半掛車車架開裂問(wèn)題及優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

于林濤

（山東陽(yáng)谷飛輪掛車制造有限公司，聊城 252300）

1 半掛車車架的組成結(jié)構(gòu)以及遇到的問(wèn)題分析探討

1.1 新型半掛車的車架結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)的車架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用效率較低，傳統(tǒng)半掛車在拉貨運(yùn)輸過(guò)程中，很容易出現(xiàn)車架開裂的情況，給車主和司機(jī)造成了很大困擾，大大降低了車輛使用效率。隨著我國(guó)車企制造業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)半掛車車型在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定改裝，結(jié)合車輛使用者的感受和市場(chǎng)使用情況，進(jìn)行了最新的設(shè)計(jì)，決定采用邊框式設(shè)計(jì)，對(duì)車架的組成部分，縱梁、橫梁、邊梁、支撐梁等部分進(jìn)行了整改，目的是為了使車輛車架更加輕量化，提高車輛行駛靈活性和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不會(huì)縮減車輛原有的尺寸和結(jié)構(gòu)，而是主要針對(duì)車架使用的材料材質(zhì)進(jìn)行一定的提升，使用強(qiáng)度更高的高強(qiáng)度鋼，除此之外,對(duì)車架的縱梁進(jìn)行了一定整改，厚度都在原有基礎(chǔ)上下降3mm左右，使半掛車車架更加輕量化。

1.2 半掛車在運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)的開裂問(wèn)題

現(xiàn)在市場(chǎng)上承擔(dān)大宗商品運(yùn)輸行業(yè)的大部分半掛車，都是在新設(shè)計(jì)理念下生產(chǎn)制造出的新型半掛車輛，但這些車輛在市場(chǎng)貨物運(yùn)輸過(guò)程中，逐漸發(fā)現(xiàn)了一些質(zhì)量問(wèn)題。有很多半掛車司機(jī)反映，半掛車在運(yùn)輸途中車架會(huì)不斷出現(xiàn)裂紋，有的半掛車車架質(zhì)量問(wèn)題更嚴(yán)重，車架的鵝頸部位出現(xiàn)了斷裂情況，不但嚴(yán)重影響了半掛車運(yùn)輸任務(wù)的順利完成，更重要的是時(shí)刻威脅司機(jī)和車主的財(cái)產(chǎn)生命安全，長(zhǎng)此以往，對(duì)我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展十分不利。

2 半掛車車架有限元模型中網(wǎng)格劃分的方法

半掛車車架設(shè)計(jì)可以利用相關(guān)的有限元處理軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，針對(duì)車架每個(gè)部位都可以進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬操作，如果是對(duì)于縱梁、橫梁、邊梁、支撐梁等部位進(jìn)行模擬操作，我們可以將其參數(shù)都設(shè)計(jì)為10mm，目的是保證有足夠的計(jì)算精度。如果是對(duì)于鋼板彈簧進(jìn)行模擬操作，通過(guò)軟件的精密計(jì)算，調(diào)整彈簧的彈性模量強(qiáng)度大小，確保軟件模擬操作中彈簧的剛度和實(shí)際車架鋼板的彈簧剛度一致。新型設(shè)計(jì)理念的半掛車，車架一般采用T7001高強(qiáng)度鋼材料，其彈性模量E取值2.06E6MPa，泊松比?取值0.29。

3 對(duì)車架自由模態(tài)操作演示

半掛車在承載運(yùn)輸貨物過(guò)程中，車架會(huì)出現(xiàn)不同的激振頻率范圍，處在不同振源的振動(dòng)對(duì)車架的影響效果不同，如果位置較遠(yuǎn)，車架受到的振動(dòng)影響較弱。根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)表明，車架受到影響的效果除與激振頻率相關(guān)外，還與激振力的分布位置有很大關(guān)聯(lián)性。所以，對(duì)車架頻段的計(jì)算，應(yīng)綜合考慮各方面的因素，比如，車輛在路面的行駛速度快慢、路面條件狀況如何、車輛其他部位的情況等，綜合各方面的影響因素，分析研究選擇0～100為自由模態(tài)分析的計(jì)算頻段。

4 車架剛性力度的分析

半掛車車架的剛度水平在很大程度上影響半掛車整體的質(zhì)量水平，對(duì)于半掛車車架剛度參數(shù)和作用的研究，需要設(shè)計(jì)人員引起足夠重視。對(duì)于車架強(qiáng)度的分類標(biāo)準(zhǔn)有很多，剛度分類最重要的是車架彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩種，需要利用相關(guān)的模擬操作計(jì)算出半掛車車架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的臨界條件。

4.1 半掛車車架彎曲度方面的探討

在對(duì)半掛車車架的彎曲剛度進(jìn)行分析時(shí)，需要先將車架按縱梁與地面成垂直狀態(tài)，進(jìn)行投影，將投影點(diǎn)互相連接構(gòu)成簡(jiǎn)單的支梁結(jié)構(gòu)圖，然后在結(jié)構(gòu)圖中第一條邊和第二條邊分別施加一個(gè)垂直向下的力，這樣車架就會(huì)發(fā)生彎曲變形。

