如何减重、提高燃油效率、减少排放并优化车辆的空气动力学性能？商业货运行业的制造商们正不断寻求理想答案。面对这些市场需求，玻璃纤维增强热塑性塑料凭借自身优异且多样化的性能得到了越来越多的应用。

即将实施的燃油经济法规和尾气排放标准对整个汽车行业而言是一项重大挑战。在此情况下，如何降低持有成本成为了商用货车制造公司关注的重点。

事实上，从货车上减去的每公斤重量都能为车队经理和个体业主（运营商）节省燃料成本，或者使他们在合法装载的条件下，运送更多的货物。另一方面，厢形拖车在开放的高速公路上是制动磁铁（drag magnets），改进拖车的空气动力学性能不仅可以节约燃料，还能减少尾气排放，这对由于违规成本而造成破产的案例而言，是一项非常重要的优势。为追求更高的经济效益，货车和拖车车主对设备制造商施压，要求减轻车辆重量并提高燃油效率。面对这些市场需求，复合材料越来越多地走入了人们的视野，它不仅有助于车辆减重，节约燃料，减少排放，还具有优异的抗凹痕性和耐腐蚀性，可减振降噪、减少维护并延长设备的使用寿命。上述这些优势，都会对车主们的最终效益产生直接、积极的影响。

图1 由于即将实施的排放标准和燃油经济法规，车队拥有者和个体业主在减少持有成本方面面临着更大的压力。货车/拖车设备制造商及其供应商将复合材料视为减重、提高空气动力学性能、减少维护及延长长期耐用性的重要途径（图片来自ATDynamics）

打造更轻、更坚韧的厢体

复合材料耐磨带和侧壁/地板衬垫是保护长途拖车金属地板和内壁免受叉车、托盘和货物损坏的有效手段。此外，用复合材料取代拖车上的金属外壳侧壁也成为了一项重要的发展趋势。

Polystrand公司是拖车衬垫、耐磨带和底层地板的材料供应商。通常，该公司的连续纤维增强热塑性塑料（CFRTPs）由单向（UD）玻璃纤维增强热塑性带（以0°或0°/90°方向）制造，并压固成薄的、多层单片片材。这些连续纤维增强热塑性塑料有4~10层结构，可后成型。与金属和热固性复合材料相比，它们能使拖车制造商在不牺牲刚性和强度的条件下，实现减重，并优化产品的耐化学性和耐冲击性。

根据不同的应用，Polystrand公司会酌情采用E玻璃纤维或S玻璃纤维。PPG是一家理想的纤维供应商。

图2 在长途货车/拖车上，新的后减阻系统，如ATDynamics提供的TrailerTail，可提高燃油经济性（图片来自ATDynamics）

对此，Polystrand公司的销售和营销经理Todd Hobbs表示，PPG新的TUFRov 4588 E玻璃纤维能很好地与Polystrand公司的树脂系统相匹配，他对PPG开发的订制化玻璃纤维和浸润剂充满信心。

在生产过程中，Polystrand公司使用专有基体，该基体以聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）或二者的混合物为基础，并采用了一种紫外线稳定剂。当拖车车门长时间处于打开状态时，该材料在长期耐久性和耐候性方面表现出色。Hobbs表示，Polystrand公司也探索了其他基体，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰胺（PA）6等，目前，已经有几个行业的客户正在试用其相关产品。

Polystrand公司生产的片材以大卷的形式供应，其宽度约为3.1m，长度在488~1006m范围内，重量约为1814kg。这些材料由一级供应商或拖车设备制造商对其进行长度切割，并在材料的正面添加一层外观膜。另外，客户还可以在片材的背面添加一层非织造层，以提高其对泡沫的粘附性。

图3 通过单手拉动拖车后面的一根释放线，即可展开TrailerTail系统（图片来自ATDynamics）

另外，TekModo公司CEO Marc LaCounte在报告中提到，该公司与Allied Composite Technologies LLC.合作开发了一系列新产品，用于较小的3~6级货车和商用客车，这些产品中包括热塑性片材。这些热塑性片材采用0°/90°带和PP基体，具有蜂窝或泡沫芯夹层结构，专用于替代拖车地板中的木质材料。据报道，采用这些热塑性片材制造的面板在厚度为28.58mm条件下，即可承受叉车的载荷。

