論軸載在汽車衡承載臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性

1、 論軸載在汽車衡承載臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性查玉娟，吳惠芳，周海軍，李錦利梅特勒-托利多（常州）測(cè)量技術(shù)有限公司摘要 一直以來，汽車衡的關(guān)鍵指標(biāo)之一是最大秤量，但最大秤量對(duì)于汽車衡承載臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并無真正的實(shí)際意義，因?yàn)樗鼰o法明確車輛是以怎樣的方式對(duì)承載臺(tái)面施加載荷。當(dāng)車輛行駛在承載臺(tái)上時(shí)，車輛質(zhì)量因重力產(chǎn)生的載荷是通過各個(gè)輪軸分配后作用在承載臺(tái)上的。對(duì)輪軸載荷（簡稱軸載，包括單軸和軸組）進(jìn)行分析，將其作為汽車衡承載臺(tái)的力學(xué)模型中的重要信息，可以直觀地對(duì)承載臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)度和剛性的計(jì)算、校核。關(guān)鍵詞 汽車衡，最大秤量，軸載1.引言梅特勒-托利多新推出的汽車衡產(chǎn)品，為滿足不同客戶的個(gè)性化使用需求，設(shè)置了豐

2、富的可選配參數(shù)，客戶可以針對(duì)其使用工況合理選擇配置。其中，很重要的一個(gè)參數(shù)就是軸載，軸載的大小決定了汽車衡產(chǎn)品的承載臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載能力，也直接關(guān)系到產(chǎn)品的使用質(zhì)量和壽命。2.汽車衡稱量能力的關(guān)鍵指標(biāo)之軸載的引入在汽車衡應(yīng)用領(lǐng)域，最大秤量是最關(guān)鍵的參數(shù)指標(biāo)之一，這決定了汽車衡的稱量范圍的上限。因此，客戶在產(chǎn)品選型時(shí)，往往將此作為首選的的基本參數(shù)，而制造商也將此作為制定售價(jià)的參數(shù)依據(jù)之一（另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)就是汽車衡尺寸）。事實(shí)上，決定汽車衡稱量能力的要素，除了最大秤量，還有另一個(gè)真正重要的指標(biāo)：允許軸載。什么是軸載？軸載是指車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下，由于重力作用，車輛總質(zhì)量產(chǎn)生的通過各軸或軸組施加到支承平面的

3、垂直載荷，所有軸或軸組載荷的總和為車輛總載荷，最大軸載是指車輛的其中某個(gè)單軸或軸組的最大載荷。汽車衡的允許軸載是指可以承受的通過車輛的最大軸載。允許軸載對(duì)汽車衡承載臺(tái)的設(shè)計(jì)和使用至關(guān)重要，其實(shí)際意義1 上己經(jīng)超過最大秤量。為描述方便，下文均以簡稱“軸載”來替代允許軸載。為了對(duì)此觀點(diǎn)進(jìn)一步闡明，請(qǐng)看以下例子。兩臺(tái)相同的最大秤量為60t的汽車衡，承載臺(tái)面尺寸為3.4m(寬）x18m(長），均為三節(jié)臺(tái)面組成，共有 8個(gè)傳感器支承。正常使用情況下的過衡車輛質(zhì)量均為 50t左右，差異在于：其中一種常用過車為自卸車，另一種為普通拖掛車。哪臺(tái)汽車衡的使用工況更惡劣呢？由于汽車衡承載臺(tái)面不可能制作得很長來容納

