半挂车设计的要点

Question

如题所述

Answer 1

设计半挂车，首先要根据牵引车的前回转半径确定半挂车的前悬（见图1）。在确定半挂车前悬时，要考虑在坑洼地带行驶时半挂车的前部不得与牵引车车架相碰，转弯时半挂车前部不得与牵引车驾驶室的后壁或备胎架相碰，其前间隙尺寸（见图2）应≥70mm，在保证上述要求的前提下，前悬应越大越好，因为前悬大，牵引车与半挂车之间的间隙就小，行车中，风阻就小，这样可节省燃油，降低用户使用成本。前悬与牵引车有关，有的牵引车驾驶室为尖头，有的为平头，有的尖头还带卧铺，另外牵引车的驱动形式也不同，因此设计半挂车前悬应结合牵引车综合考虑，表1为几种牵引车相配半挂车的常用前悬值：

图1

图2

表1 几种牵引车相配半挂车的常用前悬值
牵引车型式 半挂车前悬值(mm)
尖头4X2 700—1000
平头4X2 1000－1200
平头6X2 1400－1600
平头6X4 1400—1700

2．2轴荷
半挂车的轴荷是指牵引销支承处和半挂车车轴上的承载质量。半挂车的轴荷分配比例，一般是根据轮胎磨损均匀，半挂汽车列车主要性能以及牵引车与半挂车的布置形式来确定。在已知半挂车的装载质量和初估半挂车各部件的整备质量后，就可对半挂车的轴荷分配进行计算。将已知各部件的质量和装载质量对牵引座支承点或后轮轴支承点取矩，就可求得半挂车空载时及满载时的轴荷分配。当轴荷计算出来后，首先校核牵引销处载荷是否符合牵引车牵引座允许载荷，然后校核轮轴载荷是否超载。如果不能满足上述要求，则应调整轴距，即牵引销至半挂车轮轴中心的距离，直到满足要求为止。表2为半挂车单轴/并装轴最大允许轴荷的最大限值。
表2 半挂车单轴/并装轴最大允许轴荷的最大限值
车辆类型 最大允许轴荷最大限值（kg）
单轴 每侧单轮胎 6000(1)
每侧双轮胎 10000（2）
并装双轴 并装双轴的轴距＜1000mm 11000
并装双轴的轴距≥1000mm，且小于1300mm 16000
并装双轴的轴距≥1300mm，且小于1800mm 18000
并装双轴的轴距≥1800mm 20000
并装三轴 相邻两轴之间距离≤1300mm 21000
相邻两轴之间距离>1300mm，且不大于1400mm 24000
注：（1）安装名义断面宽度超过400（公制系列）或13.00（英制系列）轮胎的车轴，其最大允许轴荷不得超过规定的各轮胎负荷之各，且最大限值为10000 kg；
(2)装备空气悬架时最大允许轴荷的最大限值为11500 kg；
3．轴距及轮距
半挂车的轴距和轮距在很大程度上决定着半挂汽车列车的宽度、通过性、稳定性和其他一些使用性能。
半挂车轴距的确定要考虑前后轴荷的合理分配和车架的受力均匀以及整个半挂汽车列车的通过性能（如转向的灵活性等），过分地加长轴距会使半挂汽车列车转弯半径加大，影响转向性能。但若轴距过短，则会带来一系列问题，如：车箱的长度不足或后悬过长，半挂汽车列车行驶的纵摆和横摆较大；半挂汽车列车制动或上坡时质量转移也大，致使半挂汽车列车操纵性和稳定性变坏。因此，在确定轴距时，要综合考虑各方面的要求，在保证主要性能和轴荷分配等方面符合要求的前提下把轴距尽量设计得短一些为好［2］。当载荷均匀分布时，一般半挂车车架长度与轴距的比值在1.4－1.6范围内。
半挂车的轮距通常与牵引车一致，并尽可能选用现有的车轴系列。
4．纵梁强度设计
在“计重收费”的大环境下，超载已成为历史，因此在相同载质量的前提下，谁的车越轻，谁的车就越好卖，但减重也有前提，那就是安全系数不能太低，要能保证正常使用。设计半挂车主要是车架的安全强度，而半挂车纵梁是车架中的主要承载件，半挂车纵梁截面一般为工字形，通过对纵梁上下翼板的厚度和宽度、腹板的厚度和高度进行优化设计，可以达到纵梁自重一定，而承载能力最大的效果。半挂车纵梁也可采用热轧汽车大梁专用H型低合金高强钢，既能减轻自重，又能缩短加工制造周期，降低生产制造成本。根据经验法则，半挂车车架安全系数一般设计为3-6，设计时可根据用户的使用条件及货物类型来确定，如运输煤炭等匀质货物或较平坦路面时，安全系数取小些，运输卷板或工程机械等集中载荷或路况较差时，安全系数应取大些。
5．轻量化设计［3］