LaCounte表示，两家公司正在开发一种绝缘的热固性夹层复合材料，以替代冷藏车的外侧壁，目前，这些侧壁由双层钢板和一层泡沫芯材制成。TekModo公司称，这种新产品比金属系统轻很多，它采用了一种独特的玻璃纤维增强硅氧烷基陶瓷树脂，具有优异的紫外线稳定性、耐冲击性和不燃性。另外，这种烷氧基陶瓷树脂可采用大量玻纤进行增强，或者被发泡制成轻质绝缘面板。

经济、高效的后减阻装置

针对拖车的空气动力学性能，一种被称为“后减阻装置（也有“尾锥部”、“鲸鱼尾”或“扰流板”等称呼方法）”的系统日渐流行。目前，已有几种商业化、或接近商业化的后减阻装置在长途（美国8级）拖车中得到了应用，它们沿后门顶部和外边缘安装，可帮助空气（扫过拖车顶部和两侧并朝向装置末端）过渡，否则，空气会在这个区域发生旋转，形成稳定的大旋涡，进而增加拖车阻力。

图4 ATS公司可充气的SmartTail后减阻装置刚刚通过了beta测试，并将完全商业化（图片来自ATS公司）

应此市场需求，Advanced Transit Dynamics公司（以下简称“ATDynamics”）开发了一个成熟的系统——TrailerTail。这种复合材料装置于2007年首次推出，如今已在北美地区的13000辆拖车上安装使用。经认证，该系统可产生6.6％的燃油效率收益（节省约0.02美元/km）。另外，基于美国汽车工程师学会（SAE）国际（宾夕法尼亚州沃伦代尔）SAE II型测试，TrailerTail被认可符合2010年加州空气资源委员会（CARB）的规定。鉴于大多数拖车平均每年行驶80467km，有15~20年的使用寿命，ATDynamics表示，这些小的收益积累起来会是一笔可观的数目，且按照当前的燃油价格，该装置使用不到一年即可收回成本。

除燃油方面的收益外，TrailerTail还能提高拖车的稳定性（特别是在变更车道过程中），减少道路喷雾（对拖车后面的车辆而言），并改善拖车后部的可见度和司机的视线。如果没有此装置，在降雨或有暴风雪时，司机会看到拖车后面有旋转离去的云状物。

TrailerTail通过机械连接到每扇后门上，它含有一种“连接的折纸结构（自携式折叠装置）”，该结构在路程为4000万km的测试过程中得到了优化。在美国市场，TrailerTail系统采用的标准面板打开时的深度为1.2m，据报道，这些面板获得了美国交通部（DoT）对长度的限制豁免。这些面板由几家匿名供应商提供的片料（单向玻璃纤维增强PP、PE或两者的混合物）制成。在TrailerTail系统中，ATDynamics削减了用于门顶部和侧部的面板，再搭配另外两个能形成倒V形的、更小的面板（安装在门底部几英尺的位置上），该系统能进一步降低空气紊流。这些面板通过各种金属插销、安装板、弹簧和获得专利的金属摆臂连接到后门，整体结构开放，可以作为一个单元折叠并锁住。

图5 SmartTail的带夹层瓣用一种特殊的柔性热塑性复合材料（PVC树脂浸渍的聚酯织物和面漆可确保瓣的气密性）制成（图片来自ATS公司）

ATDynamics的工程副总裁Jeff Grossmann说：“在设计开发的初始阶段，我们曾考虑采用铝蜂窝和其他夹芯板。但是，当系统关闭时，由这些材料制造的面板会在彼此的顶部发生折叠，产生太多的堆层。而当车门完全打开并固定时，用热固性复合材料或金属蜂窝制成的混合后减阻装置太厚，无法适应门和拖车侧壁之间不足25mm的间隙。如果不寻找新的材料，就意味着我们要对拖车门作出修改。经过潜心研发，由热塑性塑料制成的厚度为3.18mm的面板为我们提供了理想的结构性能，使TrailerTail能在这么多的拖车上得到应用。”