4、整個(gè)車輛長度，必須拆分成多個(gè)臺(tái)面，每個(gè)臺(tái)面長度一般不超過7m，因此，車輛輪軸就分布到不同的承載臺(tái)面上了。如圖一所示，在某個(gè)瞬間，單節(jié)承載臺(tái)面承受的最大載荷就是汽車的最大軸載質(zhì)量產(chǎn)生的，而不是由汽車總質(zhì)量產(chǎn)生。自卸車最大軸載 40t，拖掛車的最大軸載為 30t。在整個(gè)行駛過程中，車輪軸是移動(dòng)的，因此汽車衡各個(gè)承載臺(tái)面均會(huì)受到來自最大軸載產(chǎn)生的載荷的作用。顯然，前者的汽車衡使用工況較為惡劣。圖一車輛總質(zhì)量的分配從以上簡單的力學(xué)分析看，車輛總質(zhì)量其實(shí)掩蓋了汽車衡臺(tái)面承載狀況的真實(shí)面貌，最大秤量對(duì)于汽車衡的實(shí)際承載強(qiáng)度而言并不直接相干，因?yàn)檫@并沒有提及載荷是如何施加在汽車衡上的。但是，如果將汽車總質(zhì)量

5、分解到每個(gè)軸或軸組上，臺(tái)面的承載受力模型就變得非常明確，其強(qiáng)度、剛性等力學(xué)計(jì)算就比較直觀。因此，需要將最大秤量轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的軸載參數(shù)指標(biāo)。3.“集中載荷承受能力”（CLC)的定義“集中載荷承受能力”（Concentrated Load Capacity)(簡稱 CLC)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研宄院（NIST)和美國國家型式評(píng)估程序（NTEP)所要求的一個(gè)規(guī)范指標(biāo)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研宄院的“NIST Handboo k44”（第 44號(hào)手冊(cè)）中對(duì)此規(guī)范指標(biāo)有概述，它適用于美國和其它承認(rèn)該規(guī)范要求的地區(qū)，由衡器生產(chǎn)廠家自行定義，并且在產(chǎn)品的2 使用和測(cè)試中均用到此概念。對(duì)于公路上行駛車輛的質(zhì)量限制，

6、通常表示為一個(gè)雙聯(lián)軸（兩個(gè)緊挨著的軸，其位置固定在一個(gè)大約為的面積內(nèi)，雙聯(lián)軸間距1.2m)的最大允許質(zhì)量。集中載荷承受能力（CLC)也作為廠家設(shè)計(jì)的汽車衡所能承受的雙聯(lián)軸的最大質(zhì)量。由于實(shí)際車型不僅僅只有雙聯(lián)軸，多聯(lián)軸與雙聯(lián)軸有個(gè)大致的換算關(guān)系，目的是計(jì)算和測(cè)試變得簡化。如果是間距為3.6m的三聯(lián)軸，則可承受等效成1.324倍雙聯(lián)軸CLC的作用。也就是說，3.6m間距的三聯(lián)軸的質(zhì)量對(duì)汽車衡臺(tái)面產(chǎn)生的作用，等效于1.324倍1.2m間距的雙聯(lián)軸的作用。例如，如承載臺(tái)面的設(shè)計(jì)指標(biāo)為雙聯(lián)軸CLC值為40t，則也可承受三聯(lián)軸CLC值53t(40*1.324-53)。當(dāng)然，對(duì)于不同間距的多聯(lián)軸，需要根據(jù)

7、具體的承載臺(tái)面尺寸詳細(xì)換算才更科學(xué)，不能一概而論。下圖二為雙聯(lián)軸、三聯(lián)軸間距示例：圖二車輛雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸間距示例4.中國境內(nèi)的軸載標(biāo)準(zhǔn)在我們國家，在橋梁道路及其它構(gòu)造物設(shè)計(jì)方面，也將車輛軸載作為設(shè)計(jì)指標(biāo)的依據(jù)，見公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JTGB01-2014。那么，軸載究竟如何取值呢？這就需要了解相關(guān)的法規(guī)要求。為加強(qiáng)對(duì)超限運(yùn)輸車輛行駛公路的管理，維護(hù)公路完好，保障公路安全暢通，根據(jù)中華人民共和國公路法及有關(guān)法規(guī)，二年二月十三日，國家交通部頒布了2000年第 2號(hào)令（簡稱 2號(hào)令），其中，關(guān)于超限運(yùn)輸車輛的界定，除長、寬、高以及總質(zhì)量之外，對(duì)于車輛軸載做出了明確的范圍規(guī)定，任意一條超過以下規(guī)定軸載的均

