林树生

摘 要：厢式半挂车是我国长途物流的主要运输工具，特别是快递行业90%以上采用这类密闭厢式半挂车。本文对厢式半挂车的开发、设计进行研究，主要目的是满足目前快递行业车辆转型升级的需要，设计出一款贴切市场、满足轻量化发展方向要求的厢式半挂车产品。本次研究，采用理论结合实际的研究方法，先阐述了快递厢式半挂车发展的现状，再分析铝合金在半挂车上的应用；之后根据具体需求展开边梁式车架钢铝拼装厢式半挂车的实际设计，通过搭建有限元模型、优化工况荷载等方式完成优化设计，以仿真结果优化验证设计的可行性与合理性，以能够设计出轻量化低能耗、大容积、高可靠和高效率的厢式半挂车产品。

关键词：边纵梁式车架 钢铝 厢式半挂车 开发 优化设计

随着现代社会市场经济的安全高效发展，我国政府对各个行业提出了“节能减排”、“绿色环保”的要求，同时不断加大对运输行业的超载、超限和非法改装的打击力度。基于此种背景，如何设计出符合轻量化需求、具有节能环保低能耗和合法合规特征的半挂车产品，是需要重点思考的问题。同时在半挂车的开发设计中，设计人员以实际情况明确设计思路，根据不同的产品特征灵活选择合适的车架类型，以及布置方式[1]。之后，借助现代系统完成有限元模型搭建、工况荷载分析，进一步完善设计，完成符合要求的快递类厢式半挂车产品。

1 快递厢式半挂车发展现状

目前快递物流车作为我国体量最大的公路载体，其保有量和增量在“十三五”颇具亮点，但骨架车+非标箱的运输模式，具有违规风险阻断了正轨有实力半挂车生产企业的进入，现有运行产品超长、超宽、超高，产品参差不齐。随着运输行业的不断规范和安全运输主体责任的明确，快递物流运输半挂车已开启向合规车辆的转变。同时，快递行业的快速发展，促使快递公司一次性订单量越来越大和产品要求更高端化，决定其选择的生产厂家必定为有实力的大公司。因此，开发一款可靠、高效、轻量化、低耗能的厢式半挂车具有广阔的市场前景。

2 铝合金在半挂车上的应用分析

高强钢在我国半挂车上使用最多，其设计水平、工艺制造水平基本成熟。而铝合金具有密度小、耐腐蚀等特点，且型材易挤压成型，故近年来铝合金在半挂车上应用快速升温。但其强度低、焊接接口易脆裂，目前更多应用在液罐车、冷藏车、骨架车等运输钢性较好的车辆上。从装载受力特点和运输安全的角度考虑，承载式半挂车对材料选择与结构设计有着很高的标准要求。目前仍然是以钢铁作为主要材料，铝合金因价格、产品特性、结构设计等原因而很少使用，这与国外有着较大差距。而欧美的半挂车，已有80%以上使用铝合金厢体；在日本，铝合金半挂车厢体的市场份额甚至超过90%。从材料性能方面考虑，常见铝合金系列中，1系、3系、4系、5系低镁、8系铝合金属于低强度材料，无法应用于大重量承力部件；2系、7系铝合金属于中强度材料，但由于价格昂贵、抗应力腐蚀敏感性差等特点，多用于军工、航空航天、高端民品等领域的非承力焊接部件；5系、6系高镁铝合金属于中等强度材料，具有优良的耐蚀性与焊接性，是半挂车的轻量化潜在目标材料。

3 边梁式车架钢铝拼装厢式半挂车的开发及优化设计

3.1 确定开发车型选择

2021年高速公路货车收费由计重改为按轴数收费，对于快递行业装载重量一般在12～15吨每百立方的特点，依据标准GB 1589-2016《汽车挂车及汽车列车外廓尺寸轴荷及质量限值》作为设计依据，选择单轴半挂与4*2牵引车组成3轴列车即可满足运输载重要求，而公路收费比两轴半挂车的少18.6%，因此，单轴厢式半挂车是合规车辆转变后的快递最佳选择。

3.2 车架设计

一般来说，车架需要根据不同工况和运输需求选择，不同形式车架满足不同的半挂车使用需求[2]，具体如下。

（1）中梁式半挂车车架。中梁式车架结构，主要是两根主纵梁+两根边梁通过横梁连接而成，目前90%以上半挂车多采用中梁式车架。

（2）边梁式半挂车车架。边梁式车架，就是由左右两根边纵梁通过横梁构成的车架，无中纵梁，边梁既是纵梁；目前在框架式轿运半挂车上应用。此类车架在提升车架扭转刚度、提高运载能力方面具有绝对优势，快递物流厢式半挂车可优选该结构，满足大容积和侧稳定性需求。

（3）综合式车架。综合式车架就是指集合了边梁式车架、中梁式车架特征的车架结构。在车架的前端采用边梁式结构，降低车架高度以降低重心；在车架的中部采用中梁式结构，便于安装轮胎、悬架构件。

本次要设计的厢式半挂车的车架产品，车架结构需要具备多拉快跑可靠的特征，因此，确定车架类型为边梁式，极大地满足了长途快递物流大容积、稳定性好、车架车厢一体式设计等各种需求，是一种突破现有市场结构的创新设计，提高产品开发与设计的经济效益。

本次设计的边纵梁车架不需要考虑宽度因素，两边纵梁外侧宽度与车辆同宽即可（见图1车架方案）

3.3 车厢设计

2020年10月，由工信部指导、中国汽车工程学会牵头组织编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中也提出了未来5-15年商用车油耗目标，即相较2019年水平，到2025年油耗降低8%以上，面对愈发严格的排放标准和日渐紧迫的“双碳”目标压力，整车轻量化与供应链低碳化成为了我国汽车产业达成“双碳”目标的重要突破口之一。

