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一种铝合金单轴厢式运输半挂车的研究开发

2024-12-25 57 上传者：管理员

摘要：随着厢式运输半挂车技术的发展，符合法律法规的厢式运输车将保持增长趋势。利用现代设计方法，理论与试验结合，开发一款铝合金单轴厢式运输半挂车，将铝合金厢体与挂车结合为一体，采用轻量化技术，使得车辆整体结构上更稳定、重量更轻，可回收残值高，符合绿色低碳环保的发展理念。

关键词：
单轴
厢式运输半挂车
现代物流业
轻量化
铝合金
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中国的现代物流业，是经济竞争日益加剧的形势下发展起来的新兴产业。随着国内厢式运输车半挂车技术的日益成熟，基础运输业的不断完善，以及各地方性法规、标准、政策的支持，厢式运输半挂车保持高速增长态势。与此同时，国家对节能、环保日益重视，传统铁质瓦楞车厢、复合板车厢因自身重、装载小等原因，逐步被各行业用户所淘汰[1]，更加低碳、绿色的铝合金轻量化厢车受到青睐。

在欧美，发达国家铝制半挂车的开发和应用已有30多年的历史，技术已相当成熟。我国为全球第一大铝材生产国和消费国，铝材应用在交通领域的比例较少，车辆零部件铝化尚处于起步阶段，推进铝材在节能、环保技术上的运用还有很多工作要做。欧美厢式车技术成熟，产品成系列化、标准化，并向纵深发展，目前是国内专用汽车企业争先模仿的对象。随着机动车运行安全技术条件国家标准（GB7258-2017）的发布、按轴收费等政策的落地实施，单轴厢式运输半挂车的市场需求将呈现爆发式的增长趋势。

影响物流运输作业最直接的因素是车辆，为了提高运输效率、降低运输成本，针对运输密度较小容积较大的货物类型，研发一款符合国家标准、容积较大、重量较轻的单轴厢式运输半挂车显得尤其顺应需求。

1、国内厢式运输半挂车现状

目前针对中长途物流运输，采用的多是“集装箱运输半挂车+车厢”的类型，随着国家法律法规的要求，53尺和48尺运输半挂车逐渐的退出了运输市场。45尺达标车型的入库要求逐步缩减了快递轻密度货物的容积，远远达不到物流公司的需求。伴随法律法规逐步变得严格和按轴收费政策的落实，研发出符合国标要求同时满足运输需求的车辆显得尤为重要。

常规的厢式运输半挂车的方案图如图1所示，尺寸符合国标要求，容积80～90立方。对于厢式运输半挂车来讲，长度、宽度以及高度已经限定了尺寸，若想增加上部箱体容积，在长度和宽度方面已无多大空间，只能在下装部分做文章。

图1 两轴厢式运输半挂车

从材料的选择来看，目前还有较大部分的物流箱车采用的是钢制车厢或复合板车厢，在轻量化方面具有一定的局限性；而铝合金材料在轻量化方面具有明显的优势。

铝合金材料自身的优势如下：

（1）铝的密度约为钢铁的1/3[1]，在相同条件下，铝合金车厢同钢车厢相比，重量可减轻 20%～30%以上。由于重量减轻，在同样牵引力的条件下，铝合金车体可增加10%运量，进而可节能降本；

（2）铝合金强度好，纯铝添加铜、镁、锰、铬等合金元素制成铝合金，并经热处理后而得到较高的强度；

（3）铝的延展性好，容易于挤出形状复杂的中空型材，具备较好的强度同时也节约材料；

（4）铝及铝合金外观美观，适于各种表面处理；还具有耐腐蚀性、良好的导热性和导电性等优点。

用铝合金制造的厢式运输半挂车，不仅具有减重优势，还具备强度高、材料回收利用率高等优点。对促进厢式运输半挂车的轻量化进程有着重要的意义，更符合当今环保、安全、节能的节约型社会主题。

