新材料在重型卡车轻量化中的应用

王庆国　王凯　赵飞

摘 要：对载重汽车来说，减轻自身质量不仅降低油耗，还提高了有效载重量，从而提高运输效率，降低运输成本。实现重卡轻量化是一个系统工程，是在保证强度和安全性的前提下，使用新材料、结构优化、新技术等实现整体轻量化。本文从新材料的角度出发，提出重卡轻量化在材料方面的应用方向。

关键词：重卡；轻量化；新材料；应用研究

随着用户对整车载货量提出了更高的要求，各大重卡整车厂开始将整车降重作为重点工作目标，在重卡轻量化过程中，以铝、塑代钢技术开始发展起来，但进展缓慢，其重要原因是以铝、塑代钢并不仅仅意味着材料的替换，还意味着汽车的设计、加工、装配各个环节都必须进行大幅度的更改变动，因而风险很大。另外，顾客在车辆采购中的话语权越来越重要，重卡的安全性越来越受到重视。所以，为了赢得市场，重卡轻量化任重道远。

1 高强度钢铁材料应用

在轻量化概念提出之前，钢以其卓越的性能占据重卡部件。基于法律法规及环境需求等因素，相关车企在不断进行产品提档升级。重卡的轻量化，以高强钢为方向，在提高钢板强度保证安全性的前提下，降低板材厚度来实现减重。目前，高强度钢在重卡上逐渐广泛使用，包括首钢研发的重型矿车轻量化设计和先进高强钢开发应用、北京航空航天大学开发的高强度轻量化钢制半挂车厢、车架等，增加了构件的变形抗力，提高了能量吸收能力和扩大了弹性应变区，应大力提倡在重卡上运用高强度钢。

2 有色合金材料应用

2.1 铝合金

铝的密度约为钢的 1/3，是应用最广泛的轻量化材料。变形铝合金指铝合金板带材、挤压型材和锻造材，在重卡上主要用于车身面板、车身骨架、车轮和悬架系统零件等。铝基复合材料密度低、比强度和比模量高、抗热疲劳性能好，但在重卡上的应用受到价格及生产质量控制等方面的制约，还没有形成很大的规模。

2.1.1 铝合金货箱

目前，我国“轻量化”卡车研发和生产取得重大突破。像传统油罐车运营效益低、能耗高、易腐蚀且回收价值低、安全性能差。轻量化油罐车采用高强度、高延伸率铝板，一次包罐成型，自重轻、安全性能好、油品运输质量有保障，能显著提升经济与社会效益。同时，厢式车、苍栅车、半挂车等不同产品系列也广泛使用铝合金。

2.1.2 铝合金油箱（见图一）

随着工艺的不断进步，很多大货车开始配备铝合金油箱，铝合金油箱可以很好的防止油箱内部产生污垢损坏燃油系统，外观上不需要喷漆涂装，银色外观简洁美观，不仅使生产工艺简化了喷涂这一过程，同时银光闪闪的外表更容易让用户接受。相比铁质材料，铝合金材质本身延伸性更好，碰撞时不易破裂。

2.1.3 铝合金车轮（见图二）

锻造铝合金车轮未来将成功引领商用车车辆轻量化发展趋势，[1]由于铝合金突出的优点，重型货车轮毂也开始使用铸造铝合金材料。在国外，美国高速公路上 90%的运输车辆都是锻造铝合金车轮，与普通轮毂相比，铸造铝合金轮毂具有散热性好，质量轻等一系列优点。经过多年的推广，铝制车轮开始在国内运输车辆上得到应用，这将全面引领商用车车辆轻量化时代的到来。

2.1.4 铝合金鞍座（见图三）

据了解采用铝合金材质的鞍座在满足载荷需求的条件下能减重 40多公斤，还运用了无润滑油技术手段，适用于油罐车、散装运输挂车、多式联运、饮料及冷藏车运输。铝合金鞍座的价格相比常规鞍座来说成本将要上升，价格要高出 30%左右，仍是推广阶段，并没有大面积的使用。

2.1.5 铝合金制动鼓（见图四）

在不同的载重，速度，温度，环境和高持久性的条件下，刹车系统使用的材料应该有稳定和信赖的摩擦和抗磨性能。目前，重卡使用的制动系统多为鼓式制动器，制动鼓材质为灰铁，因其材料的固有特性，常有鼓裂、破损现象，售后失效索赔较高。铝基复合材料和传统的灰铁相比，有更低的密度和更高的导热率，可有效减少因制动过程产生的摩擦热量累积，同时具有良好的耐疲劳性能和耐磨损性能，从而提高了机动车的行驶安全性。处于研发阶段。

