工程機械的輕量化，對于減少鋼材消耗以及相應生產(chǎn)、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的能源消耗，降低作業(yè)過程中的能耗與廢氣排放、降低噪聲等都具有直接影響，節(jié)能減耗的潛力巨大。

輕量化設(shè)計的特點

輕量化是一個系統(tǒng)工程，是在綜合考慮重量、性能和成本等因素后的產(chǎn)品創(chuàng)新和優(yōu)化，涉及產(chǎn)品設(shè)計、制造和材料等企業(yè)運作的各個方面。有別于以運輸為主要功能的傳統(tǒng)車輛，工程機械是以工程作業(yè)為主要功能的產(chǎn)品。因此，工程機械的輕量化設(shè)計應該理解為：針對工程機械的特點，通過各種相關(guān)現(xiàn)代設(shè)計、分析和測試技術(shù)，在保證作業(yè)性能、燃油經(jīng)濟性能、成本和安全可靠性等綜合指標的前提下，以降低產(chǎn)品原材料和能源等的消耗、減少環(huán)境污染為最終目的，所進行產(chǎn)品創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計活動的總稱?？傮w而言，工程機械輕量化設(shè)計具有以下兩個特點。

第一，充分了解和掌握工程機械的基本功能和性能是進行輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)。例如作業(yè)性能是工程機械的主要指標，因此在進行輕量化設(shè)計的過程中就要兼顧減重和其他基本設(shè)計要求之間的關(guān)系。以裝載機為例，牽引力和穩(wěn)定性指標均與整機質(zhì)量有一定關(guān)系，因此必須確保一定的整機最小質(zhì)量以保證產(chǎn)品具備較好的牽引能力，這時的輕量化設(shè)計就不能一味地去減少整機或零部件的質(zhì)量，而是要根據(jù)整體的性能要求，合理分配車架、工作裝置等組成部件的減重目標，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局和材料、工藝的選擇，最終得到技術(shù)和成本等協(xié)調(diào)的輕量化方案。此外，建立和完善工程機械各種載荷譜數(shù)據(jù)庫，對于實施工程機械的輕量化設(shè)計和可靠性設(shè)計也是至關(guān)重要的工作。

第二，工程機械的輕量化是一個創(chuàng)新和多目標的綜合優(yōu)化過程。其既是一個結(jié)構(gòu)、材料和工藝的創(chuàng)新過程，也是一個涉及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料選擇、制造工藝選擇，以及成本、可靠性和各種性能參數(shù)的多目標多因素綜合目標的優(yōu)化過程。根據(jù)實際設(shè)計需要和條件，設(shè)定輕量化的目標，選擇相應的方法進行設(shè)計。

輕量化設(shè)計的內(nèi)容

工程機械輕量化設(shè)計的研究內(nèi)容可以分為以下幾個方面。輕量化設(shè)計方法論研究工程機械輕量化是一個系統(tǒng)工程，不同類型的工程機械雖然結(jié)構(gòu)形式、功能和性能指標各異，但是通過研究、總結(jié)和歸類，找出能夠指導多數(shù)工程機械產(chǎn)品輕量化設(shè)計的方法和流程，對于深化和推廣該技術(shù)具有重要作用。

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、配置優(yōu)化和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實現(xiàn)輕量化設(shè)計CAE仿真和優(yōu)化方法是工程機械輕量化設(shè)計的一個常用的、重要的工具和手段， 針對可輕量化的工作裝置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，如裝載機的鏟斗、動臂和搖臂、叉車門架、挖掘機動臂、泵車臂架等裝置，對應力較大、應力集中的部位進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡可能地減少局部應力集中，去除冗余。此外，也可以通過采用性能更優(yōu)、成本更低和質(zhì)量更輕的零部件代替原有零部件，如發(fā)動機、驅(qū)動橋、輪胎等。

新材料的研究和應用

在輕量化材料研究和應用方面，目前，高強鋼、超高強鋼、鋁、鎂等合金新材料及先進成形技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展，如國內(nèi)已開發(fā)出抗拉強度大于1500MPa的承載結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，是當前工程機械上廣泛采用的材料強度的4～5倍，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件輕量化。

評價方法

在工程機械輕量化設(shè)計過程中，要綜合考慮產(chǎn)品的質(zhì)量、成本、性能以及環(huán)境影響等因素，權(quán)衡各因素之間的關(guān)系，得到一個滿意的設(shè)計方案。因此，根據(jù)設(shè)計要求，建立評價指標體系，對輕量化設(shè)計方法進行評價，可以排除人為的主觀隨意性，使相應的方案更加正確、合理、有效。

