專用車產(chǎn)品輕量化的實(shí)施途徑

王瑞斌

(天津星馬汽車有限公司 天津 300457)

0 引 言

自 1956年中國第一臺(tái)載重汽車誕生以來，重型汽車經(jīng)歷 60多年的不斷發(fā)展，貨車研發(fā)技術(shù)水平不斷提高，汽車貨運(yùn)已經(jīng)成為我國最重要的貨運(yùn)方式之一。依托其機(jī)動(dòng)性高、中轉(zhuǎn)快及能送達(dá)其他運(yùn)輸工具不能送到的地方的特點(diǎn)，汽車貨運(yùn)占整體貨運(yùn)的比重越來越高。在整個(gè)貨運(yùn)車輛體系中，專用車占 1/3以上。隨著我國貨運(yùn)的高速、高效、專業(yè)化發(fā)展，專用車承擔(dān)專門的運(yùn)輸或作業(yè)任務(wù)，其保有量及專用化率仍逐年遞增，但帶來的安全、環(huán)保、能源問題卻日益嚴(yán)重。專用列車的總質(zhì)量最高可達(dá)49,000,kg，是乘用車的20多倍，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為10～12,L，是乘用車的6～8倍。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，專用汽車質(zhì)量每減少 50,kg，每升燃油行駛的距離可增加 2,km；汽車重量每減輕1%,，燃油消耗下降 0.6%,～1%,[1]。專用汽車產(chǎn)品的輕量化，是解決專用車發(fā)展帶來的各項(xiàng)問題的有效手段。汽車的輕量化設(shè)計(jì)在以載客為主的轎車設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)較為普及，有些企業(yè)還成立了專門的輕量化部門，但是在以貨運(yùn)為主的專用車領(lǐng)域輕量化設(shè)計(jì)理念還尚未普及，專用車產(chǎn)品的輕量化還處于初級(jí)階段。

專用車產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)，主要是通過選用新結(jié)構(gòu)、新材料及新工藝，在保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度提高或不變的情況下，用輕型材料替代重型材料或減少材料的使用，達(dá)到降低整車的整備質(zhì)量，提高專用車的行駛穩(wěn)定性及行駛速度，提高專用車的載質(zhì)量利用系數(shù)[2]，降低空載工況下的整車油耗等。

1 選用輕量化結(jié)構(gòu)

1.1 副車架結(jié)構(gòu)的輕量化方法

在專用汽車設(shè)計(jì)時(shí)，為了改善主車架的承載情況，避免集中載荷，同時(shí)也為了不破壞主車架的結(jié)構(gòu)，一般多采用副車架(副梁)過渡[3]。副車架作為專用車的支撐部分，其重量約占專用車上裝部分總重量的1/3，副車架通常采用C型槽鋼、工字型鋼、矩形型鋼，采用焊接、鉚接、螺栓連接的方式構(gòu)成組件。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及 CAE技術(shù)的日益成熟，有限元、邊界元等仿真分析手段已在轎車上得到廣泛應(yīng)用。拓?fù)浞治觥⒍喙r分析、多目標(biāo)分析等優(yōu)化方法，可以在價(jià)值工程的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化?；?Workbench軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，在保證強(qiáng)度以及剛度的前提下，工字鋼的質(zhì)量可大幅降低，約占優(yōu)化前工字鋼質(zhì)量的 13.3%[4]。按此比例進(jìn)行優(yōu)化，僅副車架結(jié)構(gòu)的輕量化一項(xiàng)即可減重4.4%左右。

1.2 專用功能部分結(jié)構(gòu)的輕量化方法

除專用車副車架外，專用車都配備有專用裝置實(shí)現(xiàn)專門的運(yùn)輸及作業(yè)任務(wù)。其重量約占專用車上裝部分的 2/3，因?qū)Ｓ醚b置的用途不同，結(jié)構(gòu)差異巨大，故不可一概而論地給出通用的結(jié)構(gòu)輕量化方法。筆者根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)歸納為如下3種方法。

1.2.1 移除中性層材料

專用裝置的支撐結(jié)構(gòu)為滿足專用裝置安裝尺寸的需求，設(shè)計(jì)截面的尺寸遠(yuǎn)大于承載所需截面，減免的應(yīng)力和應(yīng)變承載能力遠(yuǎn)大于實(shí)際承載值，可以采用開圓孔、橢圓孔、多邊形孔的方法移除材料，降低重量。在減重過程中，應(yīng)合理測(cè)算尖角處應(yīng)力集中的極限值，避免因開減重孔導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效。

