商用汽車車橋輕量化設(shè)計思路與研究

楊 升，王 佳，陳奇鋒，李庚璋

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

隨著汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值法規(guī)GB 1589和重型商用車輛燃油消耗量限制法規(guī)GB 30510的嚴(yán)格實施，汽車行業(yè)對節(jié)能減排和燃油經(jīng)濟(jì)性的要求越來越嚴(yán)苛，在車輛載質(zhì)量不變的情況下，開展商用車輕量化可以有效降低燃油消耗和減少污染物排放，有效提升商用車?yán)m(xù)航里程。在目前高速公路實行計重和按軸收費的限制下，車輛自重降低帶來的載重量提升或油耗降低產(chǎn)生的收益非常可觀，因此商用汽車用戶對底盤輕量化的需求也日趨迫切。以目前商用汽車主流的6×4牽引車為例，車橋是底盤的重要組成部分，自重約占底盤重量的20%，它的輕量化設(shè)計對車輛自重降低和燃油經(jīng)濟(jì)性起著非常關(guān)鍵的作用。

在保證整車安全性和零部件可靠性的前提下，車橋的輕量化目標(biāo)就是通過一系列新的結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高強度輕質(zhì)材料應(yīng)用等方式制造出滿足車輛承載和傳動需求的車橋產(chǎn)品。

1 車橋的功能及結(jié)構(gòu)組成

商用車車橋的功能就是傳遞車架與車輪之間各方向作用力及其產(chǎn)生的力矩[1]，其對汽車的動力性、穩(wěn)定性、承載能力等性能有著重要的影響。

（1）將萬向傳動裝置傳來的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩通過主減速胎、差速器、半軸等傳到驅(qū)動車輪，實現(xiàn)傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降低、增大轉(zhuǎn)矩；

（2）通過主減速器錐齒輪副改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向；

（3）通過差速器實現(xiàn)兩側(cè)車輪差速作用，保證內(nèi)、外側(cè)車輪以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向；

（4）通過橋殼和車輪，實現(xiàn)承載及傳遞力的作用。

商用車驅(qū)動橋的關(guān)鍵部件包括主減速器、橋殼、差速器總成、半軸、制動器總成等，見圖1。

圖1 驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)示意

2 車橋輕量化主要設(shè)計思路

通過對商用車車橋零部件組成結(jié)構(gòu)的分析，車橋的輕量化設(shè)計我們可以從四個方向著手進(jìn)行優(yōu)化：

2.1 零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

采用CAE拓?fù)鋬?yōu)化手段，對零部件進(jìn)行優(yōu)化，通過材料的合理分布和局部加強，減少零部件強度的冗余設(shè)計，控制零件在不同位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力在定義的約束范圍內(nèi)，保證零部件各個部位的應(yīng)力值接近，即各個部位的壁厚不一致，使零件薄壁化、中空化，最終達(dá)到減輕零件重量的目的[2]。

2.2 零部件集成化設(shè)計

零部件集成是基于原零部件設(shè)計功能、可靠性和售后維修性不變的前提下，采用新的思路將兩個或多個零件進(jìn)行模塊化集成設(shè)計，實現(xiàn)車輛的輕量化，同時兼顧實現(xiàn)零件數(shù)量精簡、系統(tǒng)部件功能擴(kuò)展性和兼用性。通過對車橋內(nèi)外相關(guān)件的識別，在不影響裝配及可靠性的基礎(chǔ)上，可以對車橋差速器、減速器殼、橋殼支架類等多種零部件進(jìn)行優(yōu)化集成，減少零部件裝配數(shù)量實現(xiàn)車橋零部件輕量化集成化設(shè)計。

2.3 輕量化材料應(yīng)用

商用汽車在設(shè)計、生產(chǎn)制造過程中所應(yīng)用的材料目前仍以大量鋼制材料為主，鋁、鎂合金等輕質(zhì)材料的應(yīng)用也在逐步增加，輕合金材料在商用汽車零部件的輕量化發(fā)揮著很重要的減重作用。商用車鋁合金車輪、鋁合金變速器殼體、墊塊類零部件等可使零部件重量減少30%～40%以上。綜合考慮成本和輕量化帶來的收益，車橋可采用同樣的思路，通過對殼體材料、懸架連接相關(guān)件擴(kuò)展輕量化材料應(yīng)用達(dá)到產(chǎn)品輕量化的目的。

