輕量化技術(shù)在客車行駛系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

史先松

(安徽安凱汽車股份有限公司，合肥 230051)

輕量化的優(yōu)勢是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性及燃油經(jīng)濟(jì)性。同時，可在一定程度上提升車輛的操縱穩(wěn)定性及行駛安全性[1-2]。本文從材料、結(jié)構(gòu)兩方面闡述輕量化技術(shù)在客車行駛系統(tǒng)中的應(yīng)用及效果。

1 新材料的應(yīng)用

1.1 蠕墨鑄鐵的應(yīng)用

蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度σs≥300 MPa，硬度HB為150～250。

蠕墨鑄鐵多用于高鐵、高性能跑車及豪華轎車的部件上，且在發(fā)動機(jī)缸蓋及缸體的應(yīng)用較多。其具有重量輕、熱變形小、耐磨性好等優(yōu)點[3-4]；缺點是產(chǎn)品合格率較低，需要嚴(yán)格控制固化劑的加入量，合理搭配生鐵和蠕化工藝。相較于傳統(tǒng)客車制動盤采用的灰口鑄鐵，蠕墨鑄鐵客車制動盤(如圖1所示)重量更輕。僅從材料方面，可減重約10%，以單個制動盤重35 kg為例，整車制動盤可減重共約14 kg。同時，蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能更好，熱疲勞性能更優(yōu)，安全性能更高。目前，制動盤采用蠕墨鑄鐵材質(zhì)的車橋采購價格與采用灰口鑄鐵基本持平，采用蠕墨鑄鐵的制動盤產(chǎn)品合格率可控制在88%以上。

圖1 蠕墨鑄鐵制動盤

1.2 A356鋁合金材料的應(yīng)用

相較于傳統(tǒng)材料，鋁合金材質(zhì)具有以下優(yōu)勢：

1) 散熱好。鋁合金的傳熱系數(shù)比鋼材大3倍，具有更好的散熱性能，行車安全性更高。

2) 重量輕。鋁合金材料比重小于傳統(tǒng)鋼材質(zhì)，可減少起步和加速時的阻力，兩者共同作用使車輛更加省油。

3) 精度高。鋁合金輪圈鑄造的精密程度遠(yuǎn)高于鋼制輪圈，失圓度及不平衡重較??；另外，鋁合金的彈性模數(shù)小，抗振性能優(yōu)于鋼制輪圈，從而能有效減小汽車振動，駕乘更為舒適。

缺點是原材料成本相對較高。

鋁合金常用于汽車輪轂、輪輞的制造[1]，其中傳統(tǒng)QT450-10輪轂/A356-T6鋁合金輪轂力學(xué)性能對比見表1[5-7]。

表1 傳統(tǒng)QT450-10輪轂/A356-T6鋁合金輪轂力學(xué)性能對比

相較于傳統(tǒng)客車輪轂采用的鑄鐵材質(zhì)，采用A356-T6鋁合金材質(zhì)的客車輪轂，如圖2所示，僅從材料方面可減重約38%。以某12 m城市客車13 t后驅(qū)動橋為例，可減重約28 kg。同時，由于其散熱性能更優(yōu)，車輛運行期間輪轂的溫度更低，安全性能更高，且可增加油封及潤滑脂的使用壽命。采用鋁合金輪轂的后橋，車橋總成本增加約7.5%。

圖2 A356-T6輪轂

1.3 玻纖復(fù)合材料的應(yīng)用

玻纖復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)小、抗老化、耐腐蝕、疲勞壽命長、可一體化設(shè)計制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)、減少零部件數(shù)目等優(yōu)點；缺點是材料成本較高。采用樹脂傳遞模塑成型(簡稱RTM)制造技術(shù)的玻纖復(fù)合材料在汽車行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。RTM玻纖復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)鋼材、鋁合金、RTM碳纖復(fù)合材料優(yōu)勢明顯[8-10]，其性能見表2。