为适应市场发展需求，提高市场占有率，本项目主要是开发设计一体式的单轴全承载厢式运输半挂车产品，具备重量轻、装载容积大、强度高、低风阻等高性能的特点[3]。

2、单轴厢式运输半挂车

2.1 产品概况

这款单轴厢式运输半挂车是一体式车型，采用全承载的结构设计方案。厢车的外观造型采用了大圆角前立柱和边梁，外观美观，一方面可以降低风阻，另一方面可以减少转弯半径，在符合法规的基础上可以有效地增加车厢长度。如图2 所示。

单轴厢式运输半挂车的整车尺寸为长度13750 mm、宽度2550 mm、高度4000mm[5]，符合GB1589-2016 的要求。容积达到105立方，整车基本采用铝合金材料，整备质量仅4t～5t。自重轻，容积大的特点可有效地降低运费成本，提高运输效率。

图2 单轴厢式运输半挂车方案图

2.2 产品结构

单轴厢式运输半挂车主要由箱体结构、行驶机构、支撑装置等构成。整体结构采用了无大梁的全承载结构形式，结构工艺简单、自重轻、承载面低。

箱体结构主要为装载货物，其中前墙、侧墙、后门主要由6系铝合金型材拼装后，采用焊接工艺制作而成，具备抗涨箱能力和防水结构；顶部结构主要起到防雨密封作用，采用蒙皮和骨架的结构形式，具备一定的抗扭曲变形能力；底板作为车厢的主要受力部位，一般采用较复杂的铝合金型材断面，该厢式运输半挂车采用专利横铺底板结构，承载能力好、自带防滑纹路。

行走机构安装在铝合金大梁上，配置主要为：米其林轮胎、带蹄片磨损传感器车轴、带风扇轮辋、单轴轻型悬架、JOST支撑装置和牵引销等。

该单轴厢式运输半挂车外形尺寸符合国家标准，采用了全承载的分段阶梯结构设计，承载强度高、重量轻，并利用一切可利用的空间，增加容积，相对于平板结构增加容积约11立方。外观采用大圆弧立柱和裙边降风阻，使得这款车辆在行驶中更加节省燃油，节约成本。实车如图 3 所示。

图3 单轴厢式运输半挂车实车照片

2.3产品分析计算

该款单轴厢式运输半挂车采用了全承载的结构类型，车厢与部分车架形成整体结构。为了保证单轴厢式运输半挂车结构的承载要求，又尽可能的进行轻量化，采用了有限元方法计算在各种载荷工况下的受力情况。

2.3.1有限元模型建立

根据单轴厢式车的三维结构，搭建了有限元模型，建模过程中简化了细小特征[4]，结构件之间主要采用焊接单元和螺栓、铆钉连接。悬挂和轮胎采用了简化刚性单元的方式进行模拟。有限元模型如图4所示。

图4有限元模型

车辆厢体部分主要采用6系铝合金型材，门框、牵引销安装板及部分加强板采用Q345B或 B510L的钢板。常见的铝合金型材及钢板材料的物理性能见表1。

表1材料物理性能

2.3.2车辆强度模拟计算

按GB1589-2016规定，单轴厢式运输半挂车最大总重量18t，这里按14t额定载荷进行加载，载荷通过质量点施加于厢内地板。考虑了车辆实际使用状态，选取了几种典型载荷工况进行模拟，即甩挂工况、弯曲工况、扭转工况、转弯工况、制动工况，并对这些工况分别进行分析校核[2][4]。

（1）甩挂工况

甩挂时，车辆处于静止状态，支撑装置和轮胎一起支撑地面。载荷按照额定载荷14t加载，位移分别约束支腿及轮胎处。此工况下应力云图见图5，最大应力282MPa，位置在支腿安装板上，小于B510L的许用应力，满足使用要求。

图5甩挂工况-应力云图

（2）弯曲工况

弯曲工况主要考虑半挂车挂入牵引车后，在路面静止或者在道路上匀速行驶时，车辆的受力及变形情况，考虑到路面的不平整及颠簸时，在车辆满载时，按2.0的安全系数进行计算，以保证结构的安全。位移边界条件约束在牵引板、牵引销及轮胎处。此工况下应力云图见图6，最大应力305.5MPa，位于侧门底部两个角处，小于B510L的许用应力，满足使用要求。

