淺談半掛車“瘦身”設計

蘇衛鋒 王錕 付宏衛

摘 要：隨著國家對治超力度的不斷加大，“計重收費”的大環境下，半掛車輕量化也越來越受到重視和關注，“減重”成為當下專用汽車研究的熱點之一。通過優化車輛結構設計、應用新材料，盡可能降低車輛重量，達到減重、降耗、節能環保、安全的目的。本文為輕量化半掛車設計者提供了參考，可減少設計中問題的發生，提高產品的合理性。

關鍵詞：半掛車 輕量化 高強度鋼 復合材料 減重設計

1 引言

在公路運輸中，半掛車有其他運輸方式所不具備的靈活、安全、簡便的優勢，已經發展成為我國重要的物流運輸模式。隨著我國對超載運輸的嚴厲治理和油價上漲的壓力加大，半掛車朝著輕量化、大容積、專用化、節能化方向發展。半掛車輕量化一直是行業追求的目標，追求輕量化的腳步從未停止。首先來看半掛車減重后所帶來的經濟效益：車輛每年按行駛20萬公里，運費0.4元/噸計算，半掛車車每減重100kg可帶來的收益為：

0.4×0.1×200000=8000元。

研究表明，汽車所用燃料約60%消耗于汽車的自重，汽車的質量每減輕100kg，每公里的燃油消耗減少0.4L-0.8L，CO2排放量也相應減少。

那么什么是半掛車輕量化，該怎么輕，下邊從以下幾方面進行簡單論述。

2 車型選擇

（1）選對車型是輕量化的基礎，很關鍵，這就需要用戶根據運輸貨物的不同類型來選擇所需的車型。如運輸煤炭、鐵粉等一般選擇倉柵半掛車，運輸箱包貨一般選擇鵝頸或廂式半掛車，運輸鋼卷、盤圓選擇低欄板半掛車等。

（2）車輛長度的選擇，貨物類型確定后，選擇合適的車輛長度也很重要，一般用于煤炭運輸的車輛長度選擇在11米-12米之間較多，而運輸箱包貨車輛一般選擇長度13米-13.75米。車輛長度增加，重量必定隨之增加，運輸貨物就相對減少，收益也會減少。拿11米倉柵半掛車與12米倉柵半掛車對比重量增加300-400kg左右。

3 半掛車相關配置及設計

在確定好具體車型之后，首先要考慮用戶的使用環境、工況等。如經常跑國道還是高速，在考慮配置上也有較大差別。高強度鋼可以制造半掛車車架、車廂、懸架等，根據經驗法則，應用高強度鋼的半掛車重量可以減輕25%-30%，通常可減輕28%。不過高強度鋼在應用時會存在一些問題隨著強度的增加，沖壓性能變差、回彈量大、尺寸難以控制、容易引起皺開裂，焊接時需要注意選用適合的高強度焊絲。

3.1 半掛車大梁的設計

半掛車的大梁稱之為半掛車的“脊梁”，是車輛的重要承重部件，連接著各個主要總成，承受著復雜空間力系的作用。一般車架應具有足夠的強度、合適的剛度，在保證剛度和強度的前提下重量最輕，以及結構應盡量簡單等。現目前行業用的較多的是“工字”型大梁結構，由上翼板、腹板、下翼板焊接而成，該結構具有承載能力強、不易變形的特點。也有采用“[”型結構大梁，不需要焊接，采用沖壓成型，該結構與“工字”型大梁相比重量輕、制作簡單、制造成本低的優點，不過承載能力不如“工字”型大梁，適用于標載運輸。根據等強度理論設計變截面大梁，也可有效降低大梁的重量，減少應力集中，提高大梁使用壽命。半掛車大梁也可采用熱軋汽車大梁專用H型低合金高強鋼，既能減輕自重，又能縮短加工制造周期，降低生產制造成本。大梁類型確定后，接下來要確定大梁的高度及上下 翼板、腹板的厚度，一般標載車型大梁高度在450mm-480mm左右，大梁越高承載能力就越強。材質一般選擇700L、980等高強度鋼材，可減少上翼板寬度和腹板厚度，也可以在大梁上增加減重孔等達到輕量化的目的。

3.2 半掛車上箱的設計

采用高輕度鋼箱板可減少箱板材料厚度，增大花欄間距、采用立柱壓筋結構增加立柱強度降低重量等。

4 半掛車相關零部件的設計與選擇

4.1 輕量化零部件的選擇

附件如側防護、工具箱、儲氣筒、輪輞、支撐裝置等可選用鋁合金材料。整車預計重量可減輕300kg左右。若選擇使用6條大單胎（425/65R22.5），需選擇加寬車橋，與配備12條12R22.5真空胎相比，重量可減輕500kg左右。缺點在于配備大單胎后車輛輪胎承載能力相對于12R22.5真空胎有所降低，使用于標載運輸。

