淺析牽引車輕量化舉措

易 彪

淺析牽引車輕量化舉措

易 彪

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 305870）

隨著國內(nèi)法規(guī)的越加嚴格和完善，法規(guī)限值6×4牽引車列車總重49 000 kg，三軸半掛車最大允許總質(zhì)量限值為40 000 kg，牽引車自重為列車總重減去半掛車總重及乘員體重后約為8 800 kg。所有通過降低整車自重，才可滿足半掛車最大40 000 kg的限值。文章針對某6×4牽引車輕量化問題，從底盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化，輕量化材料應(yīng)用及輕量化配置應(yīng)用三個方面進行可行性分析。通過計算機輔助工程（CAE）分析和試驗驗證保證設(shè)計方案合理有效。研究表明，通過合理的輕量化設(shè)計，可以達成牽引車自重小于8 800 kg目標。

牽引車；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；輕量化材料；輕量化配置

在國外，歐美重卡整車高大威猛，配置豐富，如：奔馳、曼、沃爾沃等，其整車質(zhì)量普遍較重，以奔馳為例，奔馳重卡駕駛室質(zhì)量達到1 500 kg，比國內(nèi)重卡重200 kg以上。按同類底盤結(jié)構(gòu)及驅(qū)動形式估算，其質(zhì)量高于國內(nèi)重卡。

目前，國內(nèi)重卡紛紛對比國外卡車推出高端牽引車，整車質(zhì)量總體有增加的趨勢，本文基于國內(nèi)市場對輕量化產(chǎn)品的需求，開展牽引車整車輕量化研究。

1 背景

近年來，隨著全球能源危機日趨嚴重，節(jié)能、安全、環(huán)保等問題越來越受到各國的關(guān)注。同時《中國制造2025》中的“節(jié)能及新能源車”技術(shù)路線圖中規(guī)定未來5～10年內(nèi)將實現(xiàn)平均整車降重5%～10%，對各車企提出極大挑戰(zhàn)。在新版 GB 1589實施后，國家對于車輛超限運輸?shù)墓芾韯荼貢訃栏瘢脩粼谫徿嚨臅r候?qū)囕v的自重會更加“斤斤計較”，如何進一步降低車輛的自重，將是車企未來的工作重點。

2 輕量化設(shè)計思路

對整車輕量化進行可行性分析[1]、目標設(shè)定、方案設(shè)計及優(yōu)化、計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析校核、車輛試制、產(chǎn)品驗證，最后得出研究成果總結(jié)，設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 輕量化設(shè)計思路

3 目標設(shè)定

文中研究對象為6×4牽引車，整車自重9 200 kg。需求整車自重≤8 800 kg（降重≥400 kg）。識別基礎(chǔ)車型可優(yōu)化部件參數(shù)如表1所示。

表1 基礎(chǔ)車型可優(yōu)化部件

序號部件參數(shù)備注 1車架/mm280×80×8橫梁非輕量化 2后懸架4片簧內(nèi)聯(lián)式平衡懸架 3傳動軸/mmΦ140×5 4輪胎總成12R22.5 18PR普通鋼輪輞 5前橋總成6.5T 盤式 6中后橋166 鼓式

4 方案設(shè)計及優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)輕量化

車架第二橫梁、第三橫梁間距約700 mm，考慮整合的情況下，將第二橫梁采用背靠背雙橫梁結(jié)構(gòu)，同時取消第三橫梁，如圖2所示。單臺實現(xiàn)降重65?41=24 kg。車架后橫梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用一體沖壓式[2]，如圖3所示。單臺實現(xiàn)降重4 kg。

圖2 車架第二、第三橫梁優(yōu)化

圖3 車架尾梁優(yōu)化

基于標桿和競品分析，確定懸架采用外聯(lián)式斷開平衡軸設(shè)計方案[3]，如圖4所示，考慮現(xiàn)有生產(chǎn)工藝，為實現(xiàn)鋼板彈簧的組合件上線，對標解放、東風(fēng)結(jié)構(gòu)開發(fā)。應(yīng)用外聯(lián)式平衡懸架相比內(nèi)聯(lián)式平衡懸架降重50 kg，外聯(lián)式平衡懸架相比內(nèi)聯(lián)式平衡懸架更容易裝配。

圖4 懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)強度計算，傳動軸規(guī)格可以由140 mm× 5 mm改為130 mm×5 mm，每米軸管降低質(zhì)量19.5?15=4.5 kg，同時優(yōu)化十字軸，單臺車傳動軸總成可以實現(xiàn)降重18 kg，傳動軸參數(shù)如表2所示，傳動軸校核參數(shù)如表3所示。

表2 傳動軸參數(shù)

軸管規(guī)格/mm額定扭矩/(Nm)靜扭屈服/(Nm)十字軸規(guī)格/mm Φ130×522 00042 000Φ65×160

表3 傳動軸校核參數(shù)

項目數(shù)值備注 發(fā)動機最大扭矩Me max/(Nm)2 100發(fā)動機最大扭矩 變速箱一擋速比Ik max13.8變速箱 驅(qū)動橋主減速比I03.364配440后橋時 驅(qū)動橋載荷G/kg18 000滿載25 000 輪胎滾動半徑rk/mm0.51612R22.5 地面附著系數(shù)Ψ0.8

按最大地面附著力計算：工作扭矩Tmax=× 9.8×k×/0=21 646 Nm。根據(jù)工作扭矩選擇，小于傳動軸額定扭矩即可，因此，應(yīng)用130 mm×5 mm傳動軸滿足使用要求。

