掛車支承橋輕量化研究現狀及發展趨勢

張同帥，陳秀生，呂國棟，李孟威，譚耀嘉，施非凡

（濟南大學 機械工程學院，山東 濟南 250022）

隨著社會經濟的發展，國民的生活質量提高。物流業的發展也越來越迅速。物流業的發展離不開物流裝備的支撐，半掛車、廂式專用車在公路運輸領域扮演了重要的角色[1]。物流行業的快速發展勢必拉動物流裝備總體需求量同步上升。隨著物流的發展，對于掛車輕量化的要求也逐漸提高，掛車輕量化，可以減少自身廢氣排量、能源損耗，對掛車加速性能也會提高，并且能縮短貨物運輸時間。根據掛車的車高和車軸數量，如果減輕掛車自身重量，在總重不變的情況下，可以多運載貨物，對運輸經濟型有很好的提高。

1 支承橋的構成

對于掛車車橋來說按照動力分為主動橋與從動橋，按照功能不同車橋可以分為轉向橋、驅動橋、轉向驅動橋、支承橋，按照構成不同分為整體式與斷開式。

本研究掛車從動車體車橋，按照功能屬于支承橋。支承橋顧名思義，既不承擔轉向功能、也不會向車輪傳遞動力與扭矩。但是支承橋對半掛車的運輸起到重要的作用。11 m長的半掛車車斗重6 t加上貨物重量，再以一個車軸限重10 t的交通要求，11 m長的半掛車從動車體的車軸為3個。根據這些信息，可以大約估算出，11 m半掛車負載到支承橋的重量大概是40 t。而11 m長的半掛車總重大概是60多噸，支承橋承擔掛車總重的60%以上，由此可以看出，支承橋對于半掛車的重要性。

支承車橋根據制動器的種類不同可分為鼓式車橋如圖1，盤式車橋如圖2兩種，無論鼓式車橋還是盤式車橋都可分為3個部分，支承橋主體橋殼、與橋殼相連的制動器以及輪轂。

圖1 鼓式車橋實體圖

圖2 盤式車橋實體圖

2 國內外支承車橋輕量化研究現狀

支承橋主要由3個部分組成：橋殼、制動器及輪轂。而輕量化是設計、材料和先進的加工成形技術的優勢集成[2]。每個構件的輕量化研究都是一個重要的課題

2.1 橋殼

支承橋橋殼總成是支撐橋承重的關鍵部件，其結構性能不僅關乎掛車從動車體的可靠性和耐用性，還對掛車行進過程產生直接影響。在掛車滿載行駛情況下，支承橋橋殼長期受到交變載荷的作用[3]。極易產生裂紋甚至是斷裂，橋殼輕量化的前提是必須滿足必要的強度與剛度要求。

國外對于橋殼的輕量化偏重于使用輕便材料來降低橋殼的重量，像是德納公司采用安塞樂米塔爾鋼鐵集團研發的DP600、DP780高強度汽車鋼作為支撐橋橋殼材料。AAM公司則使用鋁合金作為橋殼材料，而歐洲的廠家為了降低橋殼的重量，選用碳纖維材料，像是BPW公司采用碳纖維材料的車橋，相比傳統的鋼制車橋，碳纖維車橋可以有效降低自重。除了BPW，早在2014年的漢諾威車展上，SAF也曾展示過碳纖維的車橋。可以看出，碳纖維車橋在國外車橋輕量化研究上也將是一大發展方向[4]。

國內對于橋殼輕量化偏重于結構緊湊化設計，相比于美國AAM公司國內車橋制造公司在鋁合金的應用少之又少，大部分車橋制造公司在選擇橋殼材料上偏注于材料的強度和韌性。在結構輕量化上，國內公司為了節省運算時間，方便分析運算結果。常規設計方法是把車橋簡化為一根簡支梁，通過計算幾個危險截面來確定車橋強度是否符合標準[5]，在滿足車輛行駛要求下進行結構簡化。近幾年來國內很多學者在橋殼結構優化上取得了多項成果，朱華宇等[6]采用殼單元離散形建立橋殼有限元模型通過強度分析找到橋殼最大偏移位移，用減薄實現橋殼輕量化。宋曉飛等[7]通過制動、側滑、沖擊三種工況對橋殼進行有限元分析并且對橋殼進行了尺寸優化，進一步減輕橋殼重量。

2.2 制動器

制動器是支撐橋的重要組成部分，制動器分為盤式制動器如圖3與鼓式制動器如圖4。

2006年之前，國外半掛車采用鼓式制制動器，在輕量化研究上，選用金屬基質合成物（MMC）結合鋁和碳化硅為原材料制成的制動鼓。這種材料結合使得MMC材料強度是鑄鐵四倍但是重量卻連其三分之一都不到[8]。2006年隨著美國新的剎車距離法規的頒布，盤式制動器和鼓式制動器的組合應用成為半掛車制動器的首選。2019年歐洲制動器專業展會（Euro-Brake）上，汽車零部件公司Floby推出SiCA light制動盤。這是一種帶有碳化硅增強顆粒的鋁剎車盤[9]。更大程度上解決了，盤式制動器減重后對壽命、剎車響應時間的影響。

