自卸半掛車輕量化設(shè)計(jì)中運(yùn)輸介質(zhì)、板厚、筋骨的關(guān)系研究

摘要：在自卸半掛車輕量化改造過(guò)程中，給出了兩種不同的降重方案并進(jìn)行了比較研究，同時(shí)分析了運(yùn)輸介質(zhì)、車廂厚度、車廂筋骨結(jié)構(gòu)三者之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：運(yùn)輸介質(zhì)；車廂厚度；車廂筋骨結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U46953 收稿日期：2024-03-08

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407009

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，依賴公路運(yùn)輸?shù)奈锪鳂I(yè)得到迅速成長(zhǎng)，對(duì)能源造成的壓力變得更加明顯，環(huán)境污染問(wèn)題也成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大障礙。計(jì)重收費(fèi)的普遍使用、油價(jià)的不斷提升，必將導(dǎo)致汽車沿著輕量化的方向發(fā)展?！稒C(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB7258—2017）[1]的實(shí)行，對(duì)汽車總質(zhì)量有著嚴(yán)格的要求，而客戶在追求經(jīng)濟(jì)利益最大化的前提下，總是要求在汽車總質(zhì)量確定的情況下裝載質(zhì)量越大越好。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，車輛的輕量化改造是降低整車油耗最有效、最直接的方式。在油價(jià)高漲、計(jì)重收費(fèi)法規(guī)逐步推廣的情況下，卡車的輕量化改造將為用戶降低可觀的成本。從用戶需求的角度來(lái)看，客戶對(duì)車輛自重、承載、油耗、效率等的要求越來(lái)越高，因此，重型自卸半掛車輕量化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

2 降重方案

以車廂內(nèi)空尺寸長(zhǎng)×寬×高為8 500 mm×2 420 mm×600 mm的底4邊3自卸半掛車廂為例，常規(guī)上裝質(zhì)量約為8 500 kg，法規(guī)允許三軸自卸半掛車整車質(zhì)量為40 000 kg[2]，裝載質(zhì)量=總質(zhì)量-整車質(zhì)量=31 500 kg。

21 各降重方案對(duì)應(yīng)車型

自卸半掛車主流廠家的降重設(shè)計(jì)方案一般有兩種。

方案1：減少筋骨數(shù)量，關(guān)鍵位置增加加強(qiáng)筋，底板及邊板改為多刀折彎結(jié)構(gòu)，厚度不變，材質(zhì)改為高強(qiáng)度板或耐磨板。按該方案降重設(shè)計(jì)后車廂板厚底板邊厚度底4邊3不變，邊板筋骨改少，邊板底板改為多刀折彎結(jié)構(gòu)，底板副縱梁取消底板改為多刀折彎結(jié)構(gòu)，降重后質(zhì)量約為8 200 kg，裝載質(zhì)量為31 800 kg，車廂為U形箱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

方案2：通過(guò)降低底板及邊板厚度、采用高強(qiáng)度板、降低筋骨厚底、增加局部區(qū)域加強(qiáng)筋、改變筋骨布局等方法，達(dá)到全面降重的目的。按該方案降重設(shè)計(jì)底板邊厚度改為底3邊2，邊板筋骨數(shù)量不變，部分筋骨厚度由3 mm改為2 mm，底板副縱梁斷開(kāi)取消后部副縱梁，橫梁與縱梁對(duì)接位置增加加強(qiáng)筋，降重后的質(zhì)量約為7 900 kg，裝載質(zhì)量為32 200 kg，車廂為矩形箱結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

22 各方案優(yōu)缺點(diǎn)

221 車廂參數(shù)及分析工況

方案1：車廂內(nèi)空尺寸長(zhǎng)×寬×高為8 500 mm×2 420 mm×600 mm，車廂厚度為底4 mm邊3 mm，采用LG700板材該材質(zhì)對(duì)應(yīng)的彈性模量20 600 MPa，泊松比029，屈服強(qiáng)度730 MPa，抗拉強(qiáng)度784 MPa，延伸率2004%，車廂裝載質(zhì)量為31 800 kg，滿載總質(zhì)量40 000 kg。

