苏卫锋 王锟 付宏卫

摘 要：随着国家对治超力度的不断加大，“计重收费”的大环境下，半挂车轻量化也越来越受到重视和关注，“减重”成为当下专用汽车研究的热点之一。通过优化车辆结构设计、应用新材料，尽可能降低车辆重量，达到减重、降耗、节能环保、安全的目的。本文为轻量化半挂车设计者提供了参考，可减少设计中问题的发生，提高产品的合理性。

关键词：半挂车 轻量化 高强度钢 复合材料 减重设计

1 引言

在公路运输中，半挂车有其他运输方式所不具备的灵活、安全、简便的优势，已经发展成为我国重要的物流运输模式。随着我国对超载运输的严厉治理和油价上涨的压力加大，半挂车朝着轻量化、大容积、专用化、节能化方向发展。半挂车轻量化一直是行业追求的目标，追求轻量化的脚步从未停止。首先来看半挂车减重后所带来的经济效益：车辆每年按行驶20万公里，运费0.4元/吨计算，半挂车车每减重100kg可带来的收益为：

0.4×0.1×200000=8000元。

研究表明，汽车所用燃料约60%消耗于汽车的自重，汽车的质量每减轻100kg，每公里的燃油消耗减少0.4L-0.8L，CO2排放量也相应减少。

那么什么是半挂车轻量化，该怎么轻，下边从以下几方面进行简单论述。

2 车型选择

（1）选对车型是轻量化的基础，很关键，这就需要用户根据运输货物的不同类型来选择所需的车型。如运输煤炭、铁粉等一般选择仓栅半挂车，运输箱包货一般选择鹅颈或厢式半挂车，运输钢卷、盘圆选择低栏板半挂车等。

（2）车辆长度的选择，货物类型确定后，选择合适的车辆长度也很重要，一般用于煤炭运输的车辆长度选择在11米-12米之间较多，而运输箱包货车辆一般选择长度13米-13.75米。车辆长度增加，重量必定随之增加，运输货物就相对减少，收益也会减少。拿11米仓栅半挂车与12米仓栅半挂车对比重量增加300-400kg左右。

3 半挂车相关配置及设计

在确定好具体车型之后，首先要考虑用户的使用环境、工况等。如经常跑国道还是高速，在考虑配置上也有较大差别。高强度钢可以制造半挂车车架、车厢、悬架等，根据经验法则，应用高强度钢的半挂车重量可以减轻25%-30%，通常可减轻28%。不过高强度钢在应用时会存在一些问题随着强度的增加，冲压性能变差、回弹量大、尺寸难以控制、容易引起皱开裂，焊接时需要注意选用适合的高强度焊丝。

3.1 半挂车大梁的设计

半挂车的大梁称之为半挂车的“脊梁”，是车辆的重要承重部件，连接着各个主要总成，承受着复杂空间力系的作用。一般车架应具有足够的强度、合适的刚度，在保证刚度和强度的前提下重量最轻，以及结构应尽量简单等。现目前行业用的较多的是“工字”型大梁结构，由上翼板、腹板、下翼板焊接而成，该结构具有承载能力强、不易变形的特点。也有采用“[”型结构大梁，不需要焊接，采用冲压成型，该结构与“工字”型大梁相比重量轻、制作简单、制造成本低的优点，不过承载能力不如“工字”型大梁，适用于标载运输。根据等强度理论设计变截面大梁，也可有效降低大梁的重量，减少应力集中，提高大梁使用寿命。半挂车大梁也可采用热轧汽车大梁专用H型低合金高强钢，既能减轻自重，又能缩短加工制造周期，降低生产制造成本。大梁类型确定后，接下来要确定大梁的高度及上下 翼板、腹板的厚度，一般标载车型大梁高度在450mm-480mm左右，大梁越高承载能力就越强。材质一般选择700L、980等高强度钢材，可减少上翼板宽度和腹板厚度，也可以在大梁上增加减重孔等达到轻量化的目的。

3.2 半挂车上箱的设计

采用高轻度钢箱板可减少箱板材料厚度，增大花栏间距、采用立柱压筋结构增加立柱强度降低重量等。

4 半挂车相关零部件的设计与选择

4.1 轻量化零部件的选择

附件如侧防护、工具箱、储气筒、轮辋、支撑装置等可选用铝合金材料。整车预计重量可减轻300kg左右。若选择使用6条大单胎（425/65R22.5），需选择加宽车桥，与配备12条12R22.5真空胎相比，重量可减轻500kg左右。缺点在于配备大单胎后车辆轮胎承载能力相对于12R22.5真空胎有所降低，使用于标载运输。