2.4 產(chǎn)品小型化和新結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著商用車市場運輸?shù)闹鸩揭?guī)范化，在滿足使用可靠性的前提下，針對不同細(xì)分市場可以進(jìn)行車橋精準(zhǔn)設(shè)計，一些標(biāo)載運輸車型的車橋主減速器、制動器、軸承小型化設(shè)計已成為發(fā)展趨勢。

3 車橋輕量化開發(fā)實踐

3.1 支座類連接件優(yōu)化

通過CAE拓?fù)鋬?yōu)化手段對車橋與懸架連接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，在保證安全使用性能的前提下，實現(xiàn)零部件的改進(jìn)。以懸架推力桿安裝支架為例，經(jīng)過零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，原始結(jié)構(gòu)原支架重量16 kg，優(yōu)化后重量降低至12 kg。優(yōu)化完后安全系數(shù)增加，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)件疲勞壽命優(yōu)于原支架疲勞壽命，如圖2所示。

圖2 上下推力桿支架優(yōu)化

3.2 一體化集成結(jié)構(gòu)

一體化結(jié)構(gòu)主要通過車橋零部件一體化設(shè)計、車橋橋箱一體式結(jié)構(gòu)等方式開展，保證維修便捷性的同時降低零部件數(shù)量，從而達(dá)到輕量化的目的。

例如板簧支架與橋殼集成、某主機(jī)廠前軸轉(zhuǎn)向節(jié)與梯形臂一體式集成等，見圖3和圖4。

圖3 板簧安裝支架

圖4 前軸梯形臂集成

3.3 高強鋼、鋁合金和復(fù)合材料應(yīng)用

橋殼重量在車橋結(jié)構(gòu)中占的比重非常大，由于橋殼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化的空間比較有限，一般情況下我們主要通過應(yīng)用高強鋼或高牌號球鐵來減小橋殼壁厚，從而達(dá)到橋殼輕量化的目的。國內(nèi)目前大量使用的橋殼為Q460抗拉強度在500 MPa以下的鋼板。寶鋼開發(fā)的抗拉強度在800 MPa～900 MPa的重型貨車橋殼用鋼，可以實現(xiàn)單橋減重50 kg，減重率達(dá)到20%[3]。同樣，應(yīng)用高牌號球鐵材料也同樣可以達(dá)到橋殼輕量化的目的，單橋可實現(xiàn)減重30 kg，減重率可以達(dá)到15%以上。

國內(nèi)外車橋零件供應(yīng)商均致力于研究輕質(zhì)材料取代金屬材料的應(yīng)用可行性，國內(nèi)某車橋開發(fā)鋁合金殼體、端蓋使用鋁鑄件代替沖壓鋼板等。圖5所示為某零部件公司開發(fā)的鋁合金材料輪轂。

圖5 鋁合金輪轂

3.4 小型化產(chǎn)品應(yīng)用和新結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)商用車滿載總質(zhì)量及工況差異進(jìn)行車橋匹配應(yīng)用，對于標(biāo)載、高速物流車型可采用400/440等小型化主減橋型替代435/457等平臺產(chǎn)品。考慮車輛工況，輕量化牽引車車橋主錐朝著懸臂式布置結(jié)構(gòu)發(fā)展，減少軸承應(yīng)用，實現(xiàn)車橋自重降低。通過零部件新結(jié)構(gòu)的設(shè)計開發(fā)，達(dá)到降低整車自重的目的，例如某零部件廠家的空心凸輪軸、花鍵制動盤、 單蹄銷鼓式結(jié)構(gòu)制動器和楔式制動器等，如圖6所示。

圖6 制動器零部件改進(jìn)開發(fā)

4 結(jié)語

通過對國內(nèi)外車橋零部件輕量化工程開發(fā)應(yīng)用實踐進(jìn)行總結(jié)，提煉出適用于商用汽車車橋輕量化設(shè)計思路及方法，同時這些設(shè)計思路也可為商用汽車其他零部件的輕量化開發(fā)提供參考與借鑒。