掛車支承橋輕量化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張同帥，陳秀生，呂國(guó)棟，李孟威，譚耀嘉，施非凡

（濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)民的生活質(zhì)量提高。物流業(yè)的發(fā)展也越來(lái)越迅速。物流業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)物流裝備的支撐，半掛車、廂式專用車在公路運(yùn)輸領(lǐng)域扮演了重要的角色[1]。物流行業(yè)的快速發(fā)展勢(shì)必拉動(dòng)物流裝備總體需求量同步上升。隨著物流的發(fā)展，對(duì)于掛車輕量化的要求也逐漸提高，掛車輕量化，可以減少自身廢氣排量、能源損耗，對(duì)掛車加速性能也會(huì)提高，并且能縮短貨物運(yùn)輸時(shí)間。根據(jù)掛車的車高和車軸數(shù)量，如果減輕掛車自身重量，在總重不變的情況下，可以多運(yùn)載貨物，對(duì)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)型有很好的提高。

1 支承橋的構(gòu)成

對(duì)于掛車車橋來(lái)說(shuō)按照動(dòng)力分為主動(dòng)橋與從動(dòng)橋，按照功能不同車橋可以分為轉(zhuǎn)向橋、驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋、支承橋，按照構(gòu)成不同分為整體式與斷開(kāi)式。

本研究掛車從動(dòng)車體車橋，按照功能屬于支承橋。支承橋顧名思義，既不承擔(dān)轉(zhuǎn)向功能、也不會(huì)向車輪傳遞動(dòng)力與扭矩。但是支承橋?qū)Π霋燔嚨倪\(yùn)輸起到重要的作用。11 m長(zhǎng)的半掛車車斗重6 t加上貨物重量，再以一個(gè)車軸限重10 t的交通要求，11 m長(zhǎng)的半掛車從動(dòng)車體的車軸為3個(gè)。根據(jù)這些信息，可以大約估算出，11 m半掛車負(fù)載到支承橋的重量大概是40 t。而11 m長(zhǎng)的半掛車總重大概是60多噸，支承橋承擔(dān)掛車總重的60%以上，由此可以看出，支承橋?qū)τ诎霋燔嚨闹匾浴?/p>

支承車橋根據(jù)制動(dòng)器的種類不同可分為鼓式車橋如圖1，盤式車橋如圖2兩種，無(wú)論鼓式車橋還是盤式車橋都可分為3個(gè)部分，支承橋主體橋殼、與橋殼相連的制動(dòng)器以及輪轂。

圖1 鼓式車橋?qū)嶓w圖

圖2 盤式車橋?qū)嶓w圖

2 國(guó)內(nèi)外支承車橋輕量化研究現(xiàn)狀

支承橋主要由3個(gè)部分組成：橋殼、制動(dòng)器及輪轂。而輕量化是設(shè)計(jì)、材料和先進(jìn)的加工成形技術(shù)的優(yōu)勢(shì)集成[2]。每個(gè)構(gòu)件的輕量化研究都是一個(gè)重要的課題

2.1 橋殼

支承橋橋殼總成是支撐橋承重的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)性能不僅關(guān)乎掛車從動(dòng)車體的可靠性和耐用性，還對(duì)掛車行進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生直接影響。在掛車滿載行駛情況下，支承橋橋殼長(zhǎng)期受到交變載荷的作用[3]。極易產(chǎn)生裂紋甚至是斷裂，橋殼輕量化的前提是必須滿足必要的強(qiáng)度與剛度要求。