表2 材料性能對比表

采用RTM制造技術(shù)的玻纖復(fù)合材料板簧，比傳統(tǒng)采用鋼材的變截面少片簧減重60%～ 70%，以一12 m客車前懸架為例，可實現(xiàn)減重約98 kg；相較于傳統(tǒng)板簧多片的結(jié)構(gòu)，其采用一體化單葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減振、降噪、舒適性較鋼板彈簧明顯提升，成本是傳統(tǒng)少片簧的3倍，但疲勞壽命可提升3～5倍，車輛全生命周期內(nèi)用戶使用維護(hù)成本更低；玻纖板簧剛度的減小幅度比質(zhì)量減輕幅度更大，因而懸架偏頻更低，減振效果更接近于空氣懸架，而成本僅為空氣懸架的25%～50%。

2 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用

2.1 輕量化制動器設(shè)計

1) 制動盤結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。盤面采用通孔設(shè)計；制動盤風(fēng)道兩側(cè)采用大R圓弧設(shè)計。如圖3所示。

圖3 輕量化制動盤

相較于傳統(tǒng)客車實心制動盤，可有效降低制動盤重量約10%。以某城市客車22.5″制動盤為例，單個傳統(tǒng)制動盤重35 kg，整車4個制動盤共可減重約14 kg。同時，盤體多孔結(jié)構(gòu)增加氣體流動，提高了制動盤熱量的疏散性能，使盤面溫度不致過高且溫度分布均勻。車輛連續(xù)制動時，其盤體平均溫度下降約10%～15%，降低了盤面的熱變形，制動盤的磨損壽命及制動性能也大大提高，制動距離可縮短20%以上。采用輕量化制動盤的車橋總成本不變。

2)輕量化制動鉗設(shè)計。基于三維建模及CAE分析技術(shù)完成的制動鉗的輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要是針對鉗體進(jìn)行受力分析并進(jìn)行輕量化設(shè)計，可實現(xiàn)鉗體減重12.4%，單個鉗體減重約4.5 kg，整車減重約18 kg。同時，通過應(yīng)力分析，進(jìn)一步優(yōu)化部件的應(yīng)力分布，減小在一定制動氣壓下鉗體的形變位移量，提高鉗體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞壽命。采用輕量化制動鉗的車橋總成本不變。

2.2 輕量化輪輞設(shè)計

輪輞輕量化是對傳統(tǒng)輪輞結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，對風(fēng)孔、螺栓孔、輻板及輪輞進(jìn)行應(yīng)力對比分析后的輕量化設(shè)計。采用輻板厚度減薄、風(fēng)孔處凸臺加厚結(jié)構(gòu)(如圖4(b)所示)及最新的碾鍛、旋壓技術(shù)，在剛性、疲勞強(qiáng)度提高30%的同時，重量減輕約16%。以一12 m城市客車8.25×22.5規(guī)格輪輞為例，單車可減重約43 kg，成本增加約10%～13%。輪輞結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(a) 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)

2.3 空心穩(wěn)定桿設(shè)計

空心穩(wěn)定桿多數(shù)使用35CrMo、42CrMo、50CrVA等彈簧鋼，與實心穩(wěn)定桿材質(zhì)相同。相較于實心穩(wěn)定桿，采用空心結(jié)構(gòu)可降重約35%～50%，加工成本和原材料成本降低約10%[11-13]。

以一12 m城市客車為例，空心穩(wěn)定桿的應(yīng)用可實現(xiàn)前穩(wěn)定桿減重6.83 kg，后穩(wěn)定桿減重9.98 kg，共減重16.81 kg。

3 結(jié)束語

客車輕量化設(shè)計已成為整車開發(fā)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。本文所介紹的客車行駛系統(tǒng)輕量化設(shè)計技術(shù)可實現(xiàn)某12 m城市電動客車減重231.81 kg,從而顯著提升電動客車的加速及爬坡能力，并延長其續(xù)駛里程，同時也在一定程度上提高了車輛行駛安全性能。