重型卡車中輕量化材料應(yīng)用探析

湯玉軍

北京福田戴姆勒汽車有限公司 北京 101400

引言

隨著重型載貨卡車的應(yīng)用推廣，用戶對重型卡車提出了更高要求，也面臨更嚴(yán)格的安全、節(jié)能、環(huán)保等問題，汽車輕量化成為滿足用戶需求和解決環(huán)保問題的重要措施之一，各大重型卡車廠商將整車輕量化作為工作重點，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料應(yīng)用、技術(shù)創(chuàng)新等方面不斷探索輕量化解決方案。有效降低卡車自重，提高運輸效率，降低運輸成本，為企業(yè)創(chuàng)造更多盈利空間。本文對重型卡車輕量化材料應(yīng)用進(jìn)行研究，探索汽車輕量化解決途徑，促進(jìn)新型輕量化材料的應(yīng)用和創(chuàng)新。

1 重型卡車輕量化途徑

重型卡車構(gòu)成是一個系統(tǒng)工程，包含了數(shù)千個部件，材料涉及金屬、塑料、橡膠以及眾多加工工藝，在重型卡車輕量化途徑上，總結(jié)主要有以下幾點：

輕量化部件設(shè)計。對卡車功能進(jìn)行優(yōu)化重組，將多個部件進(jìn)行整合，通過減少部件數(shù)量達(dá)到降低重量的目的。

應(yīng)用輕量化材料。輕量化材料主要指高強(qiáng)度材料和輕質(zhì)材料，高強(qiáng)度鋼材屬于高強(qiáng)度材料，鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料以及塑料等屬于輕質(zhì)材料。

部件減重設(shè)計和功能優(yōu)化。隨著新型材料應(yīng)用，原有的設(shè)計、加工、裝配等環(huán)節(jié)也要隨之進(jìn)行大幅改動；在部件材料不變更的情況下通過設(shè)計優(yōu)化進(jìn)行合理瘦身。

2 輕量化材料在重型卡車上的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 鋁合金

在輕量化材料方面鋁的應(yīng)用最多，鋁的密度大約是鋼的三分之一，不僅重量輕還有很好的抗熱抗疲勞性，在重型卡車上鋁合金可以用在多種部件中。鋁合金板帶材、鋁合金鍛造材等屬于變形鋁合金，可以用在重卡車身骨架、車輪、車身面板上。

鋁合金貨箱應(yīng)用。傳統(tǒng)油罐車能耗高、安全性差、易腐蝕，使用高強(qiáng)度鋁合金可以一次包裹成型，提高了安全性能，極大減輕了自重，油品運輸質(zhì)量得到保障。在廂式貨車、半掛車等不同型號重卡中都可以進(jìn)行推廣使用。

鋁合金部件應(yīng)用，如鋁合金車輪，鑄造鋁合金車輪比普通輪轂相比質(zhì)量輕、散熱性能好，目前美國90%的運輸車輛車輪都使用了鑄造鋁合金車輪，在我國也將逐漸得到推廣。鋁合金油箱，可以很好的防止油箱內(nèi)污垢的產(chǎn)生，保護(hù)車輛燃油系統(tǒng)，并且銀色外觀簡潔大方，不需要額外噴漆，同時由于鋁質(zhì)的延展性，冬季或發(fā)生碰撞時不容易破裂。鋁合金鞍座，在滿足車輛載荷要求的情況下至少可以減輕40公斤鞍座重量，特別適用于運輸掛車、油罐車、大型冷藏車等。鋁合金制動鼓具有更好的導(dǎo)熱率和低密度，可以有效減少車輛制動過程中產(chǎn)生的摩擦受熱，在耐磨損性和耐疲勞性上也有很好表現(xiàn)，提高行駛安全。

鋁基復(fù)合材料密度低，比模量和比強(qiáng)度高，在重卡上有很好的應(yīng)用前景，但是目前階段由于生產(chǎn)工藝和價格制約，還沒有形成加大規(guī)模的市場發(fā)展。