車架彎曲剛度如式（1）所示。

式中，CB為彎曲剛度，N·mm；F為集中載荷，N；a為軸距，mm；f為載荷作用點(diǎn)處的擾度，mm。

利用計(jì)算公式，我們可以對(duì)結(jié)構(gòu)車架的有限元結(jié)構(gòu)模擬法進(jìn)行合理分析，通過(guò)計(jì)算可以得出車架的彎曲剛度臨界點(diǎn)為CB=8.88E13N·mm，與傳統(tǒng)半掛車的車架彎曲剛度相比，下降了40%。從上述計(jì)算過(guò)程中，我們可以分析得出，半掛車的車架抵抗由各種因素引起的彎曲力度的能力是較弱的，在載貨運(yùn)輸過(guò)程中非常容易發(fā)生彎曲斷裂問(wèn)題。

4.2 半掛車車架扭轉(zhuǎn)剛度方面的探討

半掛車車架的剛度水平在很大程度上影響著半掛車整體的質(zhì)量水平，對(duì)于半掛車車架剛度參數(shù)和作用的研究，需要設(shè)計(jì)人員引起足夠重視。我們可以先將半掛車前車架左邊縱梁上的著力點(diǎn)進(jìn)行垂直投影取得一點(diǎn)，然后將半掛車前車架右邊縱梁上的著力點(diǎn)進(jìn)行垂直投影取得一點(diǎn)，最后在半掛車后橋車的垂直倒影點(diǎn)上施加一個(gè)垂直向上的載荷，半掛車車架就會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，扭曲剛度如式（2）所示。

式中，CT為扭轉(zhuǎn)剛度，N·m；F為集中載荷，N；L為力臂，mm；h為載荷作用點(diǎn)處的擾度，mm。

利用計(jì)算公式，我們可以對(duì)結(jié)構(gòu)車架的有限元結(jié)構(gòu)模擬法進(jìn)行合理分析，通過(guò)計(jì)算可以得出車架的扭轉(zhuǎn)剛度臨界點(diǎn)為CT=1.23E8N·mm，與傳統(tǒng)半掛車的車架彎曲剛度相比，下降了40%。從上述計(jì)算過(guò)程中，我們可以分析得出，半掛車的車架抵抗由各種因素引起的扭轉(zhuǎn)力度的能力是較弱的，在載貨運(yùn)輸過(guò)程中非常容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)開裂問(wèn)題。

5 針對(duì)半掛車的開裂問(wèn)題，提出相應(yīng)的優(yōu)化解決方案

上文已經(jīng)從半掛車的使用現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)闡述，并對(duì)半掛車運(yùn)輸過(guò)程中容易出現(xiàn)的車架開裂問(wèn)題以及原因進(jìn)行了充分分析?，F(xiàn)在，我們可以針對(duì)上述半掛車運(yùn)輸遇到的問(wèn)題，提出相關(guān)的合理解決意見。針對(duì)半掛車開裂問(wèn)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，如下所述。

5.1 第一種優(yōu)化方案

半掛車在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中，車架的彎曲剛度是比較脆弱的，車架抵抗車架彎曲的能力也比較弱，需要注意的是車架鵝頸處，這個(gè)部位是受力程度最嚴(yán)重的部位，需要引起足夠重視。所以，需要針對(duì)車架鵝頸處這一特性，加強(qiáng)該部位設(shè)計(jì)質(zhì)量，對(duì)鵝頸處的腹板參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)提高，確保車架鵝頸處抗彎曲剛度能力水平，避免車架在運(yùn)輸過(guò)程中頻繁出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

5.2 第二種優(yōu)化方案

半掛車在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中，車架抵抗車架彎曲的能力也比較弱，為避免車架在行駛過(guò)程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中增加折彎板和腹板以及下翼板的相關(guān)參數(shù)，確保局部抗彎曲的能力較強(qiáng)，避免車架在運(yùn)輸過(guò)程中頻繁出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

5.3 第三種優(yōu)化方案

直接有針對(duì)性地提高半掛車車架兩側(cè)和腹板以及上下翼板的相關(guān)參數(shù)，這樣就可以全面提高車架的彎曲剛度以及車架抗彎曲能力水平，將半掛車車架行駛過(guò)程中遇到的各種作用力，分層次、分部分地化解到車架的各個(gè)部位。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)半掛車車架的自由模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等方面進(jìn)行深入分析與研究，主要分析半掛車車架開裂的根本原因，并針對(duì)半掛車出現(xiàn)開裂的原因，提出三種優(yōu)化方案?？梢愿鶕?jù)半掛車車輛狀態(tài)和行駛的路線情況，對(duì)比進(jìn)行分析，選擇一種最佳的優(yōu)化方案，提高半掛車整車的性能，避免車架開裂危害司機(jī)生命安全。