图6弯曲工况-应力云图

（3）扭转工况

车辆在行驶过程中，受到非对称载荷的作用，产生扭转工况，在此工况下车身结构主要承受车身自重和最大载荷引起的扭转组合变形，约束时需释放单侧轮胎的自由度，此工况下应力云图见图7，最大应力354MPa，位于牵引板与前梁连接处，小于B510L的许用应力，满足使用要求。

图7扭转工况-应力云图

（4）转弯工况

在车辆行驶中转弯的时候，车辆除了承受载荷和自重外，还受到侧向惯性力的作用，载荷以额定加速度转弯加载，此工况下应力云图见图8，应力最大323MPa，位于底部侧门处，小于 B510L的许用应力，满足使用要求。

图8 转弯工况-应力云图

（5）制动工况

紧急制动工况计算主要考虑车辆满载情况下，以额定加速度制动时，地面制动力对车身骨架等的影响；在水平弯曲工况基础上，对整车施加纵向惯性力。此工况下应力云图见图9，应力最大247 MPa，位于牵引板加强梁处，小于 B510L 的许用应力，满足使用要求。

图9 制动工况-应力云图

通过对车辆在几种典型工况下强度的计算和校核，总结出最大应力均小于材质的许用应力，使用安全，车辆具备使用可靠性。

2.4 路试试验

由于单轴厢式运输半挂车结构的特殊性，为了能够确保该车型的安全性能，对此车型进行静载试验和路试。

（1）静载试验：在静载满载作用下，检测车厢变形情况、底板是否开裂、大梁变形以及是否开裂等；

（2）路试试验：通过相应里程的常规道路试验后，检测车厢、大梁等结构件的变形、开裂情况、行驶机构是否正常以及各功能性是否满足要求。

从整个试验结果来看，车厢部分结构件运行情况良好，未出现开裂及较大的塑性变形，残余变形小于12mm，满足使用要求。

3、结论

通过对单轴厢式运输半挂车的开发和分析，得出如下结论：

（1）该款车型采用了铝合金环保低碳材质，轻量化汽车符合物流用车节能、安全、环保方面的要求；

（2）全承载的结构设计，降低了承载面的高度，可有效提高车辆稳定性和安全性，同时相应增加了产品的容积，新型底板结构有效地增加了承载能力，降低产品自重的10%～20%。在行车安全方面，配备了胎温胎压监测、倒车影像、气路低压报警系统、蹄片磨损传感器，风扇轮辋等进一步提高车辆性能；

（3）通过有限元分析及路试试验，该车厢车架强度和刚度满足设计需求，产品可靠，运行安全；

（4）外观美观，结合厢体平面设计及裙板设计，可有效降低风阻，降低油耗；单轴箱车按轴收费情况下，运输成本低，一体化车厢年检时方便，降低了吊装成本，运输效率高，客户体验好。

随着国家对节能、环保日益重视，行业追求低碳绿色的轻量化设计已成为必然趋势。在当前国家大力整顿超载超限的整体形势下，车辆的轻量化可以让用户获得更高的经济效益，提升产业链的竞争力，并逐步同国际化市场接轨。未来物流用车必然朝轻量化、节能化、安全化方向发展；而铝合金轻量化车厢也必然符合物流行业的用车需求和发展趋势。

参考文献:

[1]邱加亮.轻量化铝型材在车厢上的应用优势及发展趋势[J].科技展望,2015,25(16):145.

[2]姜立岩,韩洪涛.铝合金汽车轻量化及其焊接技术[J].内燃机与配件,2021,(07):111-112.

[3]宋筠毅,刘东阳,张正林,等.铝合金在轻量化车身中的应用及连接技术[J].上海汽车,2016,(6): 52-56.

[4]翟正锟,崔俊杰,郑伟茂,等.某鹅颈式半挂车车架有限元静态分析[J].中国农机化学报,2014,35(2): 175-178.

[5]王永光.铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用 [J].科技创新与应用,2012,(26):26

文章来源:徐医培.一种铝合金单轴厢式运输半挂车的研究开发[J].福建冶金,2025,54(01):52-55.