整车轻量化就是在保证车辆強度和安全性能前提下，降低整备质量，从而提高动力性、燃油经济性，实现节能减排的目的。

当今油价持续攀升、治超治限持续加严，轻量化的车意味着合规装载的货物更多，在保障道路交通安全的同时，可以有效提升货运效率与盈利率。例如载货车每减重1000kg，按年行驶10万公里计算，用户可获益3.5-7万元。对于快递车辆年行驶30万公里左右，收益性更加可观。因此本厢式半挂车车厢仅用于隔档快递类轻泡货物，借鉴在用车辆经验，全铝车身即可满足要求。但是本车型技术难点在于钢车架与铝车厢的连接方式和强度问题，通过反复分析论证，可以选定图2的四种螺栓连接方式。

4 车架的优化设计

4.1 车架构成输入

车架做为承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。车架设计和结构的好坏直接决定车辆的成败，因此车架必需进行校核与优化，特别是本文开发的车辆采用铝制车厢，分担车架的载荷有限，独立对车架进行校核分析：采用全高强钢结构，主要材质为Q700合金钢，采用焊接连接方式；车架构成包括：纵梁、横梁、面板、牵引机构、前后端梁等。

4.2 搭建有限元模型

根据已经确定的半挂车车架类型、车架结构、各构件材料材质、载荷布置及大小等信息资料，搭建车架的有限元模型。（1）几何清理。在车架模型搭建过程中，需要对其进行几何清理，简化计算过程，这样可以将大量繁杂的计算过程简单化。几何清理中，对车架模型中的部分圆弧部位进行网格化较为困难，但是这种情况对车架模型的影响很微小，因此，在几何清理的过程中可以删除这些细小特征，以便于网格化处理[3]。（2）由于车架结构规格较大，为了避免在求解的过程中产生大量计算量，设定网格大小为10mm，对某些复杂部分结构的网格大小设定为6mm-8mm，以四边形网格形式呈现，确保求解精度。（3）完成网格化之后，对车架的各个部分网格进行连接，以焊接为连接方式，在Hypermesh软件中实现。车架焊接方式较为单一，可以采用缝合焊工艺，形成直线焊接缝轨迹；采用塞焊工艺，形成圆形焊接轨迹。采用REE2刚性单元模拟螺栓连接形式，对螺栓孔网格进行加密，同时添加washer。完成焊接与螺栓连接的建模之后，就可以得到车架的有限元模型。

本车架模型情况：长13750mm，宽2500mm，网格数量424707，三角形网格数量4808。

4.3 优化工况荷载

半挂车在行驶的过程中会面临很多工况，因此，需要对车架的工况荷载进行优化，促使其满足半挂车的使用需求。不同工况条件下，车架承受的荷载不同，本文采用静力学对紧急制动、紧急转弯、弯曲三种极端情况的工况进行分析。结合构件变形规定参数，对有限元模型进行重量加载，促使质量单元均匀分布于车架上翼面上，重量参数18t。随后开展静强度分析，充分考虑动载系数条件，设计弯曲工况的荷载系数为2.0，设计制动工况、转弯工况的动荷载系数为1.3。根据实际行驶情况、标准要求，拟定工况条件如表1。

4.4 基于仿真结果的优化

在完成上述的有限元模型搭建、工况荷载优化之后，将有限元模型的搭建成果转化成bdf模式，在Nastran软件中求解分析，得到的结果导入Hyperview软件中，生成极端工况条件的位移图、应力云图[4]。从生成的仿真结果来看，车架的整体刚度分布均匀，在承受18t时，最大位移发生在鹅颈处，位移大小为49mm，位移方向为竖直向下。车架平均应力在250-270MPa之间，且均匀分布，但是在车架轮罩位置和鹅颈位置存在部分应力集中情况，局部达到500MPa（见图3应力云图）。可以得知这些部位是安全隐患，需要进一步调节或加强处理这一位置，适当减少应力强度，提高可靠性，使车辆运载安全系数更高。

5 结语

综上所述，本次研究的单轴边纵梁式钢铝结构厢式半挂车经过优化后满足运输工况要求。设计时考虑了实际运营需求和作业环境选择了合适的车架类型，才能够开发出契合需求的半掛车。在今后的开发与设计中，建议要多方考虑，灵活选择不同的车架；同时考虑节能减排要求，通过搭建有限元模型完成车架设计，减轻整车的重量，促使其满足市场的轻量化车架需要；也可以适当调整结构型，提升车架部分构件强度，避免其在长时间作业之下疲劳产生断裂，提升边纵梁式半挂车车架的应用水平。在当下铝焊普及不足的情况下，考虑到维修及时性和便利性，本次研究的厢式车型先采用钢铝混合结构，即车厢采用铝合金，车架采取高强钢焊接再拼装而成的方式，日后再逐步走向全铝化。

参考文献：

[1]田甜，翟豪瑞.某半挂车的设计与分析[J].汽车实用技术，2020，45（23）：66-69.

[2]彭永香，杜芳，付常伟，杜金科，李萍.半挂车车架纵梁结构分析与优化[J].中国钢铁业，2019（05）：59-60.

[3]郭海刚，赵富铎，王永静. 一种能上叉车的半挂车车架结构设计[C]//.第十五届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集，2018：108-109.

[4]赵阳. 基于准动态模型的半挂车纵梁轻量化优化[C]//.2018中国汽车工程学会年会论文集，2018：1405-1409.