商用車的質量特征及輕量化評價

董學鋒

（中國第一汽車集團有限公司研發總院，長春 130011）

1 前言

產品輕量化是汽車主要發展戰略之一，旨在通過一個系統的最小質量，在給定的技術邊界條件下實現所需功能，減輕系統質量，提高系統效率，并在整個生命周期內保證系統的可靠性。重型載貨車輛每個輪胎的載荷是有限定的，總質量也有標準限制，若總質量不變，降低整備質量，實際上是增加了載質量。假如整備質量降重500 kg，可視為載質量增加500 kg，因此對商用車用戶來說，輕量化更有意義。

2 商用車的動力強勁度

商用車、尤其是中重型載貨汽車的相關標準，對不同類型車輛的外廓尺寸、車軸數、輪胎數下的允許負荷都有明確的規定和限制，除了車輛的類別與噸位外，商用車用戶關注品牌和動力、油耗和運營成本、發動機排量和功率等技術指標。統計分析商用車發動機功率與總質量數據，以車輛總質量為橫坐標（X=Gz），以發動機功率為縱坐標（Y=Pe），形成散點圖及總趨勢線，如圖1a所示，圖中的P1.0，代表總體的平均線，以此線為基線，分別乘以0.6、0.8、…、1.6，得到P0.6、P0.8…、P1.6，作為動力強勁度分級。視P1.0線為平均水平，本文中車輛強勁度定義是發動機功率與P1.0線上相同總質量的平均功率之比。在P1.0之上越高越強，之下越低越弱，如果選擇動力型，需選擇動力強勁度高的，從圖中可知，個別車輛的動力大于P1.6，在總質量16 t以下的載貨汽車中，也有低于P0.6的車輛在售。用一個圖表示從總質量1.3～32 t的所有動力，從數據分布看對輕型汽車顯然不太合理，放大1.3～5 t的局部區域得到圖1b，同理，得到牽引車和自卸車的動力強勁度圖1c和圖1d，其計算見表1。其中，動力強勁度P=Pe/（aGz+b）。Pe為發動機功率；Gz為總質量。

圖1 商用車動力強勁度與分級

3 載貨汽車的質量特征

將16 t以下的載貨汽車按橫坐標X為整備質量、縱坐標Y為載質量進行散點圖分析，從圖2可以看出，點的集中分布規律有兩個特點，一是總質量的恒定集中規律，二是載質量的恒定集中規律。連成圖2中4～16 t的斜線族，表現為車輛是按總噸位設計，總質量恒定，載質量為總質量與整備質量之差；總質量與法規和標準直觀對應，也方便車輛和道路管理部門。圖中的5 t、8 t、10 t等水平線上點，說明設計是按載質量為目標開發的車型。

表1 商用車動力強勁度的計算

圖2 載貨汽車的質量

如果以車長作為橫坐標，總質量作為縱坐標，制作載貨汽車的總質量與車長關系圖（見圖3），對照國家2軸、3軸和4軸載貨汽車的總質量和長度標準限制，全部符合。對于大噸位的車輛，基本是按總質量最大化的原則進行設計，車長各有不同，但都沒超越法規的限定。

圖3 載貨汽車質量與車長

總質量＜16 t的載貨汽車，用整備質量和載質量的散點形態體現在圖2中，按GB 1589《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》，兩軸載貨車最大允許總質量16 t，如圖4中的最下斜線，但驅動軸為每軸每側雙輪胎且裝備空氣懸架時，最大允許總質量可以放寬到17 t，原因是空氣懸架在車架（車箱）與車橋之間，有效減緩了互相之間的沖擊，總質量可以增大1 t。

圖4 2軸載貨汽車的限定

3軸貨車如圖5所示，按GB 1589最大設計總質量最小限值16 t，最大允許總質量最大限值25 t，當驅動軸為每軸每側雙輪胎且裝備空氣懸架時，最大允許總質量最大限值可到26 t；在圖5的陰影部分是所示區域，其中的點是所對應的中國市場的現有車型，多數在最大限值25 t的控制線上，左上主要是6×2車型，右下主要是6×4車型，顯然，同一斜線上的車型，整備質量越靠左上越輕，當然6×2比6×4的要輕。

圖5 3軸載貨汽車的限定與實際分布

具有雙轉向軸的4軸汽車，GB 1589中規定重型載貨汽車[8×2/8×4]最大允許總質量最大限值是31 t，當驅動軸為每軸每側雙輪胎且裝備空氣懸架時，最大允許總質量最大限值32 t，最大設計總質量最小限值24 t。圖6陰影區域是標準的限定區域，中國的載貨汽車空氣懸架極少，絕大多數的車型都設計在總質量31 t的邊界線上。8×2的車型要比8×4輕，8×2的車型多集中在線的左上部分，8×4的車型多集中在線的右下部分。同一驅動方式時，左上部分自重輕而載重大。

4 商用車的輕量化度與輕量化指數

4.1 商用車的輕量化度

商用車受道路限制，對其尺寸是有限定的，外廓尺寸的最大限值是（12 000×2 500×4 000），設計不能越限。比較與分析認為，商用車的輕量化度用整備質量與總質量比較合適，為此，以總質量為橫坐標，以整車整備質量為縱坐標，形成整車質量輕量化度的評價圖，本文對輕量化度的定義是被評價車輛的整備質量與同樣總質量下的整備質量趨勢平均值之比，其意義在于同樣的總質量下，如果輕量化度值Ld=1，說明被評價車輛的整備質量處于平均水平，Ld＜1說明比平均值好，輕量化度的值越低越好，即整車整備質量越低越好。