8、納入超限車輛范圍，具體見表一。3 表一 2號(hào)令規(guī)定的公路運(yùn)輸軸載限值軸型圖樣軸型代碼額定軸載（t）單軸單輪16單軸雙輪雙軸單輪231010雙軸單雙輪雙軸雙輪451418三軸單輪三軸雙輪671222表二是七部委在全國開展車輛超限超載治理工作期間頒布的“超限超載車輛認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)圖解”，其關(guān)注點(diǎn)在于整車載重限制。對(duì)于不同車型，按自然軸計(jì)數(shù)（此處的軸僅指單軸，而非軸組），將表一中的軸組值相加并與表二比較，發(fā)現(xiàn)七部委關(guān)于總質(zhì)量超限的界定略微寬泛些，簡單理解為單根軸限值10t。不同的省份在道路車輛超限管理方面可能稍有不同，但均以此兩種法規(guī)作為依據(jù)。4 表二超限超載車輛認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)圖解軸車車型圖解總重限制(t)2軸

9、車203軸車304軸車405軸車506軸車605 結(jié)合2號(hào)令和七部委的超限認(rèn)定的相關(guān)內(nèi)容，中國境內(nèi)車輛軸載的限定，可以簡單地大致總結(jié)如表三，作為相關(guān)橋梁道路等的設(shè)計(jì)參考依據(jù)：表三軸（或軸組）載限值軸型名稱軸型圖軸載限值（t）單軸10雙聯(lián)軸三聯(lián)軸20305.世界其它國家軸載標(biāo)準(zhǔn)世界上有一百多個(gè)國家制訂了車輛軸載限值標(biāo)準(zhǔn)。他們?cè)谥朴喸O(shè)計(jì)車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)及車輛軸重限值時(shí)，除了考慮本國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平外，同時(shí)考慮了采用重型汽車提高軸重限值而獲得的運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益與相應(yīng)增加的公路基本建設(shè)投資及原有公路網(wǎng)的補(bǔ)強(qiáng)改造費(fèi)用之間的合理平衡。由于提高軸重對(duì)公路投資的影響十分驚人，長期以來，各國政府都采取了極其慎重的態(tài)度

10、。世界多國的軸載限值標(biāo)準(zhǔn)如下表四、表五的部分摘錄。6 表四世界各國單軸和雙軸限定軸載一覽表單軸雙軸單軸雙軸國家及地區(qū)國家及地區(qū)(kN)(kN)(kN)(kN)阿根廷巴西10610010082180170191145145200印度12510010010090147日本加拿大哥倫比亞墨西哥美國韓國美洲亞洲新加坡20016410216016090澳大利亞中國香港利比亞10913010010012010013010010061法國10011013010010082德國160200190180147140180馬里英國摩洛哥意大利荷蘭尼日利亞非洲索馬里1601601621451201451801801

11、80歐洲西班牙瑞士南非坦桑尼亞扎伊爾80俄羅斯80泛美公路大會(huì)原經(jīng)互會(huì)亞太經(jīng)合會(huì)53/3/EEC80有關(guān)組織推薦1001101107 表五歐洲部分國家的貨車車重標(biāo)準(zhǔn)5軸及以上 5軸及以國家承壓軸驅(qū)動(dòng)軸 2軸貨車 3軸貨車 4軸列車列車60上鉸接車芬蘭法國1013101210101010101313191926262626332526252638383640403636343648404044503840344040德國11.5121840意大利荷蘭184411.521.51850俄羅斯西班牙瑞士3811.511.511.518401834英國1840與世界各國的數(shù)據(jù)對(duì)比，中國的超限認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)

