Konstruktion

Konstruktionen av trailers är ofta ett resultat av erfarenhet och kunskap som de producerande företagen och slutanvändarnas kunnande har uppnått genom åren. Bra lösningar gäller i allmänhet även för lätta fordon tillverkade i höghållfast stål. AHSS (Advanced High Strength Steel) möjliggör dock nya lösningar, men kan även kräva konstruktionsändringar för att utnyttja den högre hållfastheten.

Ett vanligt trailerchassi utgörs av två längsgående huvudbalkar av antingen standardiserade varmvalsade profiler eller svetsade I-balkar och ett antal tvärbalkar. För tvärbalkarna finns lösningar med öppna profiler, rör eller lådprofiler. Beroende på typ av släpvagn kan även golvbalkar och olika hållarprofiler fästas på chassit. Vagnens spindelbultområde består i regel av en spindelbultsplåt och vissa förstärkningsprofiler.

Uppgraderingspotentialen hos ett trailerchassi begränsas i regel inte bara av den statiska lastförmågan, utan även av utmattnings- och stabilitetsproblem. Därför är det viktigt att hitta en lösning med lämplig lastbärande förmåga för den befintliga konstruktionen som en bra utgångspunkt, men för att få ett fordon med motsvarande eller bättre prestanda är det också viktigt att ta itu med de andra tekniska aspekterna. Det är viktigt att notera att dålig design eller produktionskvalitet snabbt minskar uppgraderingspotentialen.

För trailerchassin av ordinära stål är det dimensionerande lastfallet i regel lastbärande med hänsyn till permanenta deformationer. I ett trailerchassi med låg vikt, där tjockleken har minskats och arbetsspänningen har höjts, begränsas lastförmågan och livslängden av utmattning, utböjning och stabilitet.

Vagnar som utsätts för olika lastningssituationer under service.

För att uppgraderingen ska lyckas är det viktigt att ta hänsyn till alla lastningsförhållanden,
a) utmattning vid frekventa belastningscykler med låg belastning,
b) elastiska deformationer vid drift,
c) belastningskapacitet; inga permanenta deformationer vid maximal belastning,
d) stabilitet vid drift.

Strenx^® 700 MC används ofta i lättviktslösningar för trailerchassi. Uppgradering av ett trailerchassi från en 350-klass med Strenx^® 700 MC ger vanligtvis en viktminskning på cirka 30 % för chassits strukturella delar, men beroende på chassikonstruktionen kan viktminskningspotentialen vara högre, till och med upp till 50 %. Som ett exempel har man beräknat den potentiella viktminskningen för en befintlig 13,75 meter lång huvudbalk för trailer tillverkad av en 350-stålsort genom att införa Strenx^® 700 MC. Den befintliga konstruktionens lastkapacitet har fastställts och ett matchande alternativ i Strenx^® 700 MC föreslås.

Den totala vikten för de ursprungliga huvudbalkarna tillverkade av vanligt stål är 1 085 kg och den totala vikten för det uppgraderade alternativet i Strenx^® 700 MC är 704 kg. Detta ger en viktminskning på 381 kg eller 35,2 %. Dessa resultat bör betraktas som exempel. Beroende på fordonstyp, specifika krav och konstruktionsdetaljer kan uppgraderingspotentialen vara mindre eller större jämfört med exemplet ovan. Beräkningarna tar endast hänsyn till statisk lastning, men fungerar som en bra utgångspunkt för att utveckla en lätt chassikonstruktion.

För huvudbalkarna i ett konventionellt konstruerat trailerchassi finns det vissa begränsningar för att använda en högre hållfasthet än Strenx^® 700 MC för strukturell hållfasthet. För att verkligen kunna dra nytta av högre hållfasthet måste andra chassikoncept utforskas. För vissa specialtrailers kan dock högre stålsorter som Strenx^® 960 vara ett lämpligt val. För flänsar eller profiler som utsätts för slitage eller bulbildning, som den bakre stötfångaren och torpedväggen, kan ett stål med högre hållfasthet som Strenx^® 1100 eller ett slitstål som Hardox^® 450 användas. För andra delar av chassit, som golvbalkar, erbjuder kallvalsade stål som ^{Docol ®} 1000 DP och ^{Docol ®} 1200 M stora möjligheter till betydande viktminskningar. Dessa delar kan tillverkas genom bockning och vid större serier rullformad eller stansning.

