汽车起重机车架抗冲击性能优化研究

引言

汽车起重机在工程建设领域扮演着重要角色，其兼具道路行驶与吊装作业的双重功能属性。车架作为连接底盘与上车作业装置的核心结构部件，在实际运行中不仅需承载吊重产生的静态负荷，还会受到行驶过程中路面起伏引起的垂直方向冲击、吊装作业时重物摆动产生的水平方向作用力，以及意外碰撞时的瞬时荷载影响。本文尝试结合动态力学相关理论与现代设计理念，从多个角度对提升车架抗冲击性能的方法进行研究，并通过具体案例分析验证优化方案的可行性。

1 汽车起重机车架冲击载荷分析

1.1 行驶冲击载荷

在汽车起重机的实际运行工况中，非铺装路面行驶工况下，路面条件与行驶参数对车架冲击载荷存在显著影响。依据 GB/T3811-2008《起重机设计规范》相关规定，当汽车起重机以 30km/h 的速度行驶时，路面冲击系数理论值处于 1.5-1.8 区间，这意味着车架所承受的动态载荷将达到静态载荷的 1.5 倍以上。

值得关注的是，行驶过程中产生的冲击载荷呈现出较为明显的频率特性，其频率范围通常集中在 5-20Hz 。相关实测研究数据表明， 6×4 驱动形式的汽车起重机在碎石路面行驶时，车架纵梁中段的振动加速度峰值可达12g ，此类高频冲击可能会对车架焊接部位的疲劳性能产生不利影响，增加疲劳裂纹萌生与扩展的潜在风险。

1.2 作业冲击载荷

吊装作业过程中产生的冲击载荷来源较为复杂，主要涉及三个关键方面。其一，重物起吊瞬间，惯性作用会产生冲击效应，特别是当吊重接近额定载荷时，起升加速度引起的动载系数可能达到 2-3 倍；其二，吊臂变幅或回转操作时，离心力会对系统产生影响，当吊重摆动幅度达到 10^∘ ，其产生的水平冲击力约为吊重的 15% ；其三，突然制动或卸载工况下，会出现反向冲击现象，此时车架承受的扭矩载荷可能超出静态值的 1.2 倍。

对某 25t 汽车起重机进行作业测试发现，在吊重 15t、回转速度 1r/min 的工况下，车架与转台连接部位测得的瞬时应力达到 320MPa ，该数值与Q345 钢的屈服强度（ 345MPa ）较为接近，若长期在此工况下作业，存在引发塑性变形的潜在风险。

1.3 碰撞冲击载荷

意外碰撞（如与其他车辆或障碍物相撞）产生的冲击载荷具有瞬时性与高强度特点，碰撞时间通常在 0.1-0.3 秒内，冲击力峰值可达静态承载能力的 5-8 倍。车架前部的保险杠与纵梁是主要承力部位，若结构设计不合理，可能导致纵梁折弯、驾驶室位移等严重损伤。

根据欧盟 EN12999《起重机安全规范》，车架应能承受正面 10km/h 的碰撞冲击而不丧失基本承载能力，这对车架的吸能设计提出了更高要求。

2 车架抗冲击性能评价指标与传统设计局限

2.1 核心评价指标

动态应力水平：冲击载荷下的最大应力应低于材料屈服强度的 80% ，避免产生塑性变形；疲劳寿命：在 106 次冲击循环下，结构应力幅值应低于疲劳极限（Q345 钢约为 180MPa）；变形量：冲击载荷作用下，车架最大挠度应控制在轴距的 1/1000 以内，防止影响吊臂作业精度；吸能效率：碰撞冲击时，车架变形吸收的能量应占总冲击能量的 60% 以上，减少传递至其他部件的载荷。

2.2 传统设计的局限性

静态设计导向：传统设计多采用静态强度校核，通过增加壁厚或加强筋提升承载能力，导致车架重量过大（约占整车重量的 20‰ ），反而降低了动态响应性能；应力集中明显：纵梁与横梁的焊接节点、吊耳安装座等部位设计粗放，易形成应力集中，在冲击载荷下成为薄弱环节；材料匹配不足：整体采用单一强度等级的钢材（如 Q345），未能根据不同部位的受力特点实现材料梯度应用；缓冲机制缺失：缺乏主动或被动的冲击缓冲装置，冲击载荷直接由车架刚性承受，加剧结构损伤。