1.2.2 合理利用工字型結(jié)構(gòu)

工字型結(jié)構(gòu)與 C型結(jié)構(gòu)、矩形結(jié)構(gòu)相比，其斷面力學(xué)經(jīng)濟(jì)性能最為優(yōu)良。等截面積的情況下，強(qiáng)度和剛度都遠(yuǎn)優(yōu)于C型、矩形結(jié)構(gòu)。合理地采用工字型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以降低專用車產(chǎn)品重量。

1.2.3 變截面設(shè)計(jì)

基于專用裝置的受力情況，運(yùn)用理論力學(xué)、材料力學(xué)及 CAE計(jì)算機(jī)輔助等手段，將承載截面按受力方式進(jìn)行合理分配，采用不同厚度的板材拼焊或在承載較高的截面貼焊板材以增加截面面積的方法進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

2 選用輕量化材料

主要有兩種途徑：一種是通過先進(jìn)的冶煉工藝，提升材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的高強(qiáng)材料，通過采用高強(qiáng)的薄板代替?zhèn)鹘y(tǒng)厚板，實(shí)現(xiàn)專用汽車的輕量化；另一種是通過選用低密度的材料，在保證零件整體強(qiáng)度不減弱的情況下，降低體積與密度的乘積，實(shí)現(xiàn)專用汽車的輕量化。

2.1 高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用

汽車用鋼在我國鋼材使用中占有較高比重，隨著汽車輕量化的市場(chǎng)需求增大，各汽車制造廠商紛紛與鋼廠合作開發(fā)汽車用高強(qiáng)度材料。專用車產(chǎn)品主要由各種型鋼的焊接件組成，其鋼材組件的重量占據(jù)整車的70%,以上。以首鋼為例，截至目前已開發(fā)出3大系列 27個(gè)牌號(hào)，既車輪用鋼、汽車大梁用鋼、工程機(jī)械用鋼。傳統(tǒng)材料 Q235的屈服強(qiáng)度為 235,MPa左右，首鋼開發(fā)的 S980MC材料屈服強(qiáng)度高達(dá)980,MPa。如不考慮設(shè)計(jì)剛度、使用溫度、焊接等工藝條件實(shí)施的限制，高強(qiáng)鋼的材料替代就可以減重3/4。專用半掛車大梁采用700,L替代原有的Q345材料，僅這一處替代整車質(zhì)量可降低 300,kg，且安全系數(shù)更高。高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用被認(rèn)為是最有效、最直接的輕量化方式。

2.2 鋁鎂合金材料的應(yīng)用

鋁鎂合金的密度約為鋼材的 1/3，在滿足相同強(qiáng)度的情況下，鋁鎂合金的替代品可以比傳統(tǒng)材料減重56%,。鋁鎂合金與傳統(tǒng)鋼材相比具有可回收、耐腐蝕、免噴涂、剛度高及成型易等多種優(yōu)點(diǎn)，但其輕量化的推廣應(yīng)用，受其價(jià)格高、短期性價(jià)比較低等因素限制。隨著我國鋁鎂合金產(chǎn)品冶煉技術(shù)、循環(huán)利用技術(shù)的不斷提高，一定可以廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)品上。目前鋁鎂合金產(chǎn)品在專用汽車輕量化產(chǎn)品的推廣應(yīng)用方面，應(yīng)以可選配的零部件或通用件為主，如鋁合金工具箱、防護(hù)欄、走道平臺(tái)、后防護(hù)及車輪等。

2.3 復(fù)合型材料的應(yīng)用

新型符合材料主要以高分子材料為主，像玻璃纖維、碳纖維、聚氨酯、ABS及 PP等。其具有密度低、屈服強(qiáng)度好、抗腐蝕性強(qiáng)、成型易、美觀等優(yōu)勢(shì)，同增材技術(shù)相配合，可以制作鳥巢式、鏤空式等高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)。部分材料還具有極好的絕緣、絕熱性能，廣泛應(yīng)用于冷藏車、防彈車等專用車產(chǎn)品上。