方案2：車廂內(nèi)空尺寸長(zhǎng)×寬×高為8 500 mm×2 420 mm×600 mm，車廂厚度為底3 mm邊2 mm，采用LG700板材該材質(zhì)對(duì)應(yīng)的彈性模量20 600 MPa，泊松比029，屈服強(qiáng)度730 MPa，抗拉強(qiáng)度784 MPa，延伸率2004%，車廂裝載質(zhì)量為32 200 kg，滿載總質(zhì)量40 000 kg。

車廂分析工況選用以下3個(gè)工況：

工況1：舉升工況，分析車廂在滿載、舉升初始時(shí)車廂的受力情況。

工況2：轉(zhuǎn)彎工況，分析車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，貨物由于離心力作用會(huì)擠壓側(cè)板，需給邊板施加15倍載荷。

工況3：裝料工況，貨物裝料過(guò)程中對(duì)底板造成沖擊力，計(jì)算裝料過(guò)程中底板的受力情況。

222 受力情況對(duì)比

方案1在工況1舉升工況下車廂受力情況如圖3所示。

舉升工況滿載40 t、舉升初始時(shí)刻，應(yīng)力及變形最大位置為底板中間位置，變形量為143 mm，最大應(yīng)力為520 MPa舉升時(shí)車廂邊板受到物料擠壓，形變量為112 mm，最大應(yīng)力為460 MPa。

方案2在工況1舉升工況下車廂受力情況如圖4、圖5所示。

舉升工況滿載40 t、舉升初始時(shí)刻，應(yīng)力及變形最大位置為底板中間位置，變形量為136 mm，最大應(yīng)力為500 MPa。舉升時(shí)車廂邊板受到物料擠壓，形變量為102 mm，最大應(yīng)力為4 450 MPa。

方案1在工況2轉(zhuǎn)彎工況下車廂受力情況如圖6所示。

轉(zhuǎn)彎工況滿載40 t，車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，貨物由于離心力作用擠壓邊板，應(yīng)力及變形最大位置為邊板中間位置，最大變形量為223 mm，最大應(yīng)力為3868 MPa。

方案2在工況2轉(zhuǎn)彎工況下車廂受力情況如圖7所示。

轉(zhuǎn)彎工況滿載40 t，車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，貨物由于離心力作用擠壓邊板，應(yīng)力及變形最大位置為邊板中間位置，最大變形量為158 mm，最大應(yīng)力為3294 MPa。

方案1工況3裝料工況下車廂受力情況如圖8所示。

選取底板正中間50 cm范圍內(nèi)最先裝貨的區(qū)域計(jì)算。

當(dāng)裝載貨物為大石塊時(shí)，貨物密度為26 g/cm3，單個(gè)貨物直徑約為20 cm，掉落高度為2 m。

當(dāng)裝載貨物為煤渣時(shí)，貨物密度為12 g/cm3，單個(gè)貨物直徑約為2 cm，掉落高度為2 m。

通過(guò)動(dòng)量定理公式V=2GH，F(xiàn)=MG+（MV/t）可以計(jì)算出一個(gè)大石塊對(duì)車廂底板造成的沖擊力約為805 N，一粒煤渣對(duì)車廂底板造成的沖擊力約為1 N。將沖擊力及沖擊面積代入有限元分析得出應(yīng)力情況及底板變形情況。

方案1運(yùn)輸大石塊時(shí)底板變形量如圖9所示，運(yùn)輸煤渣時(shí)底板變形量如圖10所示。

裝料工況滿載40 t載大石塊時(shí)底板變形量17 mm，裝載煤渣時(shí)底板變形量08 mm。

方案2運(yùn)輸大石塊時(shí)底板變形量如圖11所示。運(yùn)輸煤渣時(shí)底板變形量如圖12所示。

裝料工況滿載40 t，裝載大石塊時(shí)底板變形量41 mm，裝載煤渣時(shí)底板變形量18 mm。

223 兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)分析總結(jié)