國(guó)外對(duì)于橋殼的輕量化偏重于使用輕便材料來(lái)降低橋殼的重量，像是德納公司采用安塞樂(lè)米塔爾鋼鐵集團(tuán)研發(fā)的DP600、DP780高強(qiáng)度汽車鋼作為支撐橋橋殼材料。AAM公司則使用鋁合金作為橋殼材料，而歐洲的廠家為了降低橋殼的重量，選用碳纖維材料，像是BPW公司采用碳纖維材料的車橋，相比傳統(tǒng)的鋼制車橋，碳纖維車橋可以有效降低自重。除了BPW，早在2014年的漢諾威車展上，SAF也曾展示過(guò)碳纖維的車橋?？梢钥闯?，碳纖維車橋在國(guó)外車橋輕量化研究上也將是一大發(fā)展方向[4]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于橋殼輕量化偏重于結(jié)構(gòu)緊湊化設(shè)計(jì)，相比于美國(guó)AAM公司國(guó)內(nèi)車橋制造公司在鋁合金的應(yīng)用少之又少，大部分車橋制造公司在選擇橋殼材料上偏注于材料的強(qiáng)度和韌性。在結(jié)構(gòu)輕量化上，國(guó)內(nèi)公司為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，方便分析運(yùn)算結(jié)果。常規(guī)設(shè)計(jì)方法是把車橋簡(jiǎn)化為一根簡(jiǎn)支梁，通過(guò)計(jì)算幾個(gè)危險(xiǎn)截面來(lái)確定車橋強(qiáng)度是否符合標(biāo)準(zhǔn)[5]，在滿足車輛行駛要求下進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化上取得了多項(xiàng)成果，朱華宇等[6]采用殼單元離散形建立橋殼有限元模型通過(guò)強(qiáng)度分析找到橋殼最大偏移位移，用減薄實(shí)現(xiàn)橋殼輕量化。宋曉飛等[7]通過(guò)制動(dòng)、側(cè)滑、沖擊三種工況對(duì)橋殼進(jìn)行有限元分析并且對(duì)橋殼進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，進(jìn)一步減輕橋殼重量。

2.2 制動(dòng)器

制動(dòng)器是支撐橋的重要組成部分，制動(dòng)器分為盤式制動(dòng)器如圖3與鼓式制動(dòng)器如圖4。

2006年之前，國(guó)外半掛車采用鼓式制制動(dòng)器，在輕量化研究上，選用金屬基質(zhì)合成物（MMC）結(jié)合鋁和碳化硅為原材料制成的制動(dòng)鼓。這種材料結(jié)合使得MMC材料強(qiáng)度是鑄鐵四倍但是重量卻連其三分之一都不到[8]。2006年隨著美國(guó)新的剎車距離法規(guī)的頒布，盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器的組合應(yīng)用成為半掛車制動(dòng)器的首選。2019年歐洲制動(dòng)器專業(yè)展會(huì)（Euro-Brake）上，汽車零部件公司Floby推出SiCA light制動(dòng)盤。這是一種帶有碳化硅增強(qiáng)顆粒的鋁剎車盤[9]。更大程度上解決了，盤式制動(dòng)器減重后對(duì)壽命、剎車響應(yīng)時(shí)間的影響。

圖3 盤式制動(dòng)器三維圖

圖4 鼓式制動(dòng)器三維圖

2018之前國(guó)內(nèi)的半掛車采用鼓式制動(dòng)器，在輕量化的研究上，制動(dòng)鼓材料選用鋁合金，并且沖壓焊接的制動(dòng)蹄由雙銷結(jié)構(gòu)優(yōu)化為單銷結(jié)構(gòu)。隨著2018年年底在廣東梅州BPW召開(kāi)的掛車盤式制動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用研究交流會(huì)，結(jié)合交通部國(guó)標(biāo)7258政策。在2019年1月1日以后所有危險(xiǎn)品掛車將全部配置盤式制動(dòng)器，2020年1月1日以后普通欄板式三軸半掛車將強(qiáng)制使用盤式制動(dòng)器[10]。在盤式制動(dòng)器的輕量化研究上，對(duì)于部件工作環(huán)境的不同所選用的輕質(zhì)材料不同，對(duì)盤式制動(dòng)器的支架與鉗體選用鋁合金材料，對(duì)于剎車盤選用鋁、碳、硅為主要元素的復(fù)合材料，摩擦片選用樹(shù)脂基復(fù)合材料。既節(jié)約了成本，又在不影響制動(dòng)性能的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化。像是華逢志等[11]除了對(duì)盤式制動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，還對(duì)制動(dòng)器鉗體材料優(yōu)化，更換鉗體材料進(jìn)行有限元分析得出鉗體不同材料下的應(yīng)力云圖，材料優(yōu)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合。劉順楚等[12]對(duì)盤式制動(dòng)器各部件不同材料進(jìn)行強(qiáng)度校核，進(jìn)行多次優(yōu)化分析，最終得出盤式制動(dòng)器各部件輕質(zhì)材料。

2.3 輪轂

掛車輪轂是半掛車行駛的重要零部件之一，輪轂結(jié)構(gòu)包括輪輞與輪輻，輪轂起到支撐整個(gè)車輪結(jié)構(gòu)作用，在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，車輛、乘客、貨物產(chǎn)生的重量全部由輪轂來(lái)承受，在工作狀態(tài)下，受到路面不平激勵(lì)產(chǎn)生的徑向載荷，在加速狀態(tài)下同時(shí)受到發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞而來(lái)的扭矩，是承受載荷較多，工況較為復(fù)雜的零件。而且主要的失效方式就是疲勞受損。掛車輪轂5如圖所示。

