半挂车车架开裂问题及优化设计探讨

于林涛

（山东阳谷飞轮挂车制造有限公司，聊城 252300）

1 半挂车车架的组成结构以及遇到的问题分析探讨

1.1 新型半挂车的车架结构形式

传统的车架结构比较复杂，使用效率较低，传统半挂车在拉货运输过程中，很容易出现车架开裂的情况，给车主和司机造成了很大困扰，大大降低了车辆使用效率。随着我国车企制造业的不断发展，对半挂车车型在原有基础上进行了一定改装，结合车辆使用者的感受和市场使用情况，进行了最新的设计，决定采用边框式设计，对车架的组成部分，纵梁、横梁、边梁、支撑梁等部分进行了整改，目的是为了使车辆车架更加轻量化，提高车辆行驶灵活性和稳定性。在设计过程中，不会缩减车辆原有的尺寸和结构，而是主要针对车架使用的材料材质进行一定的提升，使用强度更高的高强度钢，除此之外,对车架的纵梁进行了一定整改，厚度都在原有基础上下降3mm左右，使半挂车车架更加轻量化。

1.2 半挂车在运输过程中出现的开裂问题

现在市场上承担大宗商品运输行业的大部分半挂车，都是在新设计理念下生产制造出的新型半挂车辆，但这些车辆在市场货物运输过程中，逐渐发现了一些质量问题。有很多半挂车司机反映，半挂车在运输途中车架会不断出现裂纹，有的半挂车车架质量问题更严重，车架的鹅颈部位出现了断裂情况，不但严重影响了半挂车运输任务的顺利完成，更重要的是时刻威胁司机和车主的财产生命安全，长此以往，对我国交通运输业以及经济的发展十分不利。

2 半挂车车架有限元模型中网格划分的方法

半挂车车架设计可以利用相关的有限元处理软件进行模拟计算，针对车架每个部位都可以进行实时模拟操作，如果是对于纵梁、横梁、边梁、支撑梁等部位进行模拟操作，我们可以将其参数都设计为10mm，目的是保证有足够的计算精度。如果是对于钢板弹簧进行模拟操作，通过软件的精密计算，调整弹簧的弹性模量强度大小，确保软件模拟操作中弹簧的刚度和实际车架钢板的弹簧刚度一致。新型设计理念的半挂车，车架一般采用T7001高强度钢材料，其弹性模量E取值2.06E6MPa，泊松比ɣ取值0.29。

3 对车架自由模态操作演示

半挂车在承载运输货物过程中，车架会出现不同的激振频率范围，处在不同振源的振动对车架的影响效果不同，如果位置较远，车架受到的振动影响较弱。根据相关研究发现表明，车架受到影响的效果除与激振频率相关外，还与激振力的分布位置有很大关联性。所以，对车架频段的计算，应综合考虑各方面的因素，比如，车辆在路面的行驶速度快慢、路面条件状况如何、车辆其他部位的情况等，综合各方面的影响因素，分析研究选择0～100为自由模态分析的计算频段。

4 车架刚性力度的分析

半挂车车架的刚度水平在很大程度上影响半挂车整体的质量水平，对于半挂车车架刚度参数和作用的研究，需要设计人员引起足够重视。对于车架强度的分类标准有很多，刚度分类最重要的是车架弯曲刚度和扭转刚度两种，需要利用相关的模拟操作计算出半挂车车架的弯曲刚度和扭转刚度的临界条件。

4.1 半挂车车架弯曲度方面的探讨

在对半挂车车架的弯曲刚度进行分析时，需要先将车架按纵梁与地面成垂直状态，进行投影，将投影点互相连接构成简单的支梁结构图，然后在结构图中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。

车架弯曲刚度如式（1）所示。

式中，CB为弯曲刚度，N·mm；F为集中载荷，N；a为轴距，mm；f为载荷作用点处的扰度，mm。

利用计算公式，我们可以对结构车架的有限元结构模拟法进行合理分析，通过计算可以得出车架的弯曲刚度临界点为CB=8.88E13N·mm，与传统半挂车的车架弯曲刚度相比，下降了40%。从上述计算过程中，我们可以分析得出，半挂车的车架抵抗由各种因素引起的弯曲力度的能力是较弱的，在载货运输过程中非常容易发生弯曲断裂问题。

4.2 半挂车车架扭转刚度方面的探讨

半挂车车架的刚度水平在很大程度上影响着半挂车整体的质量水平，对于半挂车车架刚度参数和作用的研究，需要设计人员引起足够重视。我们可以先将半挂车前车架左边纵梁上的着力点进行垂直投影取得一点，然后将半挂车前车架右边纵梁上的着力点进行垂直投影取得一点，最后在半挂车后桥车的垂直倒影点上施加一个垂直向上的载荷，半挂车车架就会发生扭转变形，扭曲刚度如式（2）所示。

式中，CT为扭转刚度，N·m；F为集中载荷，N；L为力臂，mm；h为载荷作用点处的扰度，mm。

利用计算公式，我们可以对结构车架的有限元结构模拟法进行合理分析，通过计算可以得出车架的扭转刚度临界点为CT=1.23E8N·mm，与传统半挂车的车架弯曲刚度相比，下降了40%。从上述计算过程中，我们可以分析得出，半挂车的车架抵抗由各种因素引起的扭转力度的能力是较弱的，在载货运输过程中非常容易发生扭转开裂问题。

5 针对半挂车的开裂问题，提出相应的优化解决方案

上文已经从半挂车的使用现状进行详细阐述，并对半挂车运输过程中容易出现的车架开裂问题以及原因进行了充分分析。现在，我们可以针对上述半挂车运输遇到的问题，提出相关的合理解决意见。针对半挂车开裂问题的优化设计方案，如下所述。

5.1 第一种优化方案

半挂车在实际运输过程中，车架的弯曲刚度是比较脆弱的，车架抵抗车架弯曲的能力也比较弱，需要注意的是车架鹅颈处，这个部位是受力程度最严重的部位，需要引起足够重视。所以，需要针对车架鹅颈处这一特性，加强该部位设计质量，对鹅颈处的腹板参数进行相应提高，确保车架鹅颈处抗弯曲刚度能力水平，避免车架在运输过程中频繁出现断裂的现象。

5.2 第二种优化方案

半挂车在实际运输过程中，车架抵抗车架弯曲的能力也比较弱，为避免车架在行驶过程中出现断裂现象，需要在设计过程中增加折弯板和腹板以及下翼板的相关参数，确保局部抗弯曲的能力较强，避免车架在运输过程中频繁出现断裂现象。

5.3 第三种优化方案

直接有针对性地提高半挂车车架两侧和腹板以及上下翼板的相关参数，这样就可以全面提高车架的弯曲刚度以及车架抗弯曲能力水平，将半挂车车架行驶过程中遇到的各种作用力，分层次、分部分地化解到车架的各个部位。

6 结语

本文通过对半挂车车架的自由模态、弯曲刚度、扭转刚度等方面进行深入分析与研究，主要分析半挂车车架开裂的根本原因，并针对半挂车出现开裂的原因，提出三种优化方案。可以根据半挂车车辆状态和行驶的路线情况，对比进行分析，选择一种最佳的优化方案，提高半挂车整车的性能，避免车架开裂危害司机生命安全。