通過(guò)上述有限元分析得出：a.舉升工況下，方案1與方案2受力情況及變形量差別不大，都在合理范圍內(nèi)，兩個(gè)方案整體承載力都沒(méi)有問(wèn)題。b.轉(zhuǎn)彎工況下，方案1邊板變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案2的邊板變形量，方案2邊板強(qiáng)度大于方案1，方案2防脹箱能力更強(qiáng)。c.裝料工況下，裝載煤渣時(shí)，方案1與方案2底板變形量都很小，對(duì)底板沒(méi)有影響；裝載大石塊時(shí)，方案1底板變形量小于方案2的底板變形量，方案1底板強(qiáng)度更高，抗沖擊能力更強(qiáng)。

方案1：車廂剛度高承載能力強(qiáng)抗沖擊能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是重量并不是最輕，還有降重空間，邊板筋骨少抗脹箱能力差。

方案2：降重效果顯著，可最大限度降低整車自重，整體筋骨多，形成框架結(jié)構(gòu)整體承載能力強(qiáng)，抗脹箱能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是底板較薄，抗沖擊能力差。

3 降重方案的選型

31 市場(chǎng)上車輛現(xiàn)狀

通過(guò)一系列方案開(kāi)發(fā)出自重更輕的車輛，隨之而來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題也接踵而至。在總質(zhì)量相同的情況下，有些廠家進(jìn)行降重設(shè)計(jì)后車輛出現(xiàn)各種開(kāi)裂情況，有些廠家相同結(jié)構(gòu)車輛在不同地區(qū)使用時(shí)出現(xiàn)不同的質(zhì)量問(wèn)題，而另有些廠家車輛一直保持良好。通過(guò)對(duì)不同廠家不同結(jié)構(gòu)車輛出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行多方對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)無(wú)法開(kāi)發(fā)出一款適用于所有工況適用于所有運(yùn)輸介質(zhì)的自重輕、質(zhì)量好的車輛。運(yùn)輸介質(zhì)不同、使用工況不同對(duì)車輛需求的承載力也不同，需根據(jù)客戶的運(yùn)輸介質(zhì)和使用工況，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，選用不同的降重方案，才能開(kāi)發(fā)出符合當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)需求且相對(duì)自重輕，質(zhì)量好的產(chǎn)品。

32 降重方案與運(yùn)輸介質(zhì)的關(guān)系

運(yùn)輸介質(zhì)不同、物料密度不同，在裝載貨物、運(yùn)輸貨物、卸貨過(guò)程中車廂的受力也不同。常見(jiàn)的運(yùn)輸介質(zhì)分為兩類：a.高密度物料單個(gè)體積較大物料，如大石塊；b.中低密度物料單個(gè)體積較小物料，如砂石料、小石子、煤渣等。下面從客戶實(shí)際使用工況和運(yùn)輸介質(zhì)出發(fā)對(duì)各種降重方案車廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

321 運(yùn)輸介質(zhì)為大石塊的降重方案

運(yùn)輸介質(zhì)為高密度物料大石塊時(shí)車廂局部受力會(huì)增加，則有：a.車輛在裝載大石塊時(shí)大石塊由裝載機(jī)從2 m高的位置下落到車廂內(nèi)，在卸貨點(diǎn)位置車廂底板會(huì)受到大石塊巨大的沖擊力。b.由于大石塊體積大、不規(guī)則，裝卸時(shí)無(wú)法分布均勻地堆積貼合在一起，導(dǎo)致在行駛過(guò)程中容易出現(xiàn)晃動(dòng)情況，對(duì)車廂邊板造成沖擊擠壓。c.在卸料過(guò)程中后門無(wú)法快速完全打開(kāi)，大石塊下滑會(huì)撞擊后門，造成后門及鉸鏈立柱等部位承受較大的沖擊力。

通過(guò)上述3點(diǎn)車廂受力情況，可以判斷出該運(yùn)輸介質(zhì)對(duì)車廂的抗沖擊能力要求非常高，在車廂裝載、行駛、卸貨過(guò)程中都會(huì)對(duì)底板、邊板、后板造成較大的沖擊力。