Översikt över tvärsnittsegenskaperna och viktminskningspotentialen hos en konventionell huvudbalk a) och uppgraderade, lätta alternativ b) och c) i Strenx^® 700 MC.

Böjstyvhet i höjdled pekas ofta ut som en avgörande aspekt för lättare och kraftigare vagnar i höghållfast stål. På vissa marknader är de elastiska utböjningarna av fordonen reglerade med hänsyn till markfrigången, men i de flesta fall handlar det om att begränsa utböjningarna. Det vill säga, böjningarna på trailerchassit ska inte orsaka problem vid öppning och stängning av portar, och det ska naturligtvis finnas tillräckligt med utrymme mellan lastbilen och trailern i närheten av vändskivan vid lastning. För vissa speciallastbilar, t.ex. låga flak, kan kraven på elastisk böjning begränsa materialvalet.

Eftersom alla stålsorter har samma Young-modul styrs böjstyvheten av formen. Det innebär att en minskning av plåttjockleken ger minskad böjstyvhet om ytterkonturen är densamma. För ett trailerchassi styrs böjstyvheten i höjdled av de längsgående balkarnas form. Om styvhetssänkningen skulle utgöra ett problem kan böjstyvheten ökas genom att tvärsnitten blir högre.

Att öka baffelns höjd är det effektivaste sättet att öka böjstyvheten. I områden där baffelns höjd är begränsad kan böjstyvheten ökas genom att bredden på flänsen ökas. Detta kan även göras i kritiska områden för att minska arbetsspänningen och förbättra styvheten i strålarnas tvärriktning. Tack vare moderna tillverkningsmetoder kan baffelns bredd anpassas efter den aktuella lastfördelningen. Men eftersom flänsens tjocklek reduceras kan bredden endast ökas till en viss grad, annars blir flänsen på den komprimerade sidan för smal och lokal buckling kan uppstå, vilket begränsar materialutnyttjandet för flänsen. Om den befintliga släpvagnsbalken redan är mycket hög kan skjuvningen av den smala balklivet begränsa möjligheten att öka höjden och minska livets tjocklek. Instabilitets- och beräkningsmetoder beskrivs närmare i SSABs plåthandbok.

För att förbättra bockningsmotståndet och böjstyvheten i kritiska områden kan olika flänsbredder läggas in.

Hur stabilt hela fordonet kan köras på väg eller, för tipptrailers, vid lossning beror på flera olika faktorer, där vridstyvheten är en komponent. För tipptrailers och andra trailers där betydande vridbelastningar förekommer måste detta beaktas vid uppgradering av trailerchassit. Vridstyvheten hos ett chassi styrs av tvärbalkarnas konstruktion och läge samt av korsningar. En reducering av livet på rambalkarna har en mycket begränsad effekt, samtidigt som en reducering av tvärstagens tjocklek har en betydande inverkan på chassits vridstyvhet. För att undvika stabilitetsproblem kan konstruktionsändringar införas för att uppnå en motsvarande eller till och med ökad vridstyvhet jämfört med den ursprungliga konstruktionen.

Genom införandet av profiler med slutna tvärsnitt för tvärbalkarna ökar vridstyvheten väsentligt. Men för att utnyttja materialet optimalt är tvärbalkarnas placering lika viktig. Omfördelning eller införande av en eller två extra tvärbalkar påverkar den totala vridstyvheten. Tvärbalkarna ska i allmänhet vara riktade mot chassits bakre del. Men det här skiftet har överdrivits i praktiken många gånger, och genom att flytta korsmedlemmarna framåt eller införa ytterligare en korsmedlem i en strategisk region i den främre delen, kommer det övergripande beteendet att förbättras avsevärt. Eftersom en liten vridning i framdelen resulterar i stora förskjutningar i bakänden kan en ökad vridstyvhet i framänden förbättra den totala prestandan.

