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

隨著我國對節能環保要求的日益嚴格以及國家能源發展戰略的需要，汽車輕量化越來越成為緩解能源壓力和改善環境、降低霧霾的重要手段，綠色貨運已經成為公路運輸行業的發展趨勢[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的交通工具。從各國的經驗看，實現貨運車輛節能減排的措施主要有4種：改進發動機燃油效率、替代燃料和開發新能源車輛開發應用、輕量化、甩掛運輸[]。輕量化作為傳統汽車、替代燃料汽車和新能源汽車共有的關鍵基礎技術已經引起了世界各國和知名跨國企業的高度重視。汽車輕量化是一個系統工程，涉及到產品設計、材料、裝備和工藝、售后維修、回收再利用等多方面[3]，結構優化和材料優化無疑是其中最重要的內容，本文將主要探討應用鈮微合金化技術方案來實現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量最大的部件，在減輕半掛車總質量方面具有很大潛力。以往的車架，由于材料性能和設計方法的限制，為了達到使用所需的強度在結構上有很多不合理的設計，這也直接導致了整車質量的增大。而隨著技術的進步，新型高強度鋼材的研究不斷發展，有限元仿真分析和先進優化設計方法的廣泛應用，以及新型制造工藝的推動，為車廂、車架結構的輕量化開發提供了基礎。

依據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和掛車企業較為關注的工況，故本研究主要從上述三個工況進行探討。CAE分析軟件采用參數優化軟件 ISIGHT和HYPERWORK軟件。對于均為空心方管或工字梁結構的車架結構，由于這些結構的特點是壁厚尺寸遠小于它們的長、寬尺寸，因此屬于薄壁結構范疇。在有限元方法理論中，殼單元是解決薄壁結構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軸旋轉的自由度。考慮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，將轎車模型的質心坐標后，在質心處添加質點作為載荷，耦合在車架相應的位置上，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量，故緊急制動工況下所產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。根據相關文獻，加速度值取為0.6g。根據分析，選擇最大應力和最大變形不敏感的構件進行材料減薄處理，并在最大應力和最大變形較敏感的構件進行材料加厚處理，或者設計加強梁等對敏感部位進行幾何結構優化。最后根據基于輕量化結構優化的三個工況的CAE分析結果，如最大應力分布結果等，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構強度和剛度的影響，再次優化掛車結構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，其降低整備質量，可以提高整車的平順性、降低物流企業的燃油消耗并減少高速公路過路費，因而物流企業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構加固。中平臺和后平臺也同樣進行減薄處理。另外經過拓撲優化重新設計，如由于中平臺的載荷形式比較簡單，整體結構對稱性強，可將原來中平臺的結構改為新的X型結構。在減薄的同時，并部分結構進行加厚處理，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，最大應力部分結果見表1。

表1 三個典型工況CAE的最大應力結果

從表1的分析結果看，原始轎車運輸車的最大應力不超過280MPa，在考慮誤差的前提下并采用1.2的安全系數，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作為應用材料，但事實上明顯安全系數略低；而對于輕量化優化后的轎車運輸車，其最大應力在360MPa左右，由于應用輕量化方面導致結構件厚度減薄，為了保證結構強度，應該進一步提高安全系數，如采用1.5的安全系數，在考慮誤差的前提下，輕量化轎車運輸車應選擇屈服強度超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。彎曲工況下應力變化比較明顯，彎曲工況應力從90MPa增加到210MPa，橫梁上最大變形約為從未腐蝕狀態的 20.9mm變為腐蝕后 21.4mm。緊急制動工況，橫梁上最大的應力從未腐蝕狀態的159MPa增加到腐蝕后 242MPa，其中緊急制動工況下橫梁的最大應力已經接近整個車架的最大應力（約250MPa），可以算作次危險點。從以上計算結果可以看出，在彎曲和緊急制動工況下，銹蝕前后底部橫梁上的最大應力有較明顯變化應酌情考慮是否進行結構加強或者應用更高強度的材料。故從耐腐蝕的角度看，局部減薄需進行控制，另外結構強度應進一步提高，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，項目組開發及優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

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，應用新開發的抗拉強度為750MPa的AG750及重新優化的抗拉強度為700MPa的AG700兩種材料，根據優化分析結果進行相應的減薄以及局部加強，可減重1.47噸，滿足使用要求。從優化設計后半掛車應力、位移增加量以及所使用材料強度的提高量來看，本設計是可行的，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的收益。

表6 輕量化前后的效果

3、經濟性的初步分析

對于輕量化轎車運輸車而言，根據實踐發現，車輛公路運輸每減輕自重100kg，可節約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，將有望年節省成本5000多萬元，節約柴油712.8萬L，每年減排二氧化碳1.91萬 t，產生十分可觀的社會效益和經濟效益。當然具體的經濟性收益還要進行燃油經濟性對比測試。對于輕量化谷物運輸車來說，經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，每年將大量的燃油以及減少二氧化碳。如施行若干年后，整個行業的車輛均更新完成，則節能減排的效益更加十分巨大。

4、結論

通過輕量化結構優化設計、高強度鋼的開發和應用研究，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已成熟，鋼材性能穩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和投入使用可以促進技術進步、提高運輸效率、節約能耗、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用[J].新材料產業,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計[J].汽車技術, 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).