商用车的质量特征及轻量化评价

董学锋

（中国第一汽车集团有限公司研发总院，长春 130011）

1 前言

产品轻量化是汽车主要发展战略之一，旨在通过一个系统的最小质量，在给定的技术边界条件下实现所需功能，减轻系统质量，提高系统效率，并在整个生命周期内保证系统的可靠性。重型载货车辆每个轮胎的载荷是有限定的，总质量也有标准限制，若总质量不变，降低整备质量，实际上是增加了载质量。假如整备质量降重500 kg，可视为载质量增加500 kg，因此对商用车用户来说，轻量化更有意义。

2 商用车的动力强劲度

商用车、尤其是中重型载货汽车的相关标准，对不同类型车辆的外廓尺寸、车轴数、轮胎数下的允许负荷都有明确的规定和限制，除了车辆的类别与吨位外，商用车用户关注品牌和动力、油耗和运营成本、发动机排量和功率等技术指标。统计分析商用车发动机功率与总质量数据，以车辆总质量为横坐标（X=Gz），以发动机功率为纵坐标（Y=Pe），形成散点图及总趋势线，如图1a所示，图中的P1.0，代表总体的平均线，以此线为基线，分别乘以0.6、0.8、…、1.6，得到P0.6、P0.8…、P1.6，作为动力强劲度分级。视P1.0线为平均水平，本文中车辆强劲度定义是发动机功率与P1.0线上相同总质量的平均功率之比。在P1.0之上越高越强，之下越低越弱，如果选择动力型，需选择动力强劲度高的，从图中可知，个别车辆的动力大于P1.6，在总质量16 t以下的载货汽车中，也有低于P0.6的车辆在售。用一个图表示从总质量1.3～32 t的所有动力，从数据分布看对轻型汽车显然不太合理，放大1.3～5 t的局部区域得到图1b，同理，得到牵引车和自卸车的动力强劲度图1c和图1d，其计算见表1。其中，动力强劲度P=Pe/（aGz+b）。Pe为发动机功率；Gz为总质量。

图1 商用车动力强劲度与分级

3 载货汽车的质量特征

将16 t以下的载货汽车按横坐标X为整备质量、纵坐标Y为载质量进行散点图分析，从图2可以看出，点的集中分布规律有两个特点，一是总质量的恒定集中规律，二是载质量的恒定集中规律。连成图2中4～16 t的斜线族，表现为车辆是按总吨位设计，总质量恒定，载质量为总质量与整备质量之差；总质量与法规和标准直观对应，也方便车辆和道路管理部门。图中的5 t、8 t、10 t等水平线上点，说明设计是按载质量为目标开发的车型。

表1 商用车动力强劲度的计算

图2 载货汽车的质量

如果以车长作为横坐标，总质量作为纵坐标，制作载货汽车的总质量与车长关系图（见图3），对照国家2轴、3轴和4轴载货汽车的总质量和长度标准限制，全部符合。对于大吨位的车辆，基本是按总质量最大化的原则进行设计，车长各有不同，但都没超越法规的限定。

图3 载货汽车质量与车长

总质量＜16 t的载货汽车，用整备质量和载质量的散点形态体现在图2中，按GB 1589《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》，两轴载货车最大允许总质量16 t，如图4中的最下斜线，但驱动轴为每轴每侧双轮胎且装备空气悬架时，最大允许总质量可以放宽到17 t，原因是空气悬架在车架（车箱）与车桥之间，有效减缓了互相之间的冲击，总质量可以增大1 t。

图4 2轴载货汽车的限定

3轴货车如图5所示，按GB 1589最大设计总质量最小限值16 t，最大允许总质量最大限值25 t，当驱动轴为每轴每侧双轮胎且装备空气悬架时，最大允许总质量最大限值可到26 t；在图5的阴影部分是所示区域，其中的点是所对应的中国市场的现有车型，多数在最大限值25 t的控制线上，左上主要是6×2车型，右下主要是6×4车型，显然，同一斜线上的车型，整备质量越靠左上越轻，当然6×2比6×4的要轻。

图5 3轴载货汽车的限定与实际分布

具有双转向轴的4轴汽车，GB 1589中规定重型载货汽车[8×2/8×4]最大允许总质量最大限值是31 t，当驱动轴为每轴每侧双轮胎且装备空气悬架时，最大允许总质量最大限值32 t，最大设计总质量最小限值24 t。图6阴影区域是标准的限定区域，中国的载货汽车空气悬架极少，绝大多数的车型都设计在总质量31 t的边界线上。8×2的车型要比8×4轻，8×2的车型多集中在线的左上部分，8×4的车型多集中在线的右下部分。同一驱动方式时，左上部分自重轻而载重大。

4 商用车的轻量化度与轻量化指数

4.1 商用车的轻量化度

商用车受道路限制，对其尺寸是有限定的，外廓尺寸的最大限值是（12 000×2 500×4 000），设计不能越限。比较与分析认为，商用车的轻量化度用整备质量与总质量比较合适，为此，以总质量为横坐标，以整车整备质量为纵坐标，形成整车质量轻量化度的评价图，本文对轻量化度的定义是被评价车辆的整备质量与同样总质量下的整备质量趋势平均值之比，其意义在于同样的总质量下，如果轻量化度值Ld=1，说明被评价车辆的整备质量处于平均水平，Ld＜1说明比平均值好，轻量化度的值越低越好，即整车整备质量越低越好。

