罐式汽车结构与设计

铝合金罐体罐式汽车结构与设计

摘要：罐式汽车是指装有专用罐状容器的运货汽车。它具有运输效率高、保证运货质量、利于安全运输、减轻劳动强度、降低运输成本等优点。随着我国各行业对物流运输需求的不断增大，罐式汽车的作用愈加突出，在专用汽车中所占的比例也明显增加。

关键词：罐式汽车结构设计铝合金

1绪论：

研究表明，汽车的燃油消耗与汽车的自身质量成正比，汽车质量每减轻10%，燃油消耗将降低 6%～10%，排放降低4%[2]。在驾驶方面，汽车轻量化后，加速性提高，车辆控制稳定性、噪音、振动方面也均有改善。从安全性考虑，碰撞时惯性小，制动距离减小。节能、环保、安全、舒适是汽车发展的新技术趋势,尤其是节能和环保更是人类可持续发展的重大问题。汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要，是汽车工业发展的方向之一，也是提高汽车的燃油经济性、减少排放的重要技术途径。汽车轻量化技术的具体内容实际上是功能完善、自重轻、性价比高的结合。

2 铝合金罐体罐式汽车

2.1铝合金罐体的优势

a. 降低整车整备质量，减少燃油消耗，缩小运输成本。根据欧洲铝业协会相关研究报告，整车质量与单车燃油消耗成正向变化关系。以45 m3的铝合金液罐式汽车消耗柴油为例，它比碳钢或不锈钢材料罐体的质量约少5 t，从运输成本出发，单车整备质量每减轻1 t，车辆每行驶100 km可节省0.6 L柴油。如果一辆车每年运行里程为12万km，只按该里程的一半计算（空载行驶），则一年至少可节省柴油1 800 L，折合目前市场价约为1万元。

b. 在相同整车质量下，由于铝合金材料罐体的空载整车质量降低，承载体积变大，从而有效提高了承载经济性。按照我国道路安全法规规定，车辆总质量不得超过55 t。在规定的总质量的前提下，要想提高运输总量，只能从车辆轻量化入手，进而增加其有效承载能力获取更好的经济效益。从增加收益的角度出发，采用铝合金罐体的车辆比碳钢罐体的车辆承载量约多5 t，仍以每年12万km的里程计算，运输费用为0.5元/(km·t)，每车可额外增加收入约15万元，可以看出使用铝合金罐体的经济效益非常可观。

c. 耐氧化，化学性质较稳定，回收循环利用价值高。由于铝合金具有较强的耐腐蚀性，而且这种稳定的化学性质跟使用时间基本不存在关系。所以用户在按国家运输车辆报废有关规定将车辆报废之后，铝合金罐体整体不会出现较大损失，特别是内部不会有很大的损伤。对于按国际标准生产工艺生产的罐体，以目前国际行业出具的回收标准看，回收价值是原铝的85%以上。如一个由5 t成品铝制成的罐体使用到罐式汽车报废时，按照目前国际市场上铝的价格，仅罐体回收就有8万元的剩余价值。

d. 相对维修成本低，使用寿命更长。铝合金具有良好的耐腐蚀性这一优势特别体现在运输较强腐蚀性物品为主的罐式汽车上，由此而给客户带来的直接利益就是相当可观的。由于化学性质稳定，故障率低，维修率低，铝合金罐体的寿命比普通的碳钢罐体大大延长了。一般说来，碳钢罐体的寿命为7 10年，这也是我国道路运输条例的有关规定。但根据目前欧美及东南亚使用铝合金罐体的经验，铝合金罐体的寿命为15 20年。同时，由于铝合金性质稳定、耐腐蚀性好，一般内部不需要做任何涂覆，表面也不需要做其他处理，特别是运输对环境要求较为苛刻的流体时，清洗非常容易，并且铝合金罐式汽车的维修成本相当小。

e. 铝合金材料常用作电力传输，具有良好的导电性。罐式汽车在高速运行时，铝合金由于具有良好的导电性能，罐体表面上静电聚集量很少，特别是在油料运输时不会产生火花引起爆炸事故。同时，由于柔韧性较好，易于吸收变形能量。在发生碰撞或侧翻时所产生的瞬间能量能被迅速的吸收，从而起到缓冲的作用，不会造成罐体开裂、流体泄露等环境污染。同时，由于整车质量的降低，铝合金罐式汽车的物理重心也相应降低，这就大大减少了罐式汽车侧翻的几率，提高了驾驶安全性。

f. 由于铝合金具有较好的可塑性，在进行相关的压力加工时，无需特殊设备和加工工艺。同时，铝在地壳的储量比铁高几十倍，而且又是第二大被开发应用的金属，目前国际上的加工工艺都已经非常成熟

