一款罐式危險品半掛車車架的結構設計與強度計算

摘要：半掛車車架按照罐體與車輛的連接方式和承載方式，分為半承載式和承載式罐體兩種形式。半承載式罐式半掛車的車架分為罐體車架與下車架，用于連接行走機構以及承受空載時的罐體的重量以及滿載時貨物與罐體的重量。根據實際營運需求分為鋁合金整體式和鋁合金上車架+高強鋼下車架等形式。下車架總成主要由縱梁、橫梁以及墊板連接而成。下車架縱梁主體選用Q345B/T6，下車架橫梁主體選用Q345B/T4，設計完成后對半掛車進行簡化建模分析受力情況以及強度校核分析。

關鍵詞：專用汽車；罐體；副車架

中圖分類號：U463.8? 收稿日期：2023-02-24

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.015

1 前言

近年來，危化品罐式運輸車在營運過程中屢屢發生各類嚴重交通事故。國家管理部門為了有效規避因危化品罐式運輸車導致的交通事故，從源頭上逐步降低此類重大事故的安全隱患，相繼出臺了多部對罐式車輛強制性檢驗的最新標準，提高了罐式車輛在設計、制造、出廠檢驗的標準要求[1]。車架是整個罐式半掛車的重要組成部分，在保障車輛運輸過程中的安全和穩定起著至關重要的作用。本文對罐式半掛車車架進行深入分析，從車架的材料選擇、結構選型以及綜合的受力計算分析，確定車架最佳的設計形式。

2 車架結構設計與計算

2.1 車架的兩種結構設計

上車架+下車架式的罐式半掛車輛副車架多采用圖1所示的多層梁，為了增強副車架在產品周期的使用壽命，對下車架進行結構及選材優化，形成錳鋼一體式車架結構，如圖2所示。

綜合抗彎模量系數及整車布局該車架選用不等邊L型材，如圖3所示。

2.2 副車架與罐體、行走機構連接

傳統半掛車車架與罐體均使用焊接成形，車架與行走機構有螺連、焊接、螺連+焊接結構。為確保副車架上部與罐體車架、副車架下部與行走機構之間的可靠連接，對標市場運營車型以及產品設計制造經驗，本文設計車架罐體采用焊接，與行走機構采用焊接+螺連結構[2]。

2.3 副車架主要尺寸設計

半掛車的設計方法理論認為，針對縱梁設計，通常采取簡化建模，以縱梁在運行狀態下所受彎曲強度的最大值，校核副車架縱梁截面。據此假設如下：a.縱梁視為加載在后行走機構、鞍座結構上的簡化支梁；b.空載和滿載時的載荷均勻分布在縱梁的長度范圍；c.局部扭轉的形變影響微弱不進行計算，簡化形變狀態為僅截面彎曲。

首先建立車架承載結構受力分析模型，用于計算的車架縱梁不同狀態下的承載情況，盡管影響承載分析的因素錯綜復雜，但通過分析簡化，縱梁主要承受載荷包括垂直方向上的靜載荷和對稱垂直、斜對稱的動載荷。可以把縱梁視為支承在鞍座、后軸上的簡支梁，進行彎曲強度驗證。因車架結構為對稱性分布，運動橫向方向受力差異小，故可對其中一側縱梁，利用傳統設計方法進行強度驗證。

根據一體式車架罐式半掛車強度的設計要求以及細分市場實際路況下的承載需求，副車架材質的選型中，縱梁和貫穿式橫梁、不貫穿式橫梁均采用Q345B，Q345B具有優異的力學性能，如低溫沖擊韌性、冷沖壓強韌性、切削加工性、焊接性能等。Q345B鋼與碳鋼Q235A項目相比，性能優勢明顯，是由主流鋼廠專為汽車大梁設計生產的汽車大梁專用鋼，其強度≥470 MPa。側支梁、邊梁均采用Q235A，屈服點[σ]=235 MPa，伸長率δ=26%，密度ρ=7.8×10³kg/m³。Q235A亦有較好的韌性、塑性、焊接、冷沖壓性能及良好的強度、冷彎性能。

在設計一體式車架危險品罐式半掛汽車時，為了提升整車狀態下的車架強度，貼合受力情況，有效增加使用壽命，采用變截面汽車大梁樣式。車架的長度大于罐體長度；寬度滿足設計規范，結合設計經驗選擇80 mm；車架高度需匹配鵝頸落差、懸掛高度及滿足力學性能要求，車架高度選為前190 mm，后290 mm，配合內補強板增大縱梁抗彎模量。

尺寸選擇如表1所示。

2.4 副車架的強度計算校核

鑒于實際運營中時有發生車架開裂事件，在設計時要充分考慮車架強度的需求。車架的校核計算，主要校核的項目包括車架所受彎矩、車架強度、與車架上下方向連接結構強度等。

2.4.1 額定裝載時車架受力的計算

對車架建模受力情況如圖4所示。罐車在額定滿載狀態下，各部分參數如表2所示。

2.4.2 副車架危險截面確認

由經驗可知，變截面或最大彎矩的位置為縱梁的危險截面，通過結構圖和計算可知分別為截面1∶3.48 m、截面2∶4.19 m、截面3∶4.63 m。

2.4.3 副車架強度計算校核

2.4.4 支座局部應力校核

3 結語

本文主要對副車架材質選用、承載強度進行了簡化建模及校核，車架縱梁選用Q345B/T6，車架橫梁選用Q345B/T4，針對罐體車架強度、車架的連接支座，分開進行簡化建模并校核車架截面尺寸、上車架、行走機構的連接方式。通過對車架受力建模分析，計算建模車架受力剪力、彎矩，確定危險截面。結果表明，車架選用材質與設計結構完全滿足使用要求，支座局部承受的應力強度也滿足要求。

參考文獻：

[1]徐達專用汽車構造與設計[M]北京：人民交通出版社，2008.

[2]王建國壓力罐車市場發展態勢[J]汽車與配件，2012（30）：40-41.

[3]王鐸，孫毅理論力學[M]8版北京：高等教育出版社，2016.

作者簡介：

王建業，男，1973年生，高級工程師，研究方向為商用汽車技術。