半掛車車架開裂問題及優(yōu)化設計探討

于林濤

（山東陽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)比較復雜，使用效率較低，傳統(tǒng)半掛車在拉貨運輸過程中，很容易出現(xiàn)車架開裂的情況，給車主和司機造成了很大困擾，大大降低了車輛使用效率。隨著我國車企制造業(yè)的不斷發(fā)展，對半掛車車型在原有基礎上進行了一定改裝，結(jié)合車輛使用者的感受和市場使用情況，進行了最新的設計，決定采用邊框式設計，對車架的組成部分，縱梁、橫梁、邊梁、支撐梁等部分進行了整改，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。在設計過程中，不會縮減車輛原有的尺寸和結(jié)構(gòu)，而是主要針對車架使用的材料材質(zhì)進行一定的提升，使用強度更高的高強度鋼，除此之外,對車架的縱梁進行了一定整改，厚度都在原有基礎上下降3mm左右，使半掛車車架更加輕量化。

1.2 半掛車在運輸過程中出現(xiàn)的開裂問題

現(xiàn)在市場上承擔大宗商品運輸行業(yè)的大部分半掛車，都是在新設計理念下生產(chǎn)制造出的新型半掛車輛，但這些車輛在市場貨物運輸過程中，逐漸發(fā)現(xiàn)了一些質(zhì)量問題。有很多半掛車司機反映，半掛車在運輸途中車架會不斷出現(xiàn)裂紋，有的半掛車車架質(zhì)量問題更嚴重，車架的鵝頸部位出現(xiàn)了斷裂情況，不但嚴重影響了半掛車運輸任務的順利完成，更重要的是時刻威脅司機和車主的財產(chǎn)生命安全，長此以往，對我國交通運輸業(yè)以及經(jīng)濟的發(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

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

3 對車架自由模態(tài)操作演示

半掛車在承載運輸貨物過程中，車架會出現(xiàn)不同的激振頻率范圍，處在不同振源的振動對車架的影響效果不同，如果位置較遠，車架受到的振動影響較弱。根據(jù)相關研究發(fā)現(xiàn)表明，車架受到影響的效果除與激振頻率相關外，還與激振力的分布位置有很大關聯(lián)性。所以，對車架頻段的計算，應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，對于半掛車車架剛度參數(shù)和作用的研究，需要設計人員引起足夠重視。對于車架強度的分類標準有很多，剛度分類最重要的是車架彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩種，需要利用相關的模擬操作計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

在對半掛車車架的彎曲剛度進行分析時，需要先將車架按縱梁與地面成垂直狀態(tài)，進行投影，將投影點互相連接構(gòu)成簡單的支梁結(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垂直向下的力，這樣車架就會發(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為載荷作用點處的擾度，mm。

利用計算公式，我們可以對結(jié)構(gòu)車架的有限元結(jié)構(gòu)模擬法進行合理分析，通過計算可以得出車架的彎曲剛度臨界點為CB=8.88E13N·mm，與傳統(tǒng)半掛車的車架彎曲剛度相比，下降了40%。從上述計算過程中，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，在載貨運輸過程中非常容易發(fā)生彎曲斷裂問題。

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，對于半掛車車架剛度參數(shù)和作用的研究，需要設計人員引起足夠重視。我們可以先將半掛車前車架左邊縱梁上的著力點進行垂直投影取得一點，然后將半掛車前車架右邊縱梁上的著力點進行垂直投影取得一點，最后在半掛車后橋車的垂直倒影點上施加一個垂直向上的載荷，半掛車車架就會發(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為載荷作用點處的擾度，mm。

利用計算公式，我們可以對結(jié)構(gòu)車架的有限元結(jié)構(gòu)模擬法進行合理分析，通過計算可以得出車架的扭轉(zhuǎn)剛度臨界點為CT=1.23E8N·mm，與傳統(tǒng)半掛車的車架彎曲剛度相比，下降了40%。從上述計算過程中，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，在載貨運輸過程中非常容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)開裂問題。

5 針對半掛車的開裂問題，提出相應的優(yōu)化解決方案

上文已經(jīng)從半掛車的使用現(xiàn)狀進行詳細闡述，并對半掛車運輸過程中容易出現(xiàn)的車架開裂問題以及原因進行了充分分析。現(xiàn)在，我們可以針對上述半掛車運輸遇到的問題，提出相關的合理解決意見。針對半掛車開裂問題的優(yōu)化設計方案，如下所述。

5.1 第一種優(yōu)化方案

半掛車在實際運輸過程中，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，這個部位是受力程度最嚴重的部位，需要引起足夠重視。所以，需要針對車架鵝頸處這一特性，加強該部位設計質(zhì)量，對鵝頸處的腹板參數(shù)進行相應提高，確保車架鵝頸處抗彎曲剛度能力水平，避免車架在運輸過程中頻繁出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

5.2 第二種優(yōu)化方案

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

5.3 第三種優(yōu)化方案

直接有針對性地提高半掛車車架兩側(cè)和腹板以及上下翼板的相關參數(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部位。

6 結(jié)語

本文通過對半掛車車架的自由模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等方面進行深入分析與研究，主要分析半掛車車架開裂的根本原因，并針對半掛車出現(xiàn)開裂的原因，提出三種優(yōu)化方案。可以根據(jù)半掛車車輛狀態(tài)和行駛的路線情況，對比進行分析，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生命安全。