3 選用輕量化工藝

3.1 焊接件、鍛造件代替鑄造件

影響鑄件缺陷的工藝因素眾多，且控制難度較大，其工藝可靠性系數(shù)低于焊接件和鍛造件。在產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)上，為避免鑄造件工藝可靠性低的情況，通常都采取更大的安全系數(shù)，采用增加壁厚的方式保證產(chǎn)品質(zhì)量，增加壁厚的同時(shí)零件的重量也隨之上升。

3.2 采用液壓成型工藝

隨著鈑金液壓成型工藝的發(fā)展，將鈑金采用內(nèi)部、外部施壓，采用冷加工的方式，利用金屬材料的延展性，一次性將筋、肋結(jié)構(gòu)加工成型。液壓成型技術(shù)與傳統(tǒng)焊接工藝相比，具有冷加工、低應(yīng)力、成型快、工藝可靠性高的特點(diǎn)。采用液壓成型技術(shù)，可以適當(dāng)降低設(shè)計(jì)安全系數(shù)，達(dá)到輕量化的目的。

3.3 優(yōu)化焊接工藝及拼焊形式

CO2氣體保護(hù)焊是利用二氧化碳(CO2)做保護(hù)氣體的熔化極氣體保護(hù)電弧焊；埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法[5]。埋弧焊與 CO2氣體保護(hù)焊相比具有焊縫質(zhì)量高、焊縫強(qiáng)度高的特點(diǎn)。在無焊縫探傷的情況下，采用埋弧焊可以直接有效地提高焊接接頭系數(shù)，提高專用車結(jié)構(gòu)的焊接強(qiáng)度，降低板材厚度，實(shí)現(xiàn)專用車產(chǎn)品的輕量化。

影響焊縫強(qiáng)度的另一個(gè)主要因素是拼焊形式。專用車產(chǎn)品在工藝實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于板材限制，常采用拼焊的方式進(jìn)行加工，現(xiàn)階段通常采用直線型、折線型進(jìn)行拼焊。有研究表明：直線焊縫拼焊板沖壓時(shí)具有較高的極限成形高度，但焊縫移動(dòng)量也很大；折線焊縫拼焊板在焊縫折點(diǎn)處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致板料破裂。相比較而言，圓弧焊縫具有較好的成形性能[6]。焊縫強(qiáng)度的加強(qiáng)可以提高工藝的可靠性，利于實(shí)現(xiàn)專用車產(chǎn)品的輕量化。

3.4 優(yōu)化焊接工藝檢驗(yàn)手段

專用汽車的上裝部分主要采用焊接工藝進(jìn)行連接，由筒體壁厚計(jì)算公式[7]可知，計(jì)算厚度與接頭系數(shù)成反比，其中焊接接頭系數(shù)的選取，全部無損檢驗(yàn)比局部無損檢驗(yàn)高 0.1～0.15，局部無損檢驗(yàn)比不做無損檢驗(yàn)高 0.2～0.4。目前專用汽車企業(yè)的焊接接頭多數(shù)處于不做無損檢驗(yàn)的狀態(tài)，故接頭系數(shù)選用較低。采用整車無損檢驗(yàn)的手段，焊接接頭系數(shù)可有效提高，結(jié)構(gòu)板厚變薄，降低整車重量，實(shí)現(xiàn)專用車的輕量化。

4 結(jié) 語

目前我國專用車輕量化設(shè)計(jì)還處在初級(jí)階段，專用車的輕量化趨勢(shì)越來越明顯。作為一名專用車產(chǎn)品的生產(chǎn)者，需要緊跟市場(chǎng)需求，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方案，從新產(chǎn)品、新材料、新工藝等多個(gè)手段共同發(fā)力綜合設(shè)計(jì)，自上而下，從整車到零部件，逐級(jí)優(yōu)化。專用車的輕量化實(shí)施不是簡(jiǎn)單的材料替代，而是從工藝、成本、安全和環(huán)保等多方面綜合考量。專用車產(chǎn)品正在從粗狂式發(fā)展向精細(xì)化發(fā)展轉(zhuǎn)變，由“超載違規(guī)”向多拉快跑發(fā)展。我們應(yīng)緊跟時(shí)代腳步，設(shè)計(jì)研發(fā)更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品去滿足發(fā)展所帶來的日益增長(zhǎng)的需求。