车辆的轻量化已成为大家重点关注的问题，欧洲还曾经有人提出过“为减轻1g自重而努力”的口号，随着国内用户运营理念的逐渐成熟，用户的购车意向由以前的“超载型”转为“轻型车”。很明显，车辆的自重越小，车辆的有效装载质量也就越大，用户的使用成本也就越低。因此半挂车轻量化设计将成为今后半挂车设计师们研究的方向。实现轻量化主要有以下途径：
5.1 采用新材料
高强度钢板可以制造半挂车车架、车厢、悬架，根据经验法则，应用高强度钢板的车辆重量可以减轻25%～30%，通常能减轻28%。比如，平常使用的10mm厚普通钢板如果换成高强度钢板，则只需要7mm厚的材料即可，此时的重量将减少30%。拿13m的半挂车来说，重量约可降低28%左右，但如果设计得更科学，自重还可以更轻。
罐式半挂车可用铝合金材料做罐体，既减轻车辆本身自重，又提高了罐体的抗腐蚀能力。厢式半挂车厢体材料可采用铝合金，车厢结构件和附件也可采用铝合金型材制成，不仅自重轻，而且还可以回收再利用。国内有的厂家将半挂车车架全部用铝合金制造，大大减轻了半挂车自重。
厢式半挂车底板通常用3mm的压纹钢板，它的重量约为25.6 kg/m2，如果选用芬欧汇川公司的产品-WISA胶合板作车辆底板的话，同等承载强度的21mm胶合板，其重量为14.3 kg/m2，按2.4米宽，13米长的半挂车计算，使用WISA板后，底板部分的重量可以减轻352kg，这就意味着相同的车可以多装352kg的货物，按每年行驶15万公里，每吨公里0.3元计算，一辆车每年可以多创造15840元的价值，对于一个拥有几百辆车的车队来说，就是一个不小的数字，这也是为什么在欧洲许多物流公司都很熟悉和喜欢使用WISA胶合板。
5.2 车架的优化设计
随着电子计算机的飞速发展，在大多数结构设计中广泛采用了有限元法。因此，采用有限元法进行车架优化设计，既可在设计初期，保证结构的合理化和轻量化，又有利于提高产品的质量和缩短新车投产周期。在半挂车设计工作的计算验证中，有很多软件可以利用，如：MSC、Nastran、ASKA、ANSYS等，可利用这些软件进行有限元分析，优化设计。
5.3 选用轻质零部件
在第62届德国汉诺威国际商用车展上欧洲最大的车轴生产企业BPW公司，在展会上推出了全新的车轴系统（ECOEDISE），这个系统把车轴、悬挂和EBS融合在一起，自身重量减轻，维修更简单，方便[4]。
半挂车板簧通常为等截面钢板板簧，为减轻半挂车的悬架重量，提高半挂车的行驶平顺性，国内已有半挂车生产企业开始使用少片变截面钢板弹簧。
全钢丝载重汽车子午线无内胎的轮胎（简称真空胎），在国外已大量采用，国内由于价格高的原因，采用的速度较缓慢。真空胎除了具有安全性好、节油等独特优势外，最重要的是真空胎重量轻。
此外，选用密封性好、重量轻、高强度的塑料工具箱取代钢板焊接的工具箱，车轮（钢圈）由钢制改用锻造铝合金材料，挡泥板材料用软质纤维布和塑料搭配等同样能够有效降低车辆自重。
6．承载面高度
在保证半挂车通过性的前提下，承载面应越低越好，承载面低主要有以下优点，首先半挂车承载面低，相应满载货物时重心就低，行车中侧向稳定性好，转弯时不易侧翻，提高了汽车列车的安全性；其次，承载面低，相应半挂车外形高就小，行车中风阻小，可节省燃油。另外，承载面低，可减轻装卸人员的劳动强度，提高装卸效率。半挂车设计师们在设计时，可根据运输货物的类型，将货台设计为平货台(见图3)、阶梯型货台(见图4)、凹梁型货台(见图5)，也有的厂家将车架设计为整体承载式，降低了半挂车鹅颈处高度，从而降低了承载面。在第62届德国汉诺威国际商用车展上考格尔公司推出的凤凰系列厢式半挂车将鹅颈部分材料由过去的钢板和铝合金板变为全部使用碳纤维，鹅颈部分的厚度由90mm变为50mm，降低了半挂车鹅颈处高度，从而降低了承载面［4］。但须注意，降低半挂车承载面时，要考虑轮胎与车架上方的边梁、底板、缆绳钩等钢制件距离，若该尺寸太小，半挂车满载或在崎岖不平的路面上行驶时，由于动负荷的作用以及悬架总成中平衡梁的上下摆动，轮胎与其上方的钢制件容易相碰，造成轮胎刮伤。设计时，须使轮胎与其上方的钢制件保持100mm－150 mm的间隙，以保证行车中轮胎的跳动。

图3

图4

图5

7．牵引车与半挂车相接合后半挂车的前后高度差
在用户确定牵引车型号的情况下，设计人员应根据满载时牵引车鞍座上平面离地高度来确定半挂车的承载面高