一款罐式危险品半挂车车架的结构设计与强度计算

摘要：半挂车车架按照罐体与车辆的连接方式和承载方式，分为半承载式和承载式罐体两种形式。半承载式罐式半挂车的车架分为罐体车架与下车架，用于连接行走机构以及承受空载时的罐体的重量以及满载时货物与罐体的重量。根据实际营运需求分为铝合金整体式和铝合金上车架+高强钢下车架等形式。下车架总成主要由纵梁、横梁以及垫板连接而成。下车架纵梁主体选用Q345B/T6，下车架横梁主体选用Q345B/T4，设计完成后对半挂车进行简化建模分析受力情况以及强度校核分析。

关键词：专用汽车；罐体；副车架

中图分类号：U463.8  收稿日期：2023-02-24

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.015

1 前言

近年来，危化品罐式运输车在营运过程中屡屡发生各类严重交通事故。国家管理部门为了有效规避因危化品罐式运输车导致的交通事故，从源头上逐步降低此类重大事故的安全隐患，相继出台了多部对罐式车辆强制性检验的最新标准，提高了罐式车辆在设计、制造、出厂检验的标准要求[1]。车架是整个罐式半挂车的重要组成部分，在保障车辆运输过程中的安全和稳定起着至关重要的作用。本文对罐式半挂车车架进行深入分析，从车架的材料选择、结构选型以及综合的受力计算分析，确定车架最佳的设计形式。

2 车架结构设计与计算

2.1 车架的两种结构设计

上车架+下车架式的罐式半挂车辆副车架多采用图1所示的多层梁，为了增强副车架在产品周期的使用寿命，对下车架进行结构及选材优化，形成锰钢一体式车架结构，如图2所示。

综合抗弯模量系数及整车布局该车架选用不等边L型材，如图3所示。

2.2 副车架与罐体、行走机构连接

传统半挂车车架与罐体均使用焊接成形，车架与行走机构有螺连、焊接、螺连+焊接结构。为确保副车架上部与罐体车架、副车架下部与行走机构之间的可靠连接，对标市场运营车型以及产品设计制造经验，本文设计车架罐体采用焊接，与行走机构采用焊接+螺连结构[2]。

2.3 副车架主要尺寸设计

半挂车的设计方法理论认为，针对纵梁设计，通常采取简化建模，以纵梁在运行状态下所受弯曲强度的最大值，校核副车架纵梁截面。据此假设如下：a.纵梁视为加载在后行走机构、鞍座结构上的简化支梁；b.空载和满载时的载荷均匀分布在纵梁的长度范围；c.局部扭转的形变影响微弱不进行计算，简化形变状态为仅截面弯曲。

首先建立车架承载结构受力分析模型，用于计算的车架纵梁不同状态下的承载情况，尽管影响承载分析的因素错综复杂，但通过分析简化，纵梁主要承受载荷包括垂直方向上的静载荷和对称垂直、斜对称的动载荷。可以把纵梁视为支承在鞍座、后轴上的简支梁，进行弯曲强度验证。因车架结构为对称性分布，运动横向方向受力差异小，故可对其中一侧纵梁，利用传统设计方法进行强度验证。

根据一体式车架罐式半挂车强度的设计要求以及细分市场实际路况下的承载需求，副车架材质的选型中，纵梁和贯穿式横梁、不贯穿式横梁均采用Q345B，Q345B具有优异的力学性能，如低温冲击韧性、冷冲压强韧性、切削加工性、焊接性能等。Q345B钢与碳钢Q235A项目相比，性能优势明显，是由主流钢厂专为汽车大梁设计生产的汽车大梁专用钢，其强度≥470 MPa。侧支梁、边梁均采用Q235A，屈服点[σ]=235 MPa，伸长率δ=26%，密度ρ=7.8×10³kg/m³。Q235A亦有较好的韧性、塑性、焊接、冷冲压性能及良好的强度、冷弯性能。

在设计一体式车架危险品罐式半挂汽车时，为了提升整车状态下的车架强度，贴合受力情况，有效增加使用寿命，采用变截面汽车大梁样式。车架的长度大于罐体长度；宽度满足设计规范，结合设计经验选择80 mm；车架高度需匹配鹅颈落差、悬挂高度及满足力学性能要求，车架高度选为前190 mm，后290 mm，配合内补强板增大纵梁抗弯模量。

尺寸选择如表1所示。

2.4 副车架的强度计算校核

鉴于实际运营中时有发生车架开裂事件，在设计时要充分考虑车架强度的需求。车架的校核计算，主要校核的项目包括车架所受弯矩、车架强度、与车架上下方向连接结构强度等。

2.4.1 额定装载时车架受力的计算

对车架建模受力情况如图4所示。罐车在额定满载状态下，各部分参数如表2所示。

2.4.2 副车架危险截面确认

由经验可知，变截面或最大弯矩的位置为纵梁的危险截面，通过结构图和计算可知分别为截面1∶3.48 m、截面2∶4.19 m、截面3∶4.63 m。

2.4.3 副車架强度计算校核

2.4.4 支座局部应力校核

3 结语

本文主要对副车架材质选用、承载强度进行了简化建模及校核，车架纵梁选用Q345B/T6，车架横梁选用Q345B/T4，针对罐体车架强度、车架的连接支座，分开进行简化建模并校核车架截面尺寸、上车架、行走机构的连接方式。通过对车架受力建模分析，计算建模车架受力剪力、弯矩，确定危险截面。结果表明，车架选用材质与设计结构完全满足使用要求，支座局部承受的应力强度也满足要求。

参考文献：

[1]徐达专用汽车构造与设计[M]北京：人民交通出版社，2008.

[2]王建国压力罐车市场发展态势[J]汽车与配件，2012（30）：40-41.

[3]王铎，孙毅理论力学[M]8版北京：高等教育出版社，2016.

作者简介：

王建业，男，1973年生，高级工程师，研究方向为商用汽车技术。