1、34 2008.08技術與產品節油環保型半掛車的設計趨勢張家口大地專用汽車制造有限責任公司 袁光濤1 前言進入2008年，計重收費政策實施范圍的不斷擴大，國際燃油價格的不斷上漲，以及各種漲價因素的影響，導致用戶運營成本劇增。數據顯示，2000年0號柴油零售價格每升2.2元左右，2008年6月20日已漲至每升6.23元的水平（北京油價），漲幅為183.18%。2000年燃油消耗支出僅占運營總成本的15%，現已升至35.8%1，躍居運營成本各項支出的首位。在油價屢創新高的今天，用戶深知，中長距離運輸應首選牽引半掛車，而選擇節油環保型半掛車就是省錢，省錢就等于多賺錢。舉例來說，一輛汽車列車一年行駛1

2、5萬km，百公里油耗為40 L，如果節油10%，全年可節省3.74萬元，這是一個很可觀的數字。在國家大力倡導節能減排的背景下，對于半掛車廠家來說，加快節油環保型半掛車的設計步伐，將會極大地提高企業產品的競爭力，也是搶占市場先機的重要舉措。汽車列車行駛阻力由空氣阻力、滾動阻力、加速阻力和爬坡阻力等組成，牽引車發動機的功率主要消耗在克服汽車列車的行駛阻力上。空氣阻力主要與車身形狀、迎風面積等有關，特別是在高速行駛時關系更大，但與整車的總質量無關；滾動阻力、加速阻力和爬坡阻力均與整車的總質量成正比，因此減輕汽車列車自身質量，是減少這三種阻力的重要因素，也是降低燃油消耗的有效措施2。筆者結合產品設計的

3、實踐經驗，認為半掛車的節油設計應從減輕半掛車自重、減少半掛車空氣阻力和選用優質零部件三個方面考慮。2 減輕自重國外相關試驗數據顯示3，車輛自身質量減輕10%，可降低油耗5%8%。對半掛車來說，減輕自重可以相應提高有效裝載質量，即增大了裝載利用系數，提高了運輸效率，降低了運輸成本中的燃油費用。2.1 采用新材料為適應半掛車輕量化的要求，目前國外廠家在半掛車制造中大量采用了高強度鋼、鋁合金、玻璃鋼、不銹鋼、塑料等材料。歐洲、北美和日本等發達國家及地區生產的專用汽車中，廂式半掛車占半掛車總量的80%左右，廂體材料多為鋁合金，車廂結構件和附件也大都采用鋁合金型材制成，不僅自重輕，而且還可以回收再利用。

4、日本的罐式半掛車絕大多數采用質地較輕的鋁合金或不銹鋼材料做罐體，既減輕車輛自重，又提高了罐體的抗腐蝕能力。近年來采用玻璃鋼材質的散貨運輸半掛車日漸受到用戶的關注，這種車整車質量輕、抗腐蝕性強，適合運送散裝的化學原料。高強度鋼板可以制造半掛車車架、車廂、懸架，根據經驗法則，應用高強度鋼板的車輛重量可以減輕25%30%，通常能減輕28%。比如，通常使用的10 mm厚的普通鋼板，如果換成高強度鋼板，鋼板厚度僅為7 mm，重量減少30%。對13 m欄板式半掛車而言，車架若用普通鋼板制造重約2 5002008. 07 35技術與產品kg，在同等承載情況不變的條件下用高強度鋼板制造約可減重690 kg（圖

5、1）。這意味著該半掛車可獲得690 kg的有效載荷，并且在空載行駛時還節省了燃油。此外，選用密封性好、重量輕、高強度的塑料工具箱取代鋼板焊接的工具箱，防護裝置改用鋁合金材料等，同樣能夠有效降低車輛自重。2.2 車架的優化設計對現有鋼結構車架進行優化設計，可以在保證承載能力和可靠性的前提下減輕重量，如果方案得當還能取得良好的輕量化效果。比如，半掛車工字形縱梁在車架中所占比重較大，通過對縱梁上下翼板的厚度和寬度、腹板的厚度和高度進行優化設計，可以使縱梁在自重最小的情況下，滿足最大的承載能力。仍以13 m半掛車為例，縱梁材料為16 Mn，縱梁高度500 mm，翼板寬140 mm，原設計縱梁上、下翼板