4.2 复合材料的应用

根据需要箱板可选用复合材料来替代传统的钢板材料，一般復合材料多用在厢式半挂车上，常用的蜂窝板结构复合材料，与传统的木夹板结构对比，蜂窝芯板可以降低厢式车35%的侧板重量，换算过来每平方米侧板可降低重量5kg，整车侧板可降重360kg。用复合材料单片板簧（聚氨酯基体树脂玻璃纤维增强板簧）主要成分为增强纤维和树脂材料，来替代传统钢板弹簧板簧都可以达到减轻车辆重量的目的。

为了降低自重，欧洲的厂家可以说是想尽了办法，就连价格昂贵的的碳纤维材料都开始应用了。BPW展出了碳纤维材料的车桥，相比传统的钢制车桥，碳纤维车桥可有效降低自重。除了BPW，早在2014年的汉诺威车展上，SAF也曾展示过碳纤维车桥。可以看出，碳纤维车桥在今后车辆轻量化上也将是一大发展方向。碳纤维材料是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料，其强度高于超高强度钢2倍以上，比铝轻30%，比钢轻50%，强度是钢的7-9倍，被称为“轻量化材料之王”，其轴向强度和模量高，密度低，无蠕变，热膨胀系数小，抗疲劳，耐腐蚀。不过价格较高，相信随着碳纤维行业不断成熟与发展，以及节能减排和汽车轻量化大方向的指引，碳纤维材料或称为汽车“瘦身革命”的领导者。

4.3 空气悬架、碟刹桥的应用

随着GB 7258-2017《机动车运行安全技术条件》2018年1月1日起的实施，标准7.2.6要求：汽车（三轮汽车除外）、摩托车（边三轮摩托车除外）、挂车（总质量不大于750kg的挂车除外）的所有车轮应装备制动器。所有专用校车和危险货物运输货车的前轮和车长大于9m的其他客车的前轮，以及危险货物运输半挂车、三轴的栏板式和仓栅式半挂车的所有车轮，应装备盘式制动器。危险品货物运输半挂车2019年1月1日实施，三轴栏板、仓栅式半挂车2020年1月1日实施。其中，9.4要求：总质量大于或等于12000kg的危险货物运输车的后轴，所有危险货物运半挂车，以及三轴栏板式、仓栅式半挂车应装备空气悬架。以上要求于2020年1月1日起实施，这就意味着用户在购买普通三轴栏板式、仓栅式半挂车购车成本将增加5-6万元。整车在装备盘式制动器、空气悬架后车辆重量与钢板弹簧悬架加毂式制动器车桥重量几乎相当，优势在于空气悬架的减震舒适性比钢板弹簧悬架要好，盘式制动器比毂式制动器散热性能、制动稳定性好，维修保养简便等优点，提升了整车的行车安全性，可减少超载的发生。盘式制动车桥与标准13吨毂式车桥相比单根轻约30kg，三轴车辆可减重约90kg。特别需要注意的是，半挂车配备盘式制动器时，要求牵引车要配置缓速器，且禁止加装淋水器进行喷水（高温制动盘急冷易开裂导致制动失灵）。水箱加水后重量在600kg左右。

5 全铝合金半挂车

由于铝合金具有一系列优良特性，如密度小、质量轻、强度高、弹性好、抗冲击性能好、耐腐蚀、良好的加工成型性以及高的回收再生性等，在欧美，74%为铝合金半挂车，在日本路合金半挂车的市场份额甚至达到90%以上。铝合金半挂车使用寿命可达10年，可多创收150万-180万。在我国铝合金半挂车较多的是罐式车辆，如液罐车，厢式车等。由于价格、运输货物受限等原因，在仓栅式、栏板式半挂车用全铝结构的较少，不过随着用户的认识的提高，全铝合金半挂车必定是未来的发展趋势。

6 承载式结构半挂车

目前国内的半挂车基本上采用的非承载式挂车，通俗的讲就是有车架（大梁）的挂车，而在欧洲，像冷藏车或者一些厢式半挂车多数采用的是承载式结构。这种承载式挂车没有贯通的车架，挂车的底部就相当于车架，因而没有车架，所以这种承载式挂车重量更轻，当然，这种挂车的生产技术要求会更高。

7 结语

半挂车轻量化是一个系统工程，是为了为用户创造更大的经济效益，作为一名设计人员，不能一味的追求“轻量化”而牺牲了车辆的安全性，在设计前期一定要做好充分的论证，做好市场调研，避免后期问题的发生，因为“轻量化”并不一定轻。

参考文献：

[1]江海涛，唐荻，米振莉.汽车用先进高强度钢的开发与应用进展[J].钢铁研究学报，2007，19（8）：1-6.

[2]汽车工艺与材料，2009，（4）：15-17.

[3]徐达，丛锡堂.专用汽车构造与设计.北京：人民交通出版社，2008.

[4]王望予主编.汽车设计（第3版）.北京：机械工业出版社，2000.

[5]GB  7258-2017.机动车运行安全技术条件.