12、較低（即，限值略偏高，放寬了運(yùn)輸要求），這在一定程度上是從發(fā)展中的國情出發(fā)，適度提高運(yùn)輸效益。6.汽車衡設(shè)計(jì)時(shí)軸載參數(shù)確定通過以上對(duì)軸載的限值分析，理論上說，汽車衡的軸載設(shè)計(jì)指標(biāo)可以很容易獲取了。按上述的描述，一般常規(guī)拖掛車最大質(zhì)量不超過60t，但是，為何在中國境內(nèi)，客戶的實(shí)際需求往往超過60t，汽車衡最大秤量集中在80100t，甚至120150t的也屢見不鮮，特殊應(yīng)用場(chǎng)合還超過200t呢？主要有幾方面的原因：a.超載現(xiàn)象依然嚴(yán)重。公路治超工作對(duì)高速公路效果明顯，通過計(jì)重收費(fèi)的杠桿調(diào)節(jié)作用，對(duì)超載車輛進(jìn)行罰款收費(fèi)，很大程度抑制了超載現(xiàn)象。但對(duì)于很多短距離（不上高速）運(yùn)輸?shù)能囕v，運(yùn)輸單位或個(gè)人為

13、追求經(jīng)濟(jì)效益，甚至不惜進(jìn)行車輛改裝，達(dá)到多拉增效的目的。b.短途運(yùn)輸車較多。如，下圖三的自卸車就是一個(gè)非常典型的類別，國內(nèi)多個(gè)自卸車廠生產(chǎn)的汽車，為滿足客戶要求，軸載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出限值標(biāo)準(zhǔn)，可以達(dá)到60-80t。8 圖三c.廠礦內(nèi)特種車較多，如下圖四的礦石、混凝土攪拌站、鋼廠等場(chǎng)合的車輛，車型和軸載都較特殊。圖四基于以上的現(xiàn)狀，汽車衡生產(chǎn)廠商，要提供客戶符合使用要求的汽車衡，如果只考慮最大秤量，難以針對(duì)客戶的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是，即使引入軸載概念，如果按照相關(guān)的軸載限值標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)承載臺(tái)，又經(jīng)常不能適應(yīng)實(shí)際使用，導(dǎo)致廠家和客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量上的歧義和糾紛。因此，筆者建議引入最大秤量和軸載雙指標(biāo)的設(shè)計(jì)

14、參數(shù)，通過對(duì)最大秤量和過衡的車型進(jìn)行分析，兼顧汽車衡長度，進(jìn)行合理分配，以及滿足多種車型稱量的要求。表六的最大秤量和軸載對(duì)應(yīng)關(guān)系，僅供汽車衡廠家設(shè)計(jì)和計(jì)算參考。從下表看出，最大允許軸載有30t以上的現(xiàn)象，超出前面章節(jié)描述的車輛軸載的規(guī)定限制，也就是考慮到客戶的不同應(yīng)用，根據(jù)過衡車輛的車型制定的滿足客戶使用要求的配置。一種最大秤量的汽車衡，可以有不同的軸載參數(shù)供選擇，用于客戶不同的場(chǎng)合。9 表六汽車衡最大秤量和軸載指標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系汽車衡最大秤量最大允許軸載軸間距軸型備注(t)（t)(m)10203050607單軸單軸限值范圍適用限值范圍適用限值范圍適用限值范圍適用限值范圍適用限值范圍適用102020

15、3030雙聯(lián)軸雙聯(lián)軸三聯(lián)軸三聯(lián)軸1.21.22.42.4特種車型適用、一般超載適用40604060雙聯(lián)軸三聯(lián)軸雙聯(lián)軸三聯(lián)軸1.22.41.22.480特種車型適用、一般超載適用特種車型適用、一般超載適用100120特種車型適用、一般超載適用8060三聯(lián)軸三聯(lián)軸三聯(lián)軸三聯(lián)軸三聯(lián)軸2.42.42.42.42.4特種車型適用特種車型適用特種車型適用特種車型適用特種車型適用8015020080100如何利用這些設(shè)計(jì)指標(biāo)？首先，要與客戶進(jìn)行充分溝通，了解客戶的實(shí)際應(yīng)用情況，過衡的車型主要有哪些，幫助客戶進(jìn)行歸類分析，選擇可能出現(xiàn)的最大軸載作為設(shè)計(jì)參10 數(shù)，確保汽車衡的強(qiáng)度和使用壽命。這樣處理的好處是：

