半挂车车架开裂问题及优化设计
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摘 要：半挂车作为交通运输业发展过程中较为重要的组成部分，其运输安全问题一直倍受社会各界的关注。文章重点对半挂车车架开裂问题类型及产生原因进行了分析，同时提出了相应的优化设计措施，旨在为半挂车运输安全提供相关依据。
关键词：半挂车;车架开裂;类型;原因;优化设计
中图分类号：U463.32 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）17-0086-02
Abstract： As an important part of the development of transportation industry， semi-trailer has attracted much attention from all walks of life. This paper focuses on the analysis of the types and causes of the cracking of the semi-trailer frame， and puts forward the corresponding measures for optimization design in order to provide the relevant basis for the transportation safety of the semi-trailer.
Keywords： semi-trailer; frame cracking; type; reason; optimal design
运输业一直都是国民经济发展过程中较为重要的一个行业，对于运输业而言，在国民经济长效发展的背景下，其也在较大程度上得到飞速的发展。作为现阶段运输业运输大宗商品物流的主要形式，其安全问题一直都倍受关注。在半挂车执行运输操作过程中，其最为常见的一类安全性问题就是车架开裂问题。导致车架开裂问题出现的原因有很多，如何有效预防半挂车车架开裂，然后在此基础上实现我国运输业的可持续发展，也成为了现阶段运输行业关注的一项重点。基于此，本文也就半挂车车架开裂问题及优化设计相关问题进行了分析。
1 半挂车车架及其设计概述
1.1 半挂车车架结构形式概述
半挂车车架是汽车主要的受力件，是这个半挂车的承载机体，在保证半挂汽车安全作业方面发挥着非常重要的作用。随着现代机械技术、制造技术以及科学技术的不断发展，半挂车车架结构形式也发生着相应改进。简单来说，就是在半挂车设计过程中，对其整体结构进行了重新设计，将边框式设计应用其中，并同时对车架的组成部分进行了整改，比如横梁、纵梁、边梁以及支撑梁等等，这样一来，半挂车车架趋于轻量化，这样对提升车辆形式的灵活性及稳定性有着非常积极的意义。但是，在现代新型半挂车车架结构形式方面，其尺寸和结构并未发生太大的改变，更多的是对其使用材料、纵梁进行了整改，这样对于其结构整体质量的提升产生着非常积极的影响。
1.2 半挂车车架开裂类型及其危害概述
在现阶段我国经济发展过程中，大宗商品的运输更多的是以半挂车为主，并且均为新型的半挂车辆。尽管在新型半挂车辆较之传统的半挂车辆具有着更为突出的优势，但是在长期的运输过程中，其也不可避免的存在一些质量问题。很多半挂车司机反映，车架在实际的运输途中往往会出现裂纹，尤其是鹅颈部，这样一来，就会对整个半挂车运输任务的顺利完成产生严重的影响，不仅如此，如果不能及时进行处理，还会对司机及车主的生命财产安全带来严重的威胁。如果半挂车车架开裂成为一种常态，则会对整个交通运输业以及国民经济的发展产生严重的影响。
1.3 半挂车车架设计概述
对于半挂车而言，在其车架设计过程中，现阶段通常会用相关的有限元模型对其进行模拟计算和处理。这种有限元模式可以实现对于整个车架结构的模拟操作，例如横梁、纵梁、支撑梁、边梁以等等，并且其可以精确到10mm，这样对于保证车架结构设计及计算精度有着非常积极的作用。此外，有限元模型还可以对钢板弹簧进行模拟操作，通过相关设计软件对车架钢板弹簧进行精密的计算，并根据实际的计算结果对其弹性模量强度进行有效的调整，在实际的设计及生产过程中，还应保证模拟操作中的弹簧刚度与车架钢板弹簧刚度相一致。现阶段我国的半挂车车架通常会使用T7001高强度钢材料为主要结构材料，其弹性模量值为E=2.06E6MPa，泊松比γ=0.29，除了有特殊要求的半挂车车架设计，其他的车架基本都会按照上述参数进行设计和生产。
2 半挂车车架自由模态操作演示概述