圖3 盤式制動器三維圖

圖4 鼓式制動器三維圖

2018之前國內的半掛車采用鼓式制動器，在輕量化的研究上，制動鼓材料選用鋁合金，并且沖壓焊接的制動蹄由雙銷結構優化為單銷結構。隨著2018年年底在廣東梅州BPW召開的掛車盤式制動技術及應用研究交流會，結合交通部國標7258政策。在2019年1月1日以后所有危險品掛車將全部配置盤式制動器，2020年1月1日以后普通欄板式三軸半掛車將強制使用盤式制動器[10]。在盤式制動器的輕量化研究上，對于部件工作環境的不同所選用的輕質材料不同，對盤式制動器的支架與鉗體選用鋁合金材料，對于剎車盤選用鋁、碳、硅為主要元素的復合材料，摩擦片選用樹脂基復合材料。既節約了成本，又在不影響制動性能的前提下實現輕量化。像是華逢志等[11]除了對盤式制動器進行結構優化，還對制動器鉗體材料優化，更換鉗體材料進行有限元分析得出鉗體不同材料下的應力云圖，材料優化與結構優化相結合。劉順楚等[12]對盤式制動器各部件不同材料進行強度校核，進行多次優化分析，最終得出盤式制動器各部件輕質材料。

2.3 輪轂

掛車輪轂是半掛車行駛的重要零部件之一，輪轂結構包括輪輞與輪輻，輪轂起到支撐整個車輪結構作用，在靜止狀態時，車輛、乘客、貨物產生的重量全部由輪轂來承受，在工作狀態下，受到路面不平激勵產生的徑向載荷，在加速狀態下同時受到發動機傳遞而來的扭矩，是承受載荷較多，工況較為復雜的零件。而且主要的失效方式就是疲勞受損。掛車輪轂5如圖所示。

圖5 掛車輪轂三維圖

美國美鋁公司在鋁合金車輪的制造工藝上，每個車輪都是從一塊實心、高強度抗腐蝕的鋁合金坯開始，經8000 t整體鍛造成型。之后的熱處理過程可使車輪整體機械強度最大化。鍛造過程可使鋁的晶粒結構根據車輪形狀排列，使得車輪有難以匹敵的強度。并且每個鋁合金車輪減重可達57%，平均每兩掛車減重可達300 kg，輕量化之后可提高有效載荷并改善駕駛舒適性[13]。鍛造而成的鋁合金材質，強度超過鋼的4倍。在歐洲的一些卡車上，為了降低車輛的高度開始使用315/45R22.5這樣的低扁平比的小尺寸輪胎[4]。使用這樣的小尺寸輪胎降低車身高度的同時也可以降低車輛自重，對于像快遞這樣貨物較輕的班半掛車完全適用[4]。M.Stuky等[14]研究了Al-Si7-Mg型合金的疲勞行為。P.F.Li[15]研究了鋁合金A356輪轂的疲勞問題。

在中國，鋼輪轂一直是半掛車的主流配件，鋁合金輪轂由于售價高，一直未占據主流位置。與其他國家半掛車輪轂鋁化率相比，中國半掛車輪轂鋁化率非常低。尺寸優化是我國輪轂輕量化研究的主要方向，相比于輪輞的輕量化，輪輻的尺寸優化度較高。但像是浙江戴卡宏鑫有限公司、正興車輪集團，在進行輪轂尺寸輕量化研究的同時也開始設計、研發鋁合金車輪。制造出更適合掛車用戶使用的產品。

3 發展趨勢

我國車橋企業對支承橋輕量化研究方向，總體趨于三個方面。

3.1 結構輕量化

以前國內車橋企業把結構優化作為輕量化研究的主要方法，但并不是自主研發，而是先買回來產品，根據商品的尺寸重新建模，再通過ANYSY、Abaqus等分析軟件，進行有限元分析，在原有基礎上進行改進來變成自己的產品，而現在國內企業對于結構優化越來越重視，已經逐步有自己的產品結構設計理論，未來將不再依托國外企業，真正實現自己產品結構輕量化。

3.2 材料輕量化

支承橋部件在設計、生產制造時大部分以鋼、鑄鐵、灰鐵為主，對于輕質合金材料的應用正在逐年增加，對于輕質材料的研究趨于成熟，將逐步通過材料的替換實現車橋的輕量化。

3.3 加工輕量化

支承橋的加工工藝也可以實現輕量化，如激光焊接技術取代傳統的鑄造工藝，激光焊接工藝可以減少零件之間的連接件減輕車橋整體質量，內高壓成型技術取代傳統的拼接焊鐵技術，熱加工處理增強部件的剛度。

4 結語

隨著國家節能減排、保護環境的政策的下發，汽車尾氣排放量控制成為當下的熱點話題，輕量化研究顯得更加迫切。目前我國輕量化研究相對于國外還不夠成熟，但是我國未來在輕量化研究上還有很大的升值空間，這就需要企業、高校的科技人員結合理論與實踐，不斷研發才能推動輕量化這一課題的發展，逐步實現科技強國。