图6 4轴载货汽车的限定与实际分布

图7是中国载货汽车的整备质量与总质量的散点图，将散点图做线性趋势分析得到线L1.0，线L1.0就是载货汽车（包括2轴、3轴和双前轴转向的4轴汽车）的总体平均趋势线，平均趋势线的公式在图中标出，以趋势平均线为基准，分别作倍数0.7～1.3的倍数线，得到一组斜线，这一组斜线基本覆盖了中国载货汽车的全部点，整个线族作为整车轻量化度的刻度线。比如某载货车的总质量是18 175 kg，整备质量9 080 kg，用图中公式Gk0=0.355 9Gz+516.5表示，将Gz=18 175代入得Gk0=6 985，9 080/6 985≈1.3，它的含意是6 985是总质量为18 175 kg的整备质量平均值，即在图中的横坐标轴上，以X=18 175作垂线，以L1.0的交点的y值是6 985，样车的整备质量是9 080 kg，是平均值的1.3倍，轻量化度为1.3。再如总质量为24 595 kg，整车整备质量为9 080 kg时，算出整备质量的平均值是9269.9 kg，从而得到轻量化度是0.98。

图7 载货汽车的轻量化度

从总质量1.3～31 t（涵盖4×2～8×4）用一条评价基准基（这里称混合评价），对于轻型载货汽车稍显粗放，将1.3～4.5 t、4.5～16 t，分开并单独做平均趋势线，得到各自的轻量化度独立评价图，见图8a和图8b。

图8a 载货汽车GZ＜4.5 t的轻量化度

图8b 载货汽车4.5t＜GZ＜16t的轻量化度

用同样方法，基于现在中国牵引汽车的整备质量与总质量形成散点图，图9中含有2轴和3轴牵引车，按驱动型式有4×2、6×2和6×4，如果做一个评价图，同理形成趋势平均线作为基准线（L1.0），扩展轻量化度线从L0.7～L1.3；同样，自卸汽车的轻量化度如图10所示，写成轻量化度的评价公式如表2所示。其中，Ld=Gk1/(cGz+d)。Gk1为整备质量；Gz为总质量。

图9 牵引车的轻量化度

公式表征汽车主要类别车型的轻量化度，分母是与总质量线性相关的平均整备质量。

4.2 商用车的轻量化指数

仅用质量对比表示轻量化度过于简单，考虑车辆外廓尺寸越大整车质量越大，动力越大整车质量也越大，因此纵坐标用车辆密度与功率比来表征，即为整备质量除以车体积（长×宽×高），再除以发动机功率，表示单位功率质量密度，图11为载货车的轻量化指数，用二次函数来求趋势平均线，得图中的线1.0，以1.0线的（0.5、0.75、1.25、1.5、1.75、2.0）的倍数，得其轻量化指数的各个级线。同理得到牵引车和自卸车的轻量化指数图如图12和图13所示，如果写成公式如表3所示。其中，L是汽车轻量化指数；Gz是汽车总质量；Gk是汽车的整备质量；V为汽车体积（长×宽×高）；P为发动机功率。

图10 自卸车的轻量化度

表2 轻量化度的计算

图12 牵引车的轻量化指数

图13 自卸车的轻量化指数

表3 轻量化指数的计算

5 载质量利用系数

载质量利用系数是载质量与整备质量之比，2009年开始，在商用车相关申报中，被当作重要使用性能指标来填写，也是宏观衡量汽车结构合理程度的一项指标。其数值越大，表明汽车设计制造水平越高，使用性能越优越。对载货车的质量利用系数有最小值限定，本文不再说明。

载质量利用系数与汽车部件、总成、结构的完善与精良化程度以及轻质材料的使用率有关，表明了汽车主要材料的使用及轻量化程度，也间接反映了汽车使用经济性。在运输过程中，汽车整备质量将引起非生产性油耗、轮胎磨损以及发动机功率损耗。在总质量和使用寿命相同条件下，载质量利用系数越高，该车型的结构和制造水平就越高，轻量化程度也越好。

整备质量利用系数的提高是现代载货汽车制造技术进步的重要标志之一。除了不断完善汽车结构和制造技术外，降低汽车整备质量的重要途径是利用轻质材料，特别是应用强度高、质量轻的高强度铝合金和复合塑料等。图14是载货汽车的载质量利用系数图，其部分特征线已在图中标示出来。

图14 载质量利用系数

6 结束语

重型商用车基本使用柴油发动机，柴油汽车比汽油汽车排放严重，虽商用车量少，但排量大，所以商用车的轻量化也极其重要，由于对比和评价的相关研究较少，本文在现有质量统计的基础上，提出一种分析方法，建立一个简单标尺，为整车轻量化水平评价提供一个思路，用来表征商用车产品的轻量化程度，商用车品种非常多，文中仅以典型的3种商用车为例进行说明，供参考和讨论，并逐渐完善。