16、讓客戶獲得符合實(shí)際使用要求的產(chǎn)品。如果允許軸載選取超過了實(shí)際應(yīng)用，為達(dá)到汽車衡的強(qiáng)度和剛性設(shè)計(jì)需要，客戶因此支付的成本也會(huì)高。反之，允許軸載的選取低于實(shí)際應(yīng)用，那么承載臺(tái)面會(huì)不堪重負(fù)，過早出現(xiàn)損毀等失效現(xiàn)象而無法繼續(xù)使用。所以，筆者認(rèn)為，合理的軸載確定，是確保汽車衡使用正常的重要因素之一。盡管汽車衡最大秤量一樣，但選擇了不同的軸載指標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)有所不同。只有這樣的針對(duì)性設(shè)計(jì)，產(chǎn)品質(zhì)量才可以得到保障。當(dāng)然，各廠家可以自行規(guī)定允許軸載指標(biāo)，在銷售產(chǎn)品前與客戶明確，利于產(chǎn)品符合實(shí)際使用要求。對(duì)于特種車輛，還需要了解詳細(xì)的車型參數(shù)，與汽車衡臺(tái)面尺寸進(jìn)行匹配，設(shè)計(jì)出合理的解決方案。計(jì)算汽車衡承載臺(tái)面

17、的強(qiáng)度和變形時(shí)，不僅考慮軸載大小和軸型，還需要考慮軸載的施加位置和范圍。計(jì)算校核模型中，載荷應(yīng)置于單節(jié)臺(tái)面的中間，此時(shí)的工況最惡劣。一般來說，軸載載荷可以為點(diǎn)載荷，也可以是按照車輪的投影形成的面載荷，具體由設(shè)計(jì)人員掌握。施加范圍可以根據(jù)具體的車型圖，進(jìn)行總結(jié)獲得經(jīng)驗(yàn)值。如下圖五所示為簡單的二維力學(xué)模型：圖五軸載作用方式以下圖六所示為軸載施加在承載臺(tái)面上的三維力學(xué)模型，適合有限元計(jì)算:圖六三維軸載作用示例11 7.汽車衡臺(tái)面強(qiáng)度和變形的檢測(cè)方法在 GB/T7723固定式電子衡2008年修訂版本里，增加了大型衡器的承載器的相對(duì)變形的要求以及具體的檢測(cè)方法。汽車衡一般為多個(gè)承載臺(tái)面組成，每個(gè)臺(tái)面應(yīng)分

18、別滿足該要求。下圖七和圖八取自 GB/T7723的相關(guān)章節(jié)，其推薦了最大秤量和檢測(cè)載荷對(duì)應(yīng)關(guān)系，這也為衡器廠家提供了一定的設(shè)計(jì)參考依據(jù)。當(dāng)然，具體設(shè)計(jì)時(shí)，軸載的選取和加載區(qū)域可比此更加嚴(yán)酷，作為各廠家的產(chǎn)品內(nèi)部指標(biāo)，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭力。6技術(shù)要求6.1結(jié)構(gòu)的一般要求應(yīng)用適用性衡器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合預(yù)期的使用目的。根據(jù) GB1589的規(guī)定，對(duì)于目前國內(nèi)正常使用的，最大秤量為30t至150t的大型衡器的承載器相對(duì)變形量按表5要求。表5衡器承載器相對(duì)變形衡器承載器的最大相對(duì)變形最大秤量/t檢測(cè)載荷/t加載區(qū)域/m新安裝后的首次檢測(cè)1/800使用中的隨后檢測(cè)1/600304050601526405011.82.631/8001/600801001201501/8001/6001/8001/600圖七12 圖八8.汽車衡承載臺(tái)面的使用壽命汽車衡在使用過程中，承載臺(tái)面一直處于重復(fù)的動(dòng)載狀態(tài)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力變化循環(huán)反復(fù)，疲勞破壞往往是主要的失效模式，因此疲勞壽命成為業(yè)內(nèi)衡量產(chǎn)品最終質(zhì)量好壞的重要因素。疲勞壽命的計(jì)算比較復(fù)雜，受很多實(shí)際