6、的厚度為12 mm，腹板厚8 mm，截面模量為1 088 cm3，通過編程計算，將下翼板厚12 mm改為14 mm，腹板厚8 mm改為6mm。改進后截面模量為1 118 cm3，承載能力提高了2.76，而重量減輕了108 kg。若根據等強度原理，將縱梁形狀改為魚腹梁或通過對車架進行有限元分析計算，合理選擇橫梁截面大小并合理布置，同樣可達到減重的目的。無副梁的半掛自卸車（ 圖2） 在歐美已不罕見，因其自重輕，體現了半掛自卸車的設計趨勢。為保證箱體強度，一般選用高強度的鋼板。2.3 選用輕質零部件半掛車板簧通常為等截面鋼板板簧（圖3），為減輕半掛車的懸架重量，提高半掛車的行駛平順性，國內已有半掛車

7、生產企業開始使用少片變截面鋼板彈簧（圖4）。與傳統的多片等截面鋼板彈簧相比，在承載能力不變的前提下，其質量可減輕30%40%，有的甚至高達50%。國外載重汽車輪胎三化（子午化、扁平化、無內胎化）已相當普及，但國內載重汽車無內胎化（即全鋼絲載重汽車子午線無內胎的輪胎，簡稱真空胎）實施的速度緩慢。真空胎除了具有安全性好、節油、生熱低且散熱快、操縱性好等優勢外，最重要的是真空胎胎體輕，用真空胎315/80R22.5替換半掛車上常用的12.00R20/18全鋼子午線輪胎，每只輪胎可減重23 kg，一臺三橋半掛車可減重近300 kg。鍛造鋁合金車輪的重量只相當于鋼制車輪重量的50%，以半掛汽車列車（主車

8、為6×4型式，半掛車為三橋半掛車）22只輪胎計算，每臺車可減重近550 kg。3 減少空氣阻力世界各國汽車列車的行駛車速不斷提高，國外發達國家半掛牽引車在高速公路上行駛的速度一般不低于110 km/h，有的甚至超過了120 km/h；目前國內高速公路行駛的汽車列車速度為8090 km/h。用提高速度來提升運輸效率是一種趨勢，但是汽車列車高速行駛時，其燃料消耗將會劇增，這主要是由于空氣阻力的急劇增大導致消耗于空氣阻力的功率與速度的立方成正比的增加4。因此有效減少空氣阻力是節省燃油的一個重要途徑。減少空氣阻力可以通過降低半掛車承載面、改變車廂材料及外形、加裝導流裝置等方法來實現。3.1

9、降低半掛車承載面半掛車尤其是廂式半掛車的承載面降低可使半掛車車身高度降低，從而減小風阻，降低油耗；承載面低，降低了車輛重心，在通過彎道時，可以不換擋或少換擋；重心降低還可以提高側向穩定性，避免因穩定性差使車體在行進中左右晃動給牽引車帶來側向分力引致車輛跑偏的情況發生，從而降低了油耗，也減輕了駕駛者的疲勞程度。降低承載面高度主要有以下兩種方法。3.1.1 貨臺設計為鵝頸結構或凹形結構我國現階段生產的牽引車如斯太爾系的車型，其牽引高度相對較高，半掛車廠家通常根據主車結構設計匹配其半掛圖1 13 m欄板式半掛車圖2 無副梁半掛自卸車圖3 等截面鋼板板簧 圖4 變截面鋼板彈簧36 2008.08技術與

10、產品車，這樣設計出的半掛車承載面也較高。鑒于此種情況，可將半掛車貨臺設計成鵝頸結構（圖5）或凹形結構（圖6），以降低承載面高度。3.1.2 車架設計為整體承載式半掛車車架一般由兩根縱梁和若干組橫梁組成。國內已有半掛車廠家突破了傳統的車架設計模式，將車架結構設計為整體承載式（圖7），其牽引座處車架總高度僅為88 mm（傳統半掛車高度為240 mm左右）。整體承載式半掛車可以替代鵝頸式平板半掛車，能夠裝載40 t以上貨物，即使裝上超高箱或大件也能順利通過新老隧道、立交橋和渡口5。這種車架能在用材少的情況下，提高車架抗彎強度，還能大幅度提高車架的整體抗扭剛度，而整體抗扭剛度的大小，與車輛運行過程中的