2.2 鎂合金

鎂合金具有和鋁合金相似的特定，密度更低，重量更輕，在鋁合金減重的基礎(chǔ)上還可以再減重15%-20%。我國在不斷探索研究中突破了鎂合金鑄件在汽車上的應(yīng)用瓶頸，在汽缸蓋罩、轉(zhuǎn)向盤、變速器殼體、曲軸后端蓋等上研發(fā)成功，在電池殼箱上的應(yīng)用不僅減輕了自重，也可以極大避免車輛在行駛過程中消耗不必要的能量，提高車輛性能。但是鎂合金成本高、鑄造性差，后處理工藝復(fù)雜，限制了在重卡上的應(yīng)用發(fā)展，目前主要應(yīng)用在車輛非結(jié)構(gòu)件如儀表盤、座位框架、汽缸頭外殼等。

2.3 高強(qiáng)度鋼鐵材料

傳統(tǒng)重型卡車中鋼是主要應(yīng)用材料，在環(huán)保要求以及相關(guān)法律約束下，汽車生產(chǎn)商家必須進(jìn)行產(chǎn)品提檔升級。很多重型車企通過使用高強(qiáng)鋼，在不降低安全級別的前提下，減小板材厚度來達(dá)到輕量化目標(biāo)。目前高強(qiáng)度鋼材在重卡上應(yīng)用普遍，如高強(qiáng)度鋼質(zhì)車架、半掛車廂、后圍內(nèi)外板、后下橫梁等，增加了汽車彈性應(yīng)變區(qū)和構(gòu)件的變形抗力，提高了汽車能量吸收能力，在安全駕駛及車輛性能上實現(xiàn)突破。

2.4 復(fù)合材料應(yīng)用

復(fù)合材料有玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、玄武巖復(fù)合材料等，在車輛內(nèi)外飾、部件上具有很多應(yīng)用優(yōu)勢。玻璃纖維復(fù)合材料具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能，熱變形溫度高，耐腐蝕，制件不易變形且外觀質(zhì)量更佳，價格較低，在我國其主要應(yīng)用在汽車駕駛室、發(fā)動機(jī)內(nèi)部件、車身結(jié)構(gòu)與半結(jié)構(gòu)部件、車身表面覆蓋件等。

碳纖維復(fù)合材料具有密度低、強(qiáng)度高、耐高溫、抗沖擊、零部件一體化等特點，可設(shè)計性好，在我國主要應(yīng)用在剎車片、構(gòu)架、汽車傳動軸、板簧等構(gòu)件中，既減輕重量又環(huán)保節(jié)能。2012年我國首輛全碳纖維復(fù)合自卸車研制成功，標(biāo)志著碳纖維復(fù)合材料開始進(jìn)入重卡應(yīng)用。

玄武巖纖維復(fù)合材料是以純天然火山巖為原料，經(jīng)過高溫（1500℃上下）熔融再使用專用工具高速拉制形成，具有超高強(qiáng)度和彈性模量，是碳纖維的低價替代品。目前主要應(yīng)用在車輛內(nèi)飾部件、隔熱防火部件、隔音材料部件等，應(yīng)用前景廣闊。

2.5 其他輕量化材料

新型輕量化材料不斷出現(xiàn)，如陶瓷材料、橡膠材料、聚雙環(huán)戊二烯材料等。精細(xì)陶瓷材料可以應(yīng)用在汽車制動部件中；橡膠材料主要應(yīng)用在超寬輪胎和真空輪胎中，可以提高行駛穩(wěn)定性，避免吃胎現(xiàn)象；聚雙環(huán)戊二烯材料具有很好的耐腐蝕性、抗沖擊性，密度低，耐候性強(qiáng)，適合用在保險杠、擋泥板、儀表板、緩沖板等部件中，在重卡中也逐漸進(jìn)行推廣應(yīng)用。

3 總結(jié)

本文對重型卡車輕量化材料應(yīng)用進(jìn)行研究，探索汽車輕量化解決途徑。鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等輕量化材料優(yōu)勢明顯，在不同重卡部件應(yīng)用中可以發(fā)揮出各自獨有的性能，提高整體車輛的安全及經(jīng)濟(jì)效用，雖然目前還會受到成本、設(shè)計能力和加工工藝方面的制約，但隨著對新材料應(yīng)用的不斷探索，其在重型卡車上的應(yīng)用必將實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。