2.2铝合金罐体具有良好的环境和社会效益

排放过高；而在环境变暖已成为全球关注的热点，主要原因是温室气体CO

2

2009年的哥本哈根气候会议上，我国政府也做出了碳排量大幅下降的承诺。这就使得降低燃油消耗成为今后我国汽车工业的研发重点。欧洲铝业协会的研究报告显示，在使用年限内，整车每使用1 kg铝合金，可减少CO

排放28 kg。依

2

排放140 t；此算来，如果使用铝合金罐体，整车重量减轻5 t，总计减少CO

2

美国研究表明，在欧Ⅳ标准下，每百公里油耗Y与车身质量X的关系式：

、Y=0.003X+3.343 4，汽车质量每减少1 000 kg，油耗下降7% 12%，同时CO

2 NOx的排放量也将下降，环境将得到极大的改善，社会效益明显。因此，无论从经济效益、安全性，还是从环境以及社会效益来说，铝合金罐式汽车都有着良好的市场前景。

罐式汽车销量表

3 设计方法

目前国内的绝大多数企业，罐式汽车的生产设计都是主要针对罐体及与之相连的附件和各系统，而汽车底盘则是汽车企业采购通用货车底盘，只设计上装部分，再与配套的底盘装配或连接。之前上装的设计基本都是靠经验设计，即只设计上装每个零部件的尺寸等参数，再作出二维图。这些传统的设计方法已经不能满足现代设计的需要。随着计算机技术的发展，CAD/CAE技术应充分利用到罐式汽车的设计过程中。产品由三维软件进行建模之后，导入有限元分析软件，模拟车辆在各种实际工况下的应力和应变状态，从而可以根据分析结果验证和改进有关结构，避免了样车生产出来后出现结构方面的问题。将CAE 技术的有限元法和优化技术有机结合起来，在对结构进行工程分析得到可行性设计方案的基础上，对其进行进一步的优化设计，从结构的形状优化到设计参数的优化选择，通过这一过程，可以提高产品设计技术指标，并满足结构轻量化的目标。我们可以对罐式汽车的罐体、支撑架、车架等零部件进行拓扑优化、尺寸优化等优化技术，从而在确保装载质量和可靠性的前提下降低罐式汽车的整备质量。尺寸优化是一种参数优化技术，用来获得理想的设计参数组合，如材料参数、横截面尺寸和厚度

例如，在满足刚度、强度的前提下，减小罐式汽车的罐体、隔板、车架，以及支撑架等零部件的厚度。拓扑优化则是在一定的空间结构区域内根据约束、载荷及优化目标寻求材料最佳分布的一种设计方法，从而减轻结构重量或提高结构性能。拓扑优化相对于尺寸优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，是结构优化最具发展前景的一个方面。例如，可以通过拓扑优化对罐式汽车的支撑架和车架设计减重孔，从而减小这些零部件的质量。

4 结构改进

由于国内的罐式车企业几乎不生产底盘，而采购通用底盘，那么这些底盘生产厂商需要改进底盘结构，降低质量。首先，目前欧美等发达国家的专用车早已普及及应用空气悬架，特别是危险品罐式运输车辆，基本都采用了空气悬架空气悬架系统在质量上比钢板弹簧悬架有大幅减小，在结构方面更紧凑，而且还可以提高轮胎的附着能力，提高在低附着系数路面上的起步能力，缩短制动距离；转向时，过多转向和不足转向倾向减小，转向稳定性强，提高了整车的操纵稳定性；在较差的路面环境下，空气悬架可以有效地隔断路面传递的振动，降低振动对罐式汽车的上装设备的损害。

加大罐式汽车底盘的开发力度，着力追求罐式汽车底盘的适用性、可靠性和