重量-燃料经济方程式

重载卡车燃料消耗背后的物理原理是直截了当的:重载汽车需要更多的能量来加速、保持速度和克服滚动阻力。 从卡车上卸下的每一公斤质量在运行寿命期间都能产生可衡量的燃料节约。 美国能源部认为,重载卡车重量降低10%可以提高大约6-8 % 的燃料经济。 燃料占车队运行成本的30%,这种效率收益直接转化为底线节约。

监管压力在经济之外正在加速轻量级。 美国环境保护局的温室气体第二阶段标准以及欧洲和亚洲的类似任务要求大幅削减商用车辆的二氧化碳排放。 轻量级材料是实现这些目标而又不损害有效载荷容量或性能的最可行的杠杆之一。

高级材料重塑卡车设计

各种创新材料现在都在竞争,以取代传统的重钢组件。 每种材料都提供了在重量、强度、成本和制造能力方面的独特权衡。

碳纤维强化聚合物(CFRP)

发自伦敦 — — 汽车总公司在制造汽车时,其产品在制造汽车时的强度和强度都比钢材的重量低。 发自伦敦的CFRP复合材料的强度和强度都比钢材低50% — — 通常比铝轻50%,比钢材轻70%。 在卡车运输中,CFRP正在寻找其驱动装置结构、引擎罩、悬臂甚至驱动轴。 比如,BMW的i3和i8汽车率先采用了高容量CFRP的应用,重型卡车制造商目前正在为必须承受高疲劳负荷的底盘组件改造类似的技术。

主要障碍仍然是成本:燃料冷却剂原料比钢材贵五至十倍,但是,自动纤维布置和快速贮存环氧系统正在逐步减少循环时间和废料率,使燃料冷却剂在经济上对所选的高容量卡车零件是可行的。

铝合金

几十年来,铝一直是卡车轻量级的主要产品,特别是5xxx和6xxx系列合金。 与钢材相比,铝的重量降低了40-60%,同时保持了极好的防腐蚀性和可回收性。 铝现在在许多卡车驾驶室、燃料箱、轮子和十字成员中都是标准产品。

最近的进步包括高强度7xxxx系列合金(如7075年),这些合金接近钢的强度,可以使悬挂和引导部件更轻但同样坚固。 此外,航空航天中使用的铝合金正用于卡车驾驶室,比常规铝进一步节省10%的重量。

高级高架钢铁(AHSS)

材料科学家们并没有完全取代钢材,而是开发了AHSS分级,在最小重量的判罚下,能产生更高强度. 双相,转化-诱发的可塑性(TRIP)和结对-诱发的可塑性(TWIP)钢材使工程师们能够使用更薄的节路降低成份,同时保持坠机安全和疲劳寿命. AHSS在底盘铁路和交叉成员等成本敏感的结构领域特别有效.

镁合金

镁是最轻的结构金属(比铝轻33%),它吸引了内部组件、输油管道和箱型结构。 然而,有限的可塑性、伽瓦尼腐蚀风险和高昂的成本限制了其使用。 新的稀土无油合金开发和改良的保护涂层正在扩大其潜力,欧洲几家卡车制造商目前正在试验镁合金油锅和导柱支持。

聚体复合物和天然纤维

玻璃纤维硬化聚合物(GFRP)为非结构或半结构部件(如体下板、空气偏转器和内饰)提供了成本较低的“硬化聚合物”替代品。 天然纤维复合物(如大麻、麻和黄麻)由于碳足迹非常低,而且具有竞争力,其重量比例也越来越高。 这些生物复合物已经用于奔驰奔驰汽车和其他欧洲卡车的内部面板。

卡车上的重量减少

轻量级不限于任何单一子系统;最大效益要求采取整体方法。

  • 卡布和机身:[]平滑的面板铝板,CFRP顶,以及塑料门在改进空气动力学的同时减轻重量. 特斯拉半人采用不锈钢板,但采用了创新的轻量框架设计.
  • 机车和悬浮:[]铝制和AHSS框架的铁轨,复合叶弹簧(由亨德里克森等人使用),以及伪造铝制轮子共节省300公斤.
  • 动力列车:[]铝气缸头,镁阀盖,CFRP驱动部件切换旋转质量,既提高燃料节约性,又提高车辆敏捷性.
  • 拖车:铝或复合拖车车体(如大丹峰)和碳纤维地板板可以将拖车重量减少1500公斤,使有效载荷更重或燃料里程更佳。

制造业和成本挑战

尽管有明显的好处,但广泛采用轻质材料面临着若干障碍。 首先,原材料成本仍然高于传统钢材,尽管量产和工艺创新正在缩小差距。 其次,制造工艺如CFRP的铺设、高强度铝的快速形成以及加入不同金属需要资本密集型的再加工。 第三,修理和再循环更为复杂:碳纤维部件通常无法焊接,聚合物复合材料比金属更难回收。

能源行业正在通过协作应对这些挑战。 比如,美国能源部轻量级材料联合体[(LightMAT)资助了对成本较低的碳纤维前体、先进结合技术和可回收热器树脂的研究。 同样,[美国国际协会()也公布了商业车辆铝结构粘合的建议做法。

未来地平线:纳米材料、生物合成和三维打印

下一代轻质材料将进一步推进边界。 碳-纳诺图贝-强化聚合物和石墨烯-强化涂层等纳米材料在最小重量下保证了极端强度。 尽管在实验室规模开发中,早期研究表明,即使增加0.1%的石墨烯,其抗拉强度也能比某些聚合物的抗拉强度高一倍。

生物合成物也在不断演变。 Fraunhofer研究所的研究人员正在利用造纸厂的废物开发使用含铅的碳纤维,这些纤维在十年内可以使主流卡车部件负担得起碳纤维。

添加型制造(3D打印)可以实现复杂、地形优化的几何美图,在改善结构性能的同时降低重量。 已经,Daimler卡车等卡车的OEM使用3D ⁇ 印铝和聚合物括号、空气管道,甚至金属制动卡路里。 随着打印机的更快化和物质选择的扩大,许多节重部件将直接生产,而不需要模具。

世界收养和船队福利

舰队已经看到轻量级的好处。美国卡车协会的一项研究估计,使用铝和复合部件的典型的8级卡车可以将其重量减少2 500公斤,每年节省的燃料超过7%——大约为3 000公升柴油,这在十年的寿命里,大约相当于燃料成本的降低(按美国目前的柴油价格计算)30 000美元。

沃尔沃卡车公司在FH和VNL驾驶室中使用铝,VNR电气公司将碳纤维电池封装起来,PACCAR(Kenworth和Peterbilt)提供轻量级包件,并配有铝轮、复合罩和高强度钢架。 最近揭幕的特斯拉·塞米公司采用了一个完全加压的电池包结构,作为底盘铁路双倍,消除了数千公斤的常规框架重量。

结论

轻量级材料不仅仅是一种趋势,也是卡车业遵守排放条例、控制运营成本和达到可持续性目标的必要条件。 从高级钢铁和铝合金到碳纤维复合材料和新兴生物纳诺材料,选择的调色板继续扩大。 尽管成本、制造和报废回收方面的挑战依然存在,但协调研究和整个行业的投资正在稳步克服。 接受轻量级和空气动力优化卡车的车队运营商们今天将最适合燃料效率高、低碳的货运未来。