通過(guò)上文對(duì)兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析，可以得出運(yùn)輸該類物料需要選用方案1。該方案中底板邊板厚度不變，且使用高強(qiáng)度板，車輛的抗沖擊能力強(qiáng)，完全可以適用于該物料的運(yùn)輸。與原常規(guī)結(jié)構(gòu)對(duì)比，該方案整車質(zhì)量由8 500 kg降為8 200 kg，降重300 kg，裝載質(zhì)量增加300 kg。該方案降低了整車自重，提升裝載質(zhì)量，同時(shí)兼顧產(chǎn)品質(zhì)量，是運(yùn)輸該類物料的客戶首選產(chǎn)品。

322 運(yùn)輸介質(zhì)為砂石料、小石子、煤渣的降重方案

如運(yùn)輸介質(zhì)為中低密度物料砂石料、小石子、煤渣時(shí)，車廂局部受力會(huì)減小，物料重量會(huì)比較均勻地分布在車廂內(nèi)，則有：a.車廂裝載物料時(shí)由于物料體積小，物料下落時(shí)對(duì)車廂底部沖擊力小。b.物料體積小，能夠緊密均勻的分布在車廂內(nèi)，車輛行駛過(guò)程中物料晃動(dòng)小，對(duì)車廂邊板的沖擊力小。c.車廂物料與車廂四周貼合緊密，時(shí)刻會(huì)對(duì)車廂四周產(chǎn)生壓力，同時(shí)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)物料由于離心力作用對(duì)車廂中部擠壓力最大，比較考驗(yàn)車廂的防脹箱能力。

通過(guò)上文3點(diǎn)車廂受力情況，可以判斷出該運(yùn)輸介質(zhì)對(duì)車廂的抗沖擊能力要求不高，對(duì)車廂的防脹箱能力要求高，車輛在行駛轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，物料由于離心力的作用對(duì)車廂邊板有較大負(fù)荷。

通過(guò)上文對(duì)兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析，可以得出運(yùn)輸該類物料需要選用方案2。該方案中，整體框架結(jié)構(gòu)，防脹箱能力強(qiáng)，能夠在保證最大的降重效果的前提下還保證車廂整體強(qiáng)度，完全適用于該物料的運(yùn)輸。與原常規(guī)結(jié)構(gòu)對(duì)比，該方案整車質(zhì)量由8 500 kg降為7 900 kg，降重600 kg，裝載質(zhì)量增加600 kg。該方案降低了整車自重，提升裝載質(zhì)量，同時(shí)兼顧產(chǎn)品質(zhì)量，是運(yùn)輸該類物料的客戶首選產(chǎn)品。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)兩類運(yùn)輸介質(zhì)選用不同降重方案的對(duì)比分析，了解到運(yùn)輸高密度物料如大石塊時(shí)需選底板邊板較厚的高強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，筋骨可以適當(dāng)減少，這樣既能降低車輛質(zhì)量又能保證車輛的承載能力及抗沖擊能力。運(yùn)輸介質(zhì)為中低密度物料如砂石料、小石子、煤渣時(shí)，可以適當(dāng)降低底板邊板厚度，保證整車框架結(jié)構(gòu)，既能保證最大的降重效果又能保證車輛的承載能力及抗脹箱能力。需從這幾個(gè)角度出發(fā)繼續(xù)研究，充分了解客戶用車需求，通過(guò)運(yùn)輸介質(zhì)確定車廂板厚及廂型筋骨結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出更多自重輕、質(zhì)量好、效率高的產(chǎn)品，使客戶的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 7258—2017 機(jī)動(dòng)車允許安全技術(shù)條件［S］

[2]GB 1589—2016 汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸核及質(zhì)量限值［S］

作者簡(jiǎn)介：

何江龍，男，1988年生，工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ闷囇芯吭O(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：2022年廣西科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“重型專用汽車輕量化關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”（桂科AA22068055）