工藝和試驗驗證等其他支持技術(shù)采用輕質(zhì)新材料與采用新型工藝、新的制造加工方法是相輔相成的，例如多鏈接結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計制造可有效優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少焊接等加工工序，減重效果顯著。同時，在工程機械輕量化過程中，無論是哪個階段都要重視試驗，對試驗數(shù)據(jù)積累和分析，不斷地使用有利的實驗數(shù)據(jù)進行參數(shù)修正，也要重視設(shè)計思路的改變，向自主創(chuàng)新方向發(fā)展。

當前，輕量化已成為包括工程機械行業(yè)在內(nèi)的制造業(yè)的一種發(fā)展趨勢，開發(fā)節(jié)能環(huán)保的綠色工程機械已經(jīng)被越來越多的國內(nèi)工程機械企業(yè)作為核心的發(fā)展戰(zhàn)略之一。對于我國工程機械輕量化設(shè)計等技術(shù)的發(fā)展，一方面，需要根據(jù)市場需求，在繼續(xù)提高可靠性等基本技術(shù)指標基礎(chǔ)上，積極采用和深化對CAE、試驗測試等技術(shù)的研究，努力提升國內(nèi)企業(yè)輕量化設(shè)計、制造等技術(shù)能力；另一方面，隨著再制造、綠色制造等技術(shù)的發(fā)展，以及工程機械也正朝著智能化、多功能化和微型化、大型化、系列化的方向發(fā)展，工程機械的輕量化技術(shù)發(fā)展并不孤立，而與上述這些技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，相互促進。

輕量化現(xiàn)狀速覽

國外工程機械輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

在輕量化材料使用和制造方法方面，國外普遍借鑒材料科學與材料加工科學的研究成果，將高強鋼等新型材料應用于零部件設(shè)計與制造中，在保障強度的基礎(chǔ)上，有效減輕零部件自身載荷，達到輕量化的目的。國外某大型裝載機車架結(jié)構(gòu)、挖掘機箱體等結(jié)構(gòu)選用900～1600MPa高強鋼，采用先進成形工藝和模具技術(shù)，獲得比原先設(shè)計厚度減少40%～50%的新型結(jié)構(gòu)件，質(zhì)量減少40%～50%，同時也提高了強度與可靠性，綜合效應顯著提高。卡特彼勒公司生產(chǎn)的CAT660型自卸車，采用鋁合金駕駛室，美觀、堅固；本田公司開發(fā)的用不銹鋼絲增強的鋁基+鋼絲復合材料，既克服了鋁合金強度比鋼低的弱點，又保持了質(zhì)輕的優(yōu)點，成為質(zhì)輕但強度又高的新型鋁合金材料，用它制作的連桿比鋼連桿質(zhì)量輕30%，裝入1.2L的汽油機，可節(jié)油5%。

國內(nèi)工程機械輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

我國工程機械輕量化設(shè)計興起還是近幾年的事情。國內(nèi)研究機構(gòu)對工作裝置機構(gòu)分析動力學仿真、車架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計等方面先后進行了深入的研究，相關(guān)研究成果也比較豐富。在輕量化支承件、結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)方面，國內(nèi)開發(fā)出高強鋼/超高強鋼零件設(shè)計制造技術(shù)，零件強度可達到900～1600MPa，在汽車制造行業(yè)已逐步推廣應用。工程機械行業(yè)還需要針對工況要求進行分析，開發(fā)大型件的先進成形工藝和模具，預計未來幾年將逐步在行走式工程機械行業(yè)得到廣泛應用。

在輕量化材料應用方面，如2012年中聯(lián)重科開發(fā)的80m碳纖維臂架混凝土泵車，采用了碳纖維復合材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時采用小一級底盤（即60m鋼臂架混凝土泵車底盤）等工程機械輕量化技術(shù)，比同級的鋼臂架混凝土泵車質(zhì)量減輕40%，油耗降低15%，可靠性提高，整車長度短30%，運輸和使用方便。中南林業(yè)科技大學和長沙明賢機電有限公司聯(lián)合開發(fā)的MTH框架式鋁合金混凝土整平機，比鋼材質(zhì)整平機輕便，易于移動作業(yè)。