3 汽车起重机车架抗冲击性能优化方案

3.1 结构拓扑优化

基于有限元仿真技术，采用拓扑优化方法重构车架承力路径，实现减重与抗冲击性能提升双重目标：将传统“工”字形纵梁截面改为变截面箱型结构，中段高度增加 15% 、两端宽度增加 10% ，使弯曲刚度提升 20% 、扭转刚度提升 25% ；以圆弧过渡替代直角连接，并在纵梁与横梁连接处设置渐变式加强板，将应力集中系数从 2.3 降至 1.5 以下；运用 HyperWorks软件对车架非承力区域进行拓扑分析，在腹板开设不超截面高度 1/3 的菱形减重孔，实现 5-8% 的减重；在支腿安装座周围采用“蜂窝状”加强结构，使后支腿区域冲击应力降低 30% 。某 35t 汽车起重机经优化后，车架质量从 2850kg 降至 2620kg ，在 15g 冲击载荷下的最大应力从 360MPa 降至280MPa_o

3.2 材料选型与应用优化

根据车架不同部位的受力特性，采用梯度材料方案实现强度、韧性与轻量化的平衡：主体结构采用 Q690 高强度低合金钢替代传统 Q345 钢，屈服强度从 345MPa 提升至 690MPa ，相同承载能力下壁厚可减薄 20‰ ；冲击吸能区域，即车架前部（易受碰撞部位）采用 DP800 双相钢，其抗拉强度达 800MPa ，断后伸长率 ≥15% ，可通过塑性变形吸收更多碰撞能量；焊接区域选用与母材匹配的 E5015-G 低合金钢焊条，配合预热（150-200C ）与后热（ 250^qC×1h ）处理，减少焊接残余应力，使接头在 -40^cC 时冲击功 ⩾47] ；局部耐磨部位，如支腿支撑面等易磨损区域堆焊 D212 耐磨焊丝，硬度达 HRC50-55，提升冲击载荷下的耐磨性。经材料优化，某 25t 起重机车架重量减轻 12% ，动态承载能力提升 40% ，疲劳寿命延长至 8×10⁶ 次循环。

3.3 缓冲与减震机制创新

通过主动与被动相结合的缓冲技术，降低冲击载荷对车架的直接作用：

悬挂系统匹配：将传统钢板弹簧悬挂改为空气弹簧 液压减震器组合系统，通过调节空气弹簧气压适应不同载荷，液压减震器的阻尼系数可根据冲击频率自动调整（ 5-20Hz 范围内衰减率 gtrsim60% ）；

液压缓冲装置：在支腿液压缸油路中增设蓄能器与节流阀，当支腿突然着地时，液压油通过节流阀进入蓄能器，将冲击压力峰值从 35MPa 降至20MPa 以下；

弹性连接设计：在车架与转台之间安装聚氨酯弹性垫（硬度 80ShoreA，厚度 8-10mm ），可吸收 15‰ 的水平冲击能量，减少扭矩传递；

智能预警系统：通过安装在车架关键部位的加速度传感器（采样频率1kHz）与应变片，实时监测冲击载荷大小，当超过安全阈值（如 10g ）时，通过驾驶室报警装置提示减速或停止作业。

结束语

提升汽车起重机车架的抗冲击性能不仅能够保障其在极限工况下的安全作业，还能够延长设备的使用周期，降低维护成本，减少故障率，对于推动汽车起重机的技术革新和市场推广具有重要的现实意义与深远的经济价值。本文通过结构拓扑优化、材料梯度应用与缓冲机制创新，形成了汽车起重机车架抗冲击性能的系统优化方案。未来研究可向智能化方向拓展，包括开发基于机器学习的车架冲击载荷预测模型以实现动态响应实时预警；探索自适应可调的智能缓冲系统，使其能根据不同工况自动优化阻尼特性；研究碳纤维复合材料在车架局部结构中的应用，进一步提升比强度与抗冲击韧性。

参考文献

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