圖5 掛車輪轂三維圖

美國(guó)美鋁公司在鋁合金車輪的制造工藝上，每個(gè)車輪都是從一塊實(shí)心、高強(qiáng)度抗腐蝕的鋁合金坯開(kāi)始，經(jīng)8000 t整體鍛造成型。之后的熱處理過(guò)程可使車輪整體機(jī)械強(qiáng)度最大化。鍛造過(guò)程可使鋁的晶粒結(jié)構(gòu)根據(jù)車輪形狀排列，使得車輪有難以匹敵的強(qiáng)度。并且每個(gè)鋁合金車輪減重可達(dá)57%，平均每?jī)蓲燔嚋p重可達(dá)300 kg，輕量化之后可提高有效載荷并改善駕駛舒適性[13]。鍛造而成的鋁合金材質(zhì)，強(qiáng)度超過(guò)鋼的4倍。在歐洲的一些卡車上，為了降低車輛的高度開(kāi)始使用315/45R22.5這樣的低扁平比的小尺寸輪胎[4]。使用這樣的小尺寸輪胎降低車身高度的同時(shí)也可以降低車輛自重，對(duì)于像快遞這樣貨物較輕的班半掛車完全適用[4]。M.Stuky等[14]研究了Al-Si7-Mg型合金的疲勞行為。P.F.Li[15]研究了鋁合金A356輪轂的疲勞問(wèn)題。

在中國(guó)，鋼輪轂一直是半掛車的主流配件，鋁合金輪轂由于售價(jià)高，一直未占據(jù)主流位置。與其他國(guó)家半掛車輪轂鋁化率相比，中國(guó)半掛車輪轂鋁化率非常低。尺寸優(yōu)化是我國(guó)輪轂輕量化研究的主要方向，相比于輪輞的輕量化，輪輻的尺寸優(yōu)化度較高。但像是浙江戴卡宏鑫有限公司、正興車輪集團(tuán)，在進(jìn)行輪轂尺寸輕量化研究的同時(shí)也開(kāi)始設(shè)計(jì)、研發(fā)鋁合金車輪。制造出更適合掛車用戶使用的產(chǎn)品。

3 發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)車橋企業(yè)對(duì)支承橋輕量化研究方向，總體趨于三個(gè)方面。

3.1 結(jié)構(gòu)輕量化

以前國(guó)內(nèi)車橋企業(yè)把結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為輕量化研究的主要方法，但并不是自主研發(fā)，而是先買回來(lái)產(chǎn)品，根據(jù)商品的尺寸重新建模，再通過(guò)ANYSY、Abaqus等分析軟件，進(jìn)行有限元分析，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)來(lái)變成自己的產(chǎn)品，而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化越來(lái)越重視，已經(jīng)逐步有自己的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，未來(lái)將不再依托國(guó)外企業(yè)，真正實(shí)現(xiàn)自己產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化。

3.2 材料輕量化

支承橋部件在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造時(shí)大部分以鋼、鑄鐵、灰鐵為主，對(duì)于輕質(zhì)合金材料的應(yīng)用正在逐年增加，對(duì)于輕質(zhì)材料的研究趨于成熟，將逐步通過(guò)材料的替換實(shí)現(xiàn)車橋的輕量化。

3.3 加工輕量化

支承橋的加工工藝也可以實(shí)現(xiàn)輕量化，如激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的鑄造工藝，激光焊接工藝可以減少零件之間的連接件減輕車橋整體質(zhì)量，內(nèi)高壓成型技術(shù)取代傳統(tǒng)的拼接焊鐵技術(shù)，熱加工處理增強(qiáng)部件的剛度。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的政策的下發(fā)，汽車尾氣排放量控制成為當(dāng)下的熱點(diǎn)話題，輕量化研究顯得更加迫切。目前我國(guó)輕量化研究相對(duì)于國(guó)外還不夠成熟，但是我國(guó)未來(lái)在輕量化研究上還有很大的升值空間，這就需要企業(yè)、高校的科技人員結(jié)合理論與實(shí)踐，不斷研發(fā)才能推動(dòng)輕量化這一課題的發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)國(guó)。