TrailerTail采用的锁和轿车门上使用的锁相似——对释放线进行简单的单手拉动即可展开此装置。该装置自然向外打开，展开的面板有轻微弧度，能增加其刚性。ATDynamics通过计算流体动力学（CFD）分析和风洞测试，完成了对TrailerTail形状和深度的设计。Grossmann解释说：“对于后阻力空气动力学而言，最重要的区域之一是内部第一个1.2m范围内的区域。虽然面板的理想形状应该再长一些，但到目前为止，TrailerTail能够为客户提供理想的回报。为了使面板更长，而花费额外的成本或提高设计、生产的复杂性，并不值得。”

2012年11月，ATDynamics推出了一款更短的后减阻装置，以满足世界其他地区，尤其是欧洲的监管环境。对此，Grossmann表示，虽然这款更短的TrailerTail无法实现和原来1.2m版本相同的燃料效率，但对于某些国际市场而言，它仍是应对效率提升需求的理想选择。

图6 ATS公司还推出了SmartTail系统的修改型号——SmartGap，该系统用于油罐车后部并串联油罐车的第一个油罐和第二个油罐。此系统呈椭圆形或圆形，功能上与厢式拖车上采用的系统非常相似（图片来自ATS公司）

如今，Aerodynamic Trailer Systems LLC.（以下简称“ATS公司”）制造的SmartTail系统成为了TrailerTail的潜在竞争者。该系统正从beta测试向商品化阶段过渡。SmartTail重量约为59kg，设有一个电源控制器和两台鼓风机，其中一台鼓风机用于对系统充气，另一台用于抽真空。SmartTail系统有两个L形瓣，用类似于充气圆顶和挂车侧帘的绗缝聚合物织物制成。每个瓣包含裙板（充气袋），沿拖车后门顶部和外部边缘与铝（keder）导轨（导轨用螺栓固定在门上）安装在一起。这种连接方法消除了瓣在使用过程中脱落的可能性，并使其容易更换。完全充气的瓣从后车门表面逐渐变细至0.9m。目前，一款更短的（0.61m）SmartTail即将开发出来，用于国际市场。

后减阻装置的使用无需驾驶员进行额外操作。当货车达到预先设定的速度时，控制器中的专有算法会命令鼓风机对瓣充气。据报道，如果货车速度≥81km/h，该控制器能通过编程更快地对瓣充气；如果货车以较低的速度（如≥48km/h）行驶，瓣的充气过程则相对缓慢；如果货车有几分钟处于减速、停止或逆转等状态，那么其他真空鼓风机会快速放气，以保持瓣平整，从而确保它们不会阻碍驾驶员打开和固定后门。ATS公司表示，SmartTail系统能将燃油效率提高4%~7%，且无需维护，这些瓣有3年保修期，但据公司预测，它们的使用寿命应该有10年之久。

图7 拖车左侧的裙板外观（上）和内部图（下），此裙板由TekModo公司制造（图片来自TekModo公司）

SmartTail系统中的复合材料聚合物瓣用紧密编织的热塑性聚酯织物成型，此聚酯织物用一种弹性的聚氯乙烯（PVC）树脂浸渍，且顶端用类似聚四氟乙烯（PTFE）的物质涂层，从而赋予了产品优良的气密性。ATS公司首席执行官Jim Domo表示，公司和一些织物供应商花费了大量时间开发原装内胆材料，目前，仍在调整纤维和聚合物以改进该系统，并延长其使用寿命。此内胆材料的最终产品是一种防破裂、抗拉伸、耐穿刺、防水、防漏、阻燃且具有弹性的膜。另外，该材料还要有优良的抗紫外线性、耐化学性和耐收缩性，且防静电、防污，不支持细菌或霉菌的生长。尽管ATS公司不愿透露具体信息，但确实已有供应商购买了织物卷料并外包了一些部件生产。该供应商表示，ATS公司开发的材料具有优良的拉伸强度、撕裂强度及延展性，支持在任何天气情况下充气和排气“无数次”，其面漆有助于织物去除水和冰，在寒冷的天气中也不会有堆积。