4.2 材料輕量化

采用12R22.5常規(guī)鋼制輪輞基礎(chǔ)上采用鋁合金輪輞[4]、單個車輪質(zhì)量降低約20 kg，整車降重220 kg，輪輞參數(shù)如表4所示。

表4 輪輞參數(shù)

性能普通鋼輪輞鋁合金輪輞 材料輪輞380CL/輪輻380CL6061鋁合金 輪輞抗拉強度/MPa≥380≥450 輪輞屈服強度/MPa≥235≥260 輪輻抗拉強度/MPa≥380≥450 輪輻屈服強度/MPa≥235≥260 質(zhì)量/kg49.527

4.3 輕量化配置應(yīng)用

前橋改為應(yīng)用輕量化前橋，后橋由166橋改為440橋，如表5所示。

表5 輕量化配置

降重項目降重措施降重成果/kg 前橋應(yīng)用輕量化前橋-25 中后橋166中后橋改為440輕量化中后橋-129

車型降重后與基礎(chǔ)車型質(zhì)量對比如表6所示。通過主體技術(shù)方案分析，整車質(zhì)量可達成預(yù)定目標，整車自重≤8 800 kg。

表6 質(zhì)量對比

類別部件基礎(chǔ)車型輕量化車型質(zhì)量降低/kg 結(jié)構(gòu)輕量化車架車架橫梁輕量化設(shè)計-28 懸架內(nèi)聯(lián)式平衡懸架外聯(lián)式平衡懸架-50 傳動軸/mmΦ140×5Φ130×5-18 材料輕量化車輪總成普通鋼制輪輞鋁合金輪輞-220 輕量化配置應(yīng)用前橋盤式輕量化盤式-25 中后橋166中后橋440中后橋-129 合計-470 輕量化車型整車自重/kg8 730

5 CAE分析

車架總成扭轉(zhuǎn)工況分析[5]，如圖5所示。兩者加載力，約束條件一樣，左后輪懸空，車架整體受力變化不大，優(yōu)化后狀態(tài)應(yīng)力增加2%。車架總成彎曲工況分析，如圖6所示。兩者加載力，約束條件一樣，車架整體受力變化不大，優(yōu)化后狀態(tài)應(yīng)力增加3%。車架尾梁改為一體式尾梁分析，如圖7所示。車架縱梁和橫梁強度都有所提升，安全系數(shù)提升較大。

圖6 彎曲工況車架總成強度對比

6 試制及試驗

開展整車試制稱重，實車重8 760 kg，除去稱重誤差影響，基本能達成設(shè)定目標。對零部件開展工程樣件（Off Tooling Sample, OTS）認證，整車開展8 000 km強化路測試[6]，均無輕量化相關(guān)問題反饋。

7 總結(jié)

本文通過某6×4牽引車輕量化設(shè)計，按照輕量化可行性分析、CAE分析、試制驗證和試驗驗證的設(shè)計思路，達成了整車自重8 800 kg的目標。同時為其他車型輕量化開發(fā)提供了較好的設(shè)計思路。

在承載系統(tǒng)的設(shè)計上，通過CAE的分析，可以節(jié)省輕量化設(shè)計開發(fā)周期及成本。由于鋁合金質(zhì)量輕、力學(xué)性能好的特性，鋁合金材料在未來汽車輕量化設(shè)計中應(yīng)用更加廣泛。

[1] 桑璟如,趙晶,付堯.載貨車輕量化設(shè)計思路[J].重型汽車,2022(4):20-21.

[2] 杜娟,遲明君,張廷虎,等.基于ANSYS的車架橫梁結(jié)構(gòu)改進設(shè)計[J].汽車零部件,2012(4):66-68.

[3] 鄒興輝,李海波.一種外聯(lián)式斷開平衡懸架的開發(fā)及應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù),2022,47(8):53-59.

[4] 武絡(luò),周擁軍,李云飛,等.重卡輕量化鋁合金輪輞連接盤鍛造工藝研究與應(yīng)用[J].鍛造與沖壓,2020(7): 48-50.

[5] 廉蓉,葉軍,鄭志強.某商用車車架總成零部件失效故障分析[J].汽車實用技術(shù),2020,45(17):61-63.

[6] 門玉琢,于海濤,于海波.重型車輛轉(zhuǎn)向節(jié)臂強化路耐久性斷裂試驗[J].振動.測試與診斷,2018,38(5):997- 1002,1083.

Simple Analysis on the Measures of Semi Trailer Tractor Lightweight

YI Biao

( Anhui Jianghuai Automobile Company Limited, Hefei 305870, China )

With the increasingly strict and perfect domestic regulations, the regulatory limit is 6×4, the total weight of the tractor train is 49000 kg, the maximum allowable total mass limit of the three axle semi-trailer is 40000 kg, and the dead weight of the tractor is about 8800 kg after subtracting the total weight of the semi-trailer and the weight of the passengers. The maximum limit of 40000 kg for semi-trailer can only be met by reducing the dead weight of the whole vehicle. The text is aimed at a 6×4. The feasibility analysis of semi trailer tractor lightweight is carried out from three aspects:chassis structure optimization,lightweight material application and lightweight configuration application. The CAE analysis and test verification ensure that the design scheme is reasonable and effective. The research shows that the target of semi trailer tractor deadweight≤8800 kg can be achieve through reasonable lightweight design.

Semi trailer tractor; Structural optimization; Lightweight materials; Lightweight configuration

U461.99

A

1671-7988(2023)10-70-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.014

易彪（1990—），男，工程師，研究方向為整車集成，E-mail:1107123273@qq.com。