2.2 镁合金

镁合金具有与铝合金相似的性能，但是镁的密度更低，是当前最理想、重量最轻的金属结构材料。经过镁合金技术研究，突破了大型复杂镁合金铸件在汽车上集成应用的技术瓶颈，成功开发了变速器壳体、气缸盖罩、气缸盖前端盖、曲轴后端盖、转向盘等镁合金零部件，Neale等人采用重量轻的镁金属制作电池壳箱，能够有效减少运载自重，以避免在行驶过程中消耗掉不必要的能量。[2]但其铸造性差，成本高，重卡行业用量极少。

3 塑料和复合材料

3.1 塑料材料

重卡对外饰件中塑料制品的要求很高，在国内的各大重卡车品牌之中，欧曼是将塑料材料应用于外饰件最早的汽车厂商之一。而其他重卡品牌在这方面的关注和应用相对滞后，直到随着钢材、柴油等原材料本钱和使用材料本钱的不断进步，国家对超载的严查，以及用户对整车载货量提出了更高的要求，各大中、重卡车整车厂开始将整车降重作为重点工作目标，才有效改善了塑料材料在重卡车外饰件的应用现状，进而使得塑料材料在重卡车外饰件的应用得到了长足发展。

3.2

复合材料

3.2.1

玻璃纤维复合材料

玻璃纤维复合材料具有不可比拟的物理机械性能：制件不易变形，机械性能与热变形温度较高，耐化学药品性优，且价格较低，制品外观质量上更佳等。玻璃纤维复合材料自问世以来，主要用于汽车制造业。在美国，所有的卡车驾驶室都用复合材料制成，其中主要是玻璃纤维复合材料。在国内，玻璃纤维复合材料在汽车领域也得到了广泛的应用。其应用场合包括：车身表面覆盖件、结构与半结构部件以及发动机内部件等。

3.2.2 碳纤维复合材料

碳纤维复合材料，具有低密度、高强度、抗冲击、耐疲劳、耐腐蚀、耐高温、可设计性好及零部件一体化等性能优势，成功应用在汽车领域。车用碳纤维复合材料可用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件，能在减轻汽车重量的同时达到节能省源的效果。 2012年 11月 6日，我国首辆全碳纤维自卸车面世，开创了全碳纤维复合材料在国内重卡货箱上应用的先河。[3]

3.2.3 玄武岩纤维

玄武岩纤维是我国四大高性能纤维之一，是以纯天然火山岩为原料在 1450℃～ 1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，是碳纤维的低价替代品，具有更高的强度和弹性模量。用玄武岩粗纱制成的消音器、玄武岩织物制成的防火、隔热和隔音材料和其它车辆内饰部件，在重卡行业中有着良好的应用前景。[4]

3.3

其他轻量化材料

3.3.1

橡胶材料、精细陶瓷材料

橡胶材料在重卡上降重主要表现在真空胎和超宽胎上。真空胎取消了内胎组件，轮辋的结构也相应减少。超宽胎具有低成本、自重轻、耐磨损和低油耗等优点，还可以提高行驶稳定性、避免双轮胎的“吃胎”现象。

精细陶瓷材料是汽车领域新兴材料，目前应用在重卡上的实例还不多，在制动材料方面，将来会较多地得到运用。

3.3.2 聚双环戊二烯

聚双环戊二烯是一种新型热固性工程塑料，具有卓越的抗冲击性、优异的耐化学腐蚀性、耐候性、密度低等特性，是理想的轻量化材料，用作汽车零部件，如保险杠、缓冲板、仪表板、挡泥板等，在重卡上推广阶段。

4 结束语

重卡作为汽车的一个种类，与我们生活关系密切，节能减排、绿色环保低碳生活的逐步树立和深入人心，将会促进新材料在重卡上运用，实现重卡轻量化。但由于成本问题，很多新材料很难突入到实际生产上，只能停留在实验室阶段。希望随着对新材料的不断研究和发现，新材料在重卡行业的发展速度达到质的飞跃。

参考文献：

[1] Jianping Ticha. 《2012年中国公路货运产业发展报告》.

[2]Neale R. Neelameggham. The use of magnesium in lightweight lithium-ion battery packs[J]. Journal of Materials， 2009， 61

（4）：58～60.

[3]魏龙 .我国首辆全碳纤维自卸车面世 [J].汽车与配件，2013（1）：98-99.

[4]胡显奇，申屠年 .连续玄武岩纤维在军工及民用领域的应用 [J].高科技纤维与应用，2005（6）：7-13.