Domo在报告中称，如今已有近100个SmartTail系统在道路上使用，并有几个车队对其进行评估。他表示，这些装置在一般的应用中，平均9个月内即可收回成本。

目前，SmartTail的修改版本——SmartGap已推出，它用于油罐车的后部并串联油罐车第一个油罐与第二油罐。该装置的形状为椭圆形或圆形，功能类似于SmartTail。Domo称，ATS公司和加拿大油罐车制造商Advance Engineered Products Group（以下简称“Advance公司”）紧密合作，开发了这个产品。Advance公司将SmartGap后减阻装置作为购买新油罐车的一个选择。

图8 复合材料车顶膜在货车、运畜拖车和公共汽车上得到了越来越多的应用，它能和铝或钢车篷弓连接。半透明的复合材料片材可改善白天车内的能见度并取代较重的热固性复合材料（图片来自 TekModo公司）

在裙板中的应用

复合材料在货车/拖车上的另一个气动趋势是裙板，即面板或侧罩的下方沿拖车长边下垂，位于车轴之间，以减少侧风和车下的紊流。据报道，这种面板可将燃油效率提高6%~7%。过去的裙板多采用铝材料，现在正向热固性夹芯板和增强热塑性片材或夹芯板（与衬垫、底层地板和耐磨带所用的材料类似）转变。

Polystrand公司向裙板制造厂家供应板材。Hobbs说：“在这一领域中，OEM厂商不仅已经学会了如何减重并提高衬垫刚度，裙板也变得更薄、刚性更强，在提高燃油效率方面发挥了重要作用。这个行业竞争非常激烈，所以这些OEM厂商不会说出具体的做法，但如果能有更轻、更坚韧且更快的方法，那么你的产品也会走在前列。”Hobbs预测，未来货运业中空气动力学的设计将主要集中于裙板和尾翼，Polystrand公司将在未来几年内重点发展这两个项目。

TekModo公司提供的裙板是一种薄夹层面板，其内部面层采用了0°/90°的单向带复合材料。这种薄夹层面板的厚度（包括芯材）在3.18~6.35mm范围内，用3M公司的一种耐候且抗紫外线的烯烃膜Primer 94进行保护。该薄膜类似树脂基体，通常为白色。TekModo公司的裙板用定位在保护罩后面和上面的托架及L-支架支撑。支架由弹簧加载，在拖车通过障碍物（如铁轨）时，这些面板能通过弯曲减轻压力，并很快恢复，不会破裂或折断。LaCounte表示，这些面板能抵抗道路上盐、油脂和燃料对其造成的破坏。

提高性能上限

TekModo公司提供的另一种产品是一种新型热塑性片材——CosmoLite。该片材采用聚丙烯/玻纤带（0°/90°）成型，可用于车顶膜。据报道，CosmoLite取代了重且不耐用的热固性玻璃纤维复合材料（不饱和聚酯树脂和连续或无规短切玻璃纤维），可覆盖在货车和拖车的铝(或钢)车篷弓上。传统的玻纤复合材料不够耐用，容易开裂和泛黄。与之相比，CosmoLite具有更高的刚度、且更薄、更耐久，此片材在安装现场成型，使用时只需将粘合剂涂在车篷弓上，然后用平整的片材包覆以适应车顶轮廓并机械固定到位即可。

据报道，与其取代的热固性系统相比，CosmoLite具有更高数量级的冲击强度和更好的紫外线稳定性。此外，它的弯曲半径对不平整的车顶也有更强的适应性。 CosmoLite于5年前推出，目前，有至少30000套在道路上应用，安装该系统的车顶可免维修。

复合材料使货车运输业继续前行

随着更严格的排放标准和燃油经济法规即将实施，设备制造商及其供应商不断尝试在拖车和货车上应用更多、更具创新性的复合材料，以改变商用货运行业的面貌。