En annan effektiv åtgärd är att införa cross-ties. För att få ut så mycket som möjligt av materialet i tvärstaget är det viktigt att det konstrueras så att det endast kan bära dragbelastning i en stång och låta den andra stången bända. Stängerna ska därför vara smala och inte svetsade i mitten av varandra. För att åskådliggöra effekten av dessa mätningar jämförs vridningsvinkeln i förhållande till det vridande moment som anbringas baktill på ett gemensamt tippbilschassi. Resultaten från uträkningarna är ett unikt fall, men illustrerar tydligt hur dessa mått påverkar chassistyvheten vid vridning. I alla beräknade fall har den totala massan för tvärbalkarna varit konstant. Det vill säga om slutna tvärsnitt har använts har profilernas tjocklek minskats. Resultaten visar att en minskning av livets tjocklek ger en något minskad vridstyvhet än den ursprungliga konstruktionen. När slutna tvärbalkar eller dubbla korsstag införs ger det märkbart ökad styvhet.

Jämförelse av vridstyvheten hos ett trailerchassi med öppna profiltvärbalkar med lösningar med slutna tvärbalksprofiler och tvärstag.

Alla släpvagnar utsätts för utmattningsbelastning under körning och lastning. Den belastningshistoria som avgör livslängden för ett trailerchassi består av de samlade belastningarna av varierande antal och storlek. Beroende på typ av släpvagn, vägförhållanden och lastning varierar belastningshistoriken. Vid uppgradering av ett trailerchassi med AHSS reduceras vanligtvis plåttjockleken på de strukturella delarna. En minskning av plåttjockleken leder till en ökad arbetsspänningsnivå i hela chassit. Med ett starkare material följer högre utmattningshållfasthet för grundmaterialet. För svetsförband är denna påverkan dock begränsad på grund av spänningskoncentrationen och de initiala defekter som introduceras vid svetsarna. Därför är utmattningslivslängden för svetsförband mer en fråga om konstruktion och tillverkning än om materialval. Om samma svetsfogsutförande och svetskvalitet används leder det till minskad utmattningshållfasthet hos chassit.

Utmattningshållfasthet

Materialets utmattningshållfasthet illustreras i S/N-kurvor, som skapas genom utmattningsprovning av provexemplar med konstant amplitud i belastningshistoria. Det innebär att ett prov utsätts för samma belastningscykel upprepade gånger tills det går sönder. Efter provning av flera provstycken vid olika belastningsnivåer kan en S/N-kurva plottas. I den övre vänstra delen av kurvorna i diagrammet styrs utmattningshållfastheten av materialets statiska egenskaper. Längst ned till höger i diagrammet styrs utmattningshållfastheten av diskontinuiteter i provexemplaret. Diskontinuiteter är till exempel ytstrukturen från valsning av plåten, skurna kanter, hål, skåror och svetsar. De nämns i ordningen minskad utmattningshållfasthet.

S/N-kurvor av provexemplar av valsad plåt, med stansat hål och svetsfog.

Varför är svetsfogen kritisk?

Svetsade förband har avsevärt lägre utmattningshållfasthet jämfört med grundmaterialet på grund av svetsens vassa geometri och de restspänningar som uppstår vid värmetillförsel under svetsning. Det är vanligt att utmattningshållfasthet hos svetsar diskuteras i relation till mikrostrukturer, värmepåverkade zoner och hårdhet, men den huvudsakliga orsaken till försvagningen av svetsen beror på lokal spänningskoncentration och defekter. Alla efterbehandlingsmetoder för svetsar fokuserar på att minska restspänningar och förbättra svetsgeometrin. För att erhålla god utmattningshållfasthet är det viktigt att ha en jämn övergångsradie och vinkel vid den svetsade tån.

Vass och slät svetsad tågeometri.

Start- och stopplägen

Start- och stopppositioner är den mest kritiska delen av en svets med avseende på utmattning. Eftersom svetsningsprocessen inte är i ett stadigt tillstånd är risken för att generera defekter och inneslutningar i dessa positioner högre. Tacksvetsar har därför på grund av sin begränsade längd lägre utmattningshållfasthet än kontinuerliga svetsar. Häftsvetsning av längsgående balkar bör hållas till ett minimum och svetsningar bör placeras i områden med låg spänning. Svetsen mellan den övre flänsen och nätet är mindre känslig för häftsvetsning, eftersom denna del huvudsakligen utsätts för tryckspänningar. Det är viktigt att svetsfogar generellt utformas så att svetsens start och stopp kan placeras i områden med låg spänning. I vissa fall kan fiskstjärtskonstruktion användas för att flytta start- och stopppositionerna bort från det mest belastade området, t.ex. i slutet av en förstärkningsplåt.