圖6 4軸載貨汽車的限定與實際分布

圖7是中國載貨汽車的整備質量與總質量的散點圖，將散點圖做線性趨勢分析得到線L1.0，線L1.0就是載貨汽車（包括2軸、3軸和雙前軸轉向的4軸汽車）的總體平均趨勢線，平均趨勢線的公式在圖中標出，以趨勢平均線為基準，分別作倍數0.7～1.3的倍數線，得到一組斜線，這一組斜線基本覆蓋了中國載貨汽車的全部點，整個線族作為整車輕量化度的刻度線。比如某載貨車的總質量是18 175 kg，整備質量9 080 kg，用圖中公式Gk0=0.355 9Gz+516.5表示，將Gz=18 175代入得Gk0=6 985，9 080/6 985≈1.3，它的含意是6 985是總質量為18 175 kg的整備質量平均值，即在圖中的橫坐標軸上，以X=18 175作垂線，以L1.0的交點的y值是6 985，樣車的整備質量是9 080 kg，是平均值的1.3倍，輕量化度為1.3。再如總質量為24 595 kg，整車整備質量為9 080 kg時，算出整備質量的平均值是9269.9 kg，從而得到輕量化度是0.98。

圖7 載貨汽車的輕量化度

從總質量1.3～31 t（涵蓋4×2～8×4）用一條評價基準基（這里稱混合評價），對于輕型載貨汽車稍顯粗放，將1.3～4.5 t、4.5～16 t，分開并單獨做平均趨勢線，得到各自的輕量化度獨立評價圖，見圖8a和圖8b。

圖8a 載貨汽車GZ＜4.5 t的輕量化度

圖8b 載貨汽車4.5t＜GZ＜16t的輕量化度

用同樣方法，基于現在中國牽引汽車的整備質量與總質量形成散點圖，圖9中含有2軸和3軸牽引車，按驅動型式有4×2、6×2和6×4，如果做一個評價圖，同理形成趨勢平均線作為基準線（L1.0），擴展輕量化度線從L0.7～L1.3；同樣，自卸汽車的輕量化度如圖10所示，寫成輕量化度的評價公式如表2所示。其中，Ld=Gk1/(cGz+d)。Gk1為整備質量；Gz為總質量。

圖9 牽引車的輕量化度

公式表征汽車主要類別車型的輕量化度，分母是與總質量線性相關的平均整備質量。

4.2 商用車的輕量化指數

僅用質量對比表示輕量化度過于簡單，考慮車輛外廓尺寸越大整車質量越大，動力越大整車質量也越大，因此縱坐標用車輛密度與功率比來表征，即為整備質量除以車體積（長×寬×高），再除以發動機功率，表示單位功率質量密度，圖11為載貨車的輕量化指數，用二次函數來求趨勢平均線，得圖中的線1.0，以1.0線的（0.5、0.75、1.25、1.5、1.75、2.0）的倍數，得其輕量化指數的各個級線。同理得到牽引車和自卸車的輕量化指數圖如圖12和圖13所示，如果寫成公式如表3所示。其中，L是汽車輕量化指數；Gz是汽車總質量；Gk是汽車的整備質量；V為汽車體積（長×寬×高）；P為發動機功率。

圖10 自卸車的輕量化度

表2 輕量化度的計算

圖12 牽引車的輕量化指數

圖13 自卸車的輕量化指數

表3 輕量化指數的計算

5 載質量利用系數

載質量利用系數是載質量與整備質量之比，2009年開始，在商用車相關申報中，被當作重要使用性能指標來填寫，也是宏觀衡量汽車結構合理程度的一項指標。其數值越大，表明汽車設計制造水平越高，使用性能越優越。對載貨車的質量利用系數有最小值限定，本文不再說明。

載質量利用系數與汽車部件、總成、結構的完善與精良化程度以及輕質材料的使用率有關，表明了汽車主要材料的使用及輕量化程度，也間接反映了汽車使用經濟性。在運輸過程中，汽車整備質量將引起非生產性油耗、輪胎磨損以及發動機功率損耗。在總質量和使用壽命相同條件下，載質量利用系數越高，該車型的結構和制造水平就越高，輕量化程度也越好。

整備質量利用系數的提高是現代載貨汽車制造技術進步的重要標志之一。除了不斷完善汽車結構和制造技術外，降低汽車整備質量的重要途徑是利用輕質材料，特別是應用強度高、質量輕的高強度鋁合金和復合塑料等。圖14是載貨汽車的載質量利用系數圖，其部分特征線已在圖中標示出來。

圖14 載質量利用系數

6 結束語

重型商用車基本使用柴油發動機，柴油汽車比汽油汽車排放嚴重，雖商用車量少，但排量大，所以商用車的輕量化也極其重要，由于對比和評價的相關研究較少，本文在現有質量統計的基礎上，提出一種分析方法，建立一個簡單標尺，為整車輕量化水平評價提供一個思路，用來表征商用車產品的輕量化程度，商用車品種非常多，文中僅以典型的3種商用車為例進行說明，供參考和討論，并逐漸完善。