在半掛车执行运输作业过程中，车架往往会出现不同的激振频率范围，并同时对车架产生一定的影响。通常来讲，不同的振源振动对于车架的影响效果也不尽相同，即：振源位置越远，其对于车架的影响越小。大量的研究与实验证明，在半挂车运输过程中，车架所受到的影响效果除了激振频率外，还极易受到激振力分布位置的影响。因此，在对半挂车车架进行设计时， 做好车架频段的计算对于优化设计方案也同样产生着非常深远的影响。在实际的计算过程中，相关设计及制造人员应首先从多个方面考虑，同时综合影响车架安全的多个因素，比如车辆在路面的形式速度、路面条件状况、车辆其他部位实际情况等等;其次，对于综合后的影响因素进行分析研究，同时对自由模态分析计算频段进行选择，最终完成车架自由模态操作演示，通常来讲，车架自由模态计算频段为0-100。
3 半挂车车架刚性力度分析
对于半挂车而言，导致其车架开裂非常重要的一个因素就是半挂车车架的刚度水平，因此，在对半挂车车架进行设计时，做好其车架刚性力度相关参数的分析和研究工作，也是设计过程中非常重要的一项工作。现阶段对于半挂车车架强度的分类标准有很多，对于其刚性力度的划分主要分为车架弯曲刚度及扭转刚度两类，在现阶段设计过程中，对于车架刚性力度的分析，也大多是从这两个方面入手。 3.1 半挂车车架弯曲度分析
在对半挂车车架弯曲度进行分析时，其主要方案如下：首先应将车架按照纵梁与地面垂直状态进行投影，并将投影点进行相互连接，形成一个简单的支梁构造图;其次，对于结构图中的第一条边和第二条边分别施加一个垂直向下的力，这样车架就会发生弯曲变形;最后通过相应的公式对车架弯曲刚度进行计算，公式为：CB=a3/48×F/f，其中CB代表弯曲刚度，F代表集中载荷，a代表轴距，f代表载荷作用点处的扰度。通过公式可以帮助设计人员对结构车架的有限元结构模拟结果进行科学合理的分析，同时对车架弯曲刚度的临界点进行计算，以现代新型概念半挂车而言，其车架弯曲刚度临界点为8.88E13N·mm，较之传统的半挂车，其弯曲刚度临界点下降了40%。通过计算可以得出，在半挂车执行运输作业过程中，当其车架面对各类因素引起弯曲力度的抵抗能力是相对较弱的，这样也就非常容易导致车架出现弯曲断裂问题。
3.2 半挂车车架扭转刚度分析
通常来讲，半挂车车架的刚度水平也同样是导致半挂车车架开裂的重要因素之一。在设计过程中，要想保证后续半挂车应用的安全性水平，其中做好半挂车车架扭转刚度的分析工作也同样是非常重要的一个内容。在对半挂车车架扭转刚度分析过程中，其主要的分析方案如下：首先，设计人员应在半挂车前车架左边纵梁上选择一个着力点并对其进行垂直投影，然后将垂直投影点作为分析点;其次，在半挂车前车架右边纵梁上选择一个着力点对其进行垂直投影，同样将垂直投影点作为分析点;最后，在半挂车后桥车的垂直倒影点上给予其一个垂直向上的荷载，这样就会使得半挂车车架发生扭转变形。计算公式为：CT=L2π/180×F/h，其中CT代表扭转刚度，F代表集中载荷，L代表力臂，h代表载荷作用点扰度。应用公式对结构車架有限元结构模拟法进行分析，计算出扭转刚度临界点为CT=1.23E8N·mm，较之传统半挂车车架，其差异为40%。通过分析可以发现，现代半挂车车架在抵抗各类因素引起扭转力度方面也相对较弱，这也是引发半挂车车架开裂的主要原因之一。
4 半挂车车架设计优化方案
4.1 提升车架鹅颈处设计质量
基于上述的数据分析及导致半挂车车架开裂的主要原因，笔者认为，在对既有设计方案优化过程中，提升车架鹅颈处的设计质量就是其中非常重要的一个策略。简单来说，鹅颈部位是半挂车车架受力程度最为严重的部位。因此在进行设计方案优化时，也同样应根据车架鹅颈处的具体特征，有针对性的加强对于该部位的设计质量。具体优化方案为：提升鹅颈处腹板参数，以此来保证车架鹅颈处抗弯曲刚度的能力水平，以此有效避免车架在运输过程中频繁出现断裂现象。
4.2 增加折弯板、腹板以及下翼板的参数
通过上述的分析可以发现，新型半挂车车架抗弯曲能力相对较弱，因此，设计人员在实际的设计过程中，可以通过对折弯板、腹板以及下翼板相关参数进行增加，使之局部抗弯曲能力增强，这样一来，也可以在较大程度上避免半挂车车架断裂现象的发生。
4.3 有针对性的增加半挂车车架两侧、腹板及上下翼板参数
在半挂车车架设计过程中，有针对性的对半挂车车架两侧、腹板及上下翼相关参数进行提升，也是现阶段优化设计方案较为重要的一项举措。在实际的设计过程中，通过对半挂车车架两侧、腹板及上下翼相关参数进行有针对性的提升，可以在较大程度上提高其弯曲刚度及抗弯曲能力，这样就可以有效的避免车架开裂现象的发生。
综上所述，半挂车作为我国长途运输过程中运用大宗商品的重要运输工具，在我国交通运输业发展过程中发挥着非常重要的作用。但是在其实际的运输作业过程中，半挂车车架开裂是其中尤为突出的一项安全问题，一旦出现车架断裂，将会给整个运输安全带来严重的影响。只有在实际的半挂车设计过程中做好相应的设计工作，并采取相应的措施对设计方案进行优化，才能更好地解决半挂车车架开裂问题，实现我国运输业的长效发展。
参考文献：
[1]于林涛.半挂车车架开裂问题及优化设计探讨[J].现代制造技术与装备，2018（10）：77+79.
[2]柯龙燕，白光建，沈磊，等.半挂车车架开裂问题分析及优化设计[J].轻型汽车技术，2015（Z3）：11-15.
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