Fiskstjärtsdesign kan införas för att flytta start- och stopppositionerna för en svets bort från ett område med hög spänning.

Tvärgående kontra längsgående utmattningslastning av en svets

Diskontinuiteter i en svets är orienterade i svetsningens riktning och följer roten och svetstårna. Om diskontinuiteterna är parallella med huvudspänningsriktningen har de liten inverkan på svetsens utmattningshållfasthet. Om spänningarna däremot är tvärgående mot svetsriktningen blir svetsens utmattningshållfasthet mycket låg. T.ex. utmattningslivslängden för en konsol som svetsats fast på den nedre flänsen är mindre än 5 % av utmattningslivslängden för svetsen mellan flänsen och flänsen.

Din belastningshistoria

Släpvagnars belastningshistoria är oregelbunden och slumpmässig, och det totala antalet lastcykler under dess livslängd ligger i intervallet 108-109 cykler. Även om majoriteten av lastcyklerna har en mycket liten storlek, gör kombinationen med större laster dem ändå potentiellt kritiska för utmattning. Stora laster kan uppfattas som sprickor och små laster som sprickor. På grund av dessa kombinerade effekter försvinner utmattningsgränsen vid lastning med konstant amplitud i trailertillämpningar. Det enda undantaget är när alla laster i den kompletta historiken är lägre än utmattningsgränsen. I områden med hög påfrestning är det därför viktigt att svetsarna har god utmattningshållfasthet, till exempel svetsar som belastas i längsriktningen. Svetsar med lägre utmattningshållfasthet bör placeras i områden med låg spänning, t.ex. nära det neutrala lagret på huvudbalkarnas balkliv.

Som exempel kan man jämföra en alternativ konstruktion av en konsol som svetsats fast på en balk som utsätts för bockning i vertikal riktning. Vid belastning i global bockning uppstår de maximala spänningarna vid balkens flänsar och varierar i kompression och spänning över det neutrala lagret. I konstruktionen upptill (a) är konsolen svetsad nära flänsarna med svetsens start- och stopppositioner placerade i det mest belastade området av balkens tvärsnitt. I konfigurationen nedtill (b) har konsolen konstruerats om för att pluggsvetsas närmare det neutrala lagret. Detta resulterar i att spänningsnivån vid svetsfogen reduceras med 50 %. En sådan minskning av spänningsnivån ökar utmattningslivslängden 8 gånger jämfört med den tidigare konstruktionen.

Genom att omkonstruera svetsfogarna så att de placeras i områden med låg spänning kommer utmattningslivslängden att förbättras.

För släpvagnar där chassit utsätts för vridbelastning, t.ex. tipptrailers och timmerstockar, rekommenderas starkt profiler med slutet tvärsnitt för tvärbalkarna. I de flesta fall möjliggör en sådan lösning att tvärbalkarna kan svetsas rakt in i livet utan ytterligare förstärkningar. För tunga lastfordon kan en förstyvning av livet byggas in i tvärbalkens infästning för att öka styvheten och minska spänningsnivån i detta område.

Profiler med öppna tvärsnitt kan användas på släpvagnar där tvärbalkarna huvudsakligen utsätts för bockning, t.ex. duk-, container- och transportbilar. Öppningar för varje profil kan kapas i livet och profilerna kan fästas i längsgående balkens livplåt. Observera dock, även om det upprepas, att profiler med öppna tvärsnitt inte rekommenderas för chassin som är utsatta för vridande laster.

En annan lösning är att använda en fästkonsol för att fördela påfrestningarna över en större yta. Fästkonsolen kan fästas, nitas eller bultas fast i längsgående balklivet.

Olika typer av tvärbalksfästen. Vilken typ av tvärbalk som ska användas och konstruktionen av infästningen till huvudbalkarna beror på typen av släp. För vagnar som utsätts för stora vridande laster rekommenderas slutna tvärbalkar. För tunga lastfordon är det fördelaktigt att kombinera en sådan profil med en U-formad livförstyvning som är fastsvetsad på både flänsen och livet (a). Svetsning av utstickande C-profiltvärbalkar kan begränsas till profillivet (b). Tvärbalkarna kan även bultas eller nitas fast i huvudbalkarna.