11、側向穩定性直接相關，即抗扭剛度越大，側向穩定性越好。中集新近開發的鋁制廂式半掛車正是采用整體承載式鉚接車身、無大梁式的結構設計，其底架采用超高強度鋼，上部結構使用高強鋁，與同等承載能力的普通廂式半掛車相比，自重減輕約30%。3.2 改變車廂材料及外形目前，國內廂式半掛車廂體大多為鋼制波紋板，由于受鋼制波紋板結構形狀固有特性的制約，其風阻高達0.8以上（國外最先進的半掛汽車列車風阻系數約為0.50.6），大量的能量白白耗在克服空氣阻力上。國內研究機構試驗證明，鋁鉚接廂式半掛車的風阻系數比廂體為鋼制波紋板的半掛車風阻系數要小9%，可以節油3%。如果將車廂外形設計為流線型（圖8），還可有效減少半掛汽

12、車列車在高速行駛時的空氣阻力，從而能大大降低油耗。3.3 加裝導流裝置在以一般車速行駛時，發動機功率的20%30%消耗于空氣阻力。若車速加快，消耗在克服空氣阻力上的功率則會更大，所以為盡可能地減少空氣阻力，在半掛車前壁應安裝立體導流罩、導流板、側向間隙密封裝置，或者在半掛車側面底部加裝導流裝置（圖9），這可以使半掛汽車列車的空氣阻力減小40%，側風時可減小空氣阻力60%，從而可以大大降低油耗，同時還能提高半掛汽車列車的操縱性、降低噪聲和減輕振動等。圖5 鵝頸式半掛車圖6 凹形結構半掛車圖7 整體承載式半掛車圖8 廂體為流線型的半掛車圖9 側面底部加裝導流裝置的半掛車2008. 08 37技術與

13、產品參考文獻1 龔雨楠.柴油價格飆漲導致重卡用戶收益再次遭遇“滑鐵盧”J.汽車情報,2008.18:1.2 王澤黎.從布里斯班卡車展看我國汽車輕量化的發展趨勢J.專用汽車,2007.7:20-21.3 曹琦.無副車架的重型自卸汽車J.重型汽車,2005.4:16-17.4 周天佑.汽車列車選型與設計M.北京.交通部公路科學研究所情報資料室,1991.5 南方.“陸氏”超低型、大承載新型集裝箱半掛車J.商用汽車,2004.5:59.6 王作函.米其林帶給卡客車用戶的價值J.商用汽車,2007.2:118-119.4 選用優質零部件4.1 選用環保省油輪胎米其林輪胎XZA2+ENERGY系列綠色環

14、保省油輪胎將節能技術充分運用在膠料配方、胎體結構以及胎冠花紋設計上（圖10），在橡膠中加入硅后，輪胎的滾動阻力降低，同時在濕滑路面上的制動距離減少20%，橫向抓地力也大幅度提高，這種輪胎的滑行距離比普通輪胎提高了9.6%，可以節省燃油4%，與斜交胎相比，可以降低30%的滾動阻力，節省6%的燃油；輪胎壽命高，其操控性、輪胎的制動性能和防側滑能力也得以改進6。4.2 寬斷面單輪胎替代傳統的雙輪胎寬斷面輪胎是一種低阻力的低扁平比寬輪胎，見圖11(a)所示，也是輪胎制造商目前大力推薦使用的重載輪胎。國外大量的試驗研究表明，使用寬斷面單輪胎替代傳統的雙輪胎可以減少滾動阻力15%，節油4%。在發達國家，寬

15、斷面輪胎在半掛車上已經應用得非常普遍，但在我國半掛汽車列車上只有極少數廠家應用。中集車輛（山東）公司去年在半掛車上使用了寬斷面輪胎，效果非常好，得到了客戶的贊譽，產品已批量出口。4.3 子午線輪胎替代斜交胎圖11（b）所示的子午線輪胎滾動半徑大，吸收能量少，行駛中胎面變形小，滾動阻力比斜交胎要小25%30%，省油4%10%，見圖11（c）。國外統計數據顯示，由于子午線輪胎滾動阻力減小所節省的燃料費就足以抵償汽車全部輪胎的成本費用，可見其經濟效益顯著。4.4 使用空氣彈簧懸架和空氣懸架提升橋空氣懸掛系統是近年來在半掛車上應用的一項新技術。目前國際主流市場均以空氣彈簧懸架為主，而國內配置空氣懸架的半掛車比例不到3%。與鋼板彈簧懸架相比，空氣彈簧懸架雖然價格高于傳統的鋼板彈簧懸架，但它具有駕駛和操縱舒適、重量輕等優點，有非常好的安全性和燃油經濟性。此外，空氣懸架提升橋技術在國外也是大行其道（圖12），當半掛車在空載或半載運行時，可將空氣懸架中的提升橋提起，以此減小汽車列車的滾動阻力，達到節油和減少輪胎磨損、延長使用