculture Transportation Trucks,2015 CITIC-CBMM R&D Report Meeting[C]. 2015(03).