4.2 復合材料的應用

根據需要箱板可選用復合材料來替代傳統的鋼板材料，一般復合材料多用在廂式半掛車上，常用的蜂窩板結構復合材料，與傳統的木夾板結構對比，蜂窩芯板可以降低廂式車35%的側板重量，換算過來每平方米側板可降低重量5kg，整車側板可降重360kg。用復合材料單片板簧（聚氨酯基體樹脂玻璃纖維增強板簧）主要成分為增強纖維和樹脂材料，來替代傳統鋼板彈簧板簧都可以達到減輕車輛重量的目的。

為了降低自重，歐洲的廠家可以說是想盡了辦法，就連價格昂貴的的碳纖維材料都開始應用了。BPW展出了碳纖維材料的車橋，相比傳統的鋼制車橋，碳纖維車橋可有效降低自重。除了BPW，早在2014年的漢諾威車展上，SAF也曾展示過碳纖維車橋。可以看出，碳纖維車橋在今后車輛輕量化上也將是一大發展方向。碳纖維材料是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料，其強度高于超高強度鋼2倍以上，比鋁輕30%，比鋼輕50%，強度是鋼的7-9倍，被稱為“輕量化材料之王”，其軸向強度和模量高，密度低，無蠕變，熱膨脹系數小，抗疲勞，耐腐蝕。不過價格較高，相信隨著碳纖維行業不斷成熟與發展，以及節能減排和汽車輕量化大方向的指引，碳纖維材料或稱為汽車“瘦身革命”的領導者。

4.3 空氣懸架、碟剎橋的應用

隨著GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》2018年1月1日起的實施，標準7.2.6要求：汽車（三輪汽車除外）、摩托車（邊三輪摩托車除外）、掛車（總質量不大于750kg的掛車除外）的所有車輪應裝備制動器。所有專用校車和危險貨物運輸貨車的前輪和車長大于9m的其他客車的前輪，以及危險貨物運輸半掛車、三軸的欄板式和倉柵式半掛車的所有車輪，應裝備盤式制動器。危險品貨物運輸半掛車2019年1月1日實施，三軸欄板、倉柵式半掛車2020年1月1日實施。其中，9.4要求：總質量大于或等于12000kg的危險貨物運輸車的后軸，所有危險貨物運半掛車，以及三軸欄板式、倉柵式半掛車應裝備空氣懸架。以上要求于2020年1月1日起實施，這就意味著用戶在購買普通三軸欄板式、倉柵式半掛車購車成本將增加5-6萬元。整車在裝備盤式制動器、空氣懸架后車輛重量與鋼板彈簧懸架加轂式制動器車橋重量幾乎相當，優勢在于空氣懸架的減震舒適性比鋼板彈簧懸架要好，盤式制動器比轂式制動器散熱性能、制動穩定性好，維修保養簡便等優點，提升了整車的行車安全性，可減少超載的發生。盤式制動車橋與標準13噸轂式車橋相比單根輕約30kg，三軸車輛可減重約90kg。特別需要注意的是，半掛車配備盤式制動器時，要求牽引車要配置緩速器，且禁止加裝淋水器進行噴水（高溫制動盤急冷易開裂導致制動失靈）。水箱加水后重量在600kg左右。

5 全鋁合金半掛車

由于鋁合金具有一系列優良特性，如密度小、質量輕、強度高、彈性好、抗沖擊性能好、耐腐蝕、良好的加工成型性以及高的回收再生性等，在歐美，74%為鋁合金半掛車，在日本路合金半掛車的市場份額甚至達到90%以上。鋁合金半掛車使用壽命可達10年，可多創收150萬-180萬。在我國鋁合金半掛車較多的是罐式車輛，如液罐車，廂式車等。由于價格、運輸貨物受限等原因，在倉柵式、欄板式半掛車用全鋁結構的較少，不過隨著用戶的認識的提高，全鋁合金半掛車必定是未來的發展趨勢。

6 承載式結構半掛車

目前國內的半掛車基本上采用的非承載式掛車，通俗的講就是有車架（大梁）的掛車，而在歐洲，像冷藏車或者一些廂式半掛車多數采用的是承載式結構。這種承載式掛車沒有貫通的車架，掛車的底部就相當于車架，因而沒有車架，所以這種承載式掛車重量更輕，當然，這種掛車的生產技術要求會更高。

7 結語

半掛車輕量化是一個系統工程，是為了為用戶創造更大的經濟效益，作為一名設計人員，不能一味的追求“輕量化”而犧牲了車輛的安全性，在設計前期一定要做好充分的論證，做好市場調研，避免后期問題的發生，因為“輕量化”并不一定輕。

參考文獻：

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[5]GB ?7258-2017.機動車運行安全技術條件.