廂式運輸半掛車的研制與開發(fā)

黃燕梅 王廣權(quán) 陳志剛

摘要：我國公路及物流業(yè)的快速發(fā)展促使運輸車輛向廂式化、輕量化方向發(fā)展，經(jīng)過市場和技術(shù)調(diào)研，在廂式運輸半掛車產(chǎn)品的研制中，首次對車架進(jìn)行了有限元分析，并在制動系統(tǒng)中加裝了ABS，通過檢測中心的試驗，驗證了該產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)性及使用可靠性。

關(guān)鍵詞：廂式運輸半掛車 ?有限元 ?ABS

1 概述

隨著我國公路建設(shè)、城市發(fā)展建設(shè)加快，使汽車運輸工具向廂式化發(fā)展成為必然趨勢。在政策上，國家把發(fā)展廂式貨車、普通敞篷貨車的廂式化列入《道路運輸業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》，并制定了一系列優(yōu)惠政策，廂式運輸半掛車將半掛車和廂式車的優(yōu)勢集于一身，有著廣闊的市場需求。

2 技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新點

在我國廂式運輸半掛車屬于比較成熟的產(chǎn)品，在研制該產(chǎn)品的過程中，研究和創(chuàng)新主要集中在以下方面：

2.1 在轎車、客車領(lǐng)域，防抱制動系統(tǒng)（ABS）得到成功的運用，在提高車輛安全性方面，防抱制動系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用，項目組成員全面的研究分析了ABS系統(tǒng)的基本原理、控制方法、工作過程等，在一定程度上解決了在廂式半掛車上加裝ABS系統(tǒng)的難題。

2.2 對于半掛車來說，車架作為主要的承重部件，原來公司開發(fā)的車架最長為13米，用戶的營運效益大大提高。本次開發(fā)的新產(chǎn)品長達(dá)14.6米，車架加長，軸距、承載面積變大，在這種情況下，采取措施確保車架的強度和剛度成為設(shè)計的關(guān)鍵。在設(shè)計過程中，首次采用有限元分析方式，對車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度進(jìn)行應(yīng)力校核，采用輕質(zhì)高強鋼，一方面保證承載能力，另一方面降低自重。

3 研究內(nèi)容

3.1 ZTC9409XXY廂式運輸半掛車車架的有限元分析

車架有限元分析是計算在固定不變的載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從靜力學(xué)、幾何學(xué)、物理學(xué)三方面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。主要按以下幾個步驟進(jìn)行：

3.1.1 車架有限元模型

建立準(zhǔn)確反映車架系統(tǒng)的物理特性的數(shù)學(xué)模型，包括節(jié)點、單元、材料特性及其它一些反應(yīng)車架系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的特性參數(shù)。用三維CAD軟件建立車架的實體模型（見圖1），再通過接口導(dǎo)入有限元分析軟件環(huán)境，采用能較好適應(yīng)不規(guī)則形狀且能滿足一定精度要求的曲棱四面體等參數(shù)單元，單元邊長50mm，建立車架的有限元模型（見圖2）。

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圖1 ?車架實體模型 ? ? ? ? ? ? 圖2 ?有限元模型

材料為BS600MC，彈性模量E=3.2×105Mpa，密度ρ=7.8×106kg/mm3。

3.1.2 模擬彎曲工況

約束條件以車架在使用中的狀態(tài)進(jìn)行，在車架前端牽引板處實施全位移約束，在車架后部鋼板彈簧吊耳處實施Y方向的約束;載荷施加為均布額定承載量，安全系數(shù)為1.2，疲勞系數(shù)為1.5。

3.1.3 計算結(jié)果

通過計算機運算，輸出的結(jié)果如圖3所示：

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圖3 ?彎曲工況應(yīng)力云圖 ? ? ? ?圖4 ?彎曲工況變形云圖

強度特征從應(yīng)力云圖可以看出，車架的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在車架縱梁前端與牽引銷連接點處，[σ]=325Mpa小于材料的許用應(yīng)力;其次是在后橋最前端板簧支架處，最大等效應(yīng)力為200Mpa左右，也小于材料的許用應(yīng)力。剛度特征從變形云圖4可以看出，車架的最大位移出現(xiàn)在車架中部邊框處，μmax≤6.789mm，小于許可位移，其余部分變形較小。

3.1.4 分析

利用有限元對車架做分析，在彎曲工況下，整體的應(yīng)力值和位移值都較小，從強度方面考慮，車架的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，從剛度方面考慮，車架的整體變形很小。通過對車架結(jié)構(gòu)強度和剛度的有限元分析，在保證車架滿足使用要求的前提下，車架材料由原來的Q235變?yōu)锽S600MC，縱梁上、下翼板和腹板的厚度分別由16、16、8mm降為6、8、6mm，最大限度地降低了材料用量，減輕整車自重達(dá)1.5噸左右。

3.2 制動系統(tǒng)設(shè)計

半掛汽車列車在行車過程中的安全狀況能否滿足運行標(biāo)準(zhǔn)，直接影響著道路交通的暢通。與掛車傳統(tǒng)制動系統(tǒng)相比，ZTC9409XXY廂式半掛車最顯著的特點是裝用了科密牌二通道（4S/2K）ABS防抱死制動控制系統(tǒng)。它能夠在制動期間監(jiān)視和控制車輪旋轉(zhuǎn)方向上的滑移程度，防止由于制動力過大而造成車輪抱死（尤其在濕滑及冰雪路面上），從而充分利用地面和輪胎的摩擦力進(jìn)行制動并保持車輛的橫向穩(wěn)定性（有效防止車輛側(cè)滑甩尾）和可操控性。

和常規(guī)車輛相比，該車在制動系統(tǒng)方面具有以下優(yōu)點：

①在緊急制動時保持了車輛的橫向穩(wěn)定性和可操作性，有效防止側(cè)滑甩尾。

②能夠最大限度地利用輪胎附著力，從而保持了最優(yōu)的制動距離。

③能夠避免由于車輪抱死而引起的輪胎磨損。

4 試驗結(jié)果

樣車試制完成后，委托國家工程機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進(jìn)行了可靠性試驗和制動性能試驗，試驗結(jié)果表明：樣車的制動性能安全項目符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 12676-1999《汽車制動系結(jié)構(gòu)、性能及試驗方法》的要求;樣車的汽車防抱制動性能的檢驗結(jié)果符合GB/T 13594-2003《機動車和掛車防抱制動系統(tǒng)性能和試驗方法》和GB 12676-

1999《汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗方法》對B類防抱制動系統(tǒng)的性能要求。經(jīng)過5000km可靠性行駛試驗，無一類、二類、三類故障發(fā)生。

5 存在問題和改進(jìn)意見

目前，掛車設(shè)計的輕量化仍是大勢所趨，在ZTC9409

XXY廂式運輸半掛車的設(shè)計過程中，項目組運用有限元方法對車架進(jìn)行分析計算，采用高強度輕型鋼降低了車輛的自重，探討使用更輕型的材料是以后的研發(fā)方向，如廂體使用鋁合金或玻璃鋼材料的可行性。在制動系統(tǒng)中加裝ABS防抱裝置是一項新技術(shù)，用戶使用起來也會很陌生，售前應(yīng)對用戶就ABS的使用、保養(yǎng)、故障診斷進(jìn)行培訓(xùn)。

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[3]陳貞健.汽車制動防抱死系統(tǒng)（ABS）制動控制過程分析[J].引進(jìn)與咨詢，2004（01）.

作者簡介：

黃燕梅（1973-），女，河北張家口人，講師，碩士，研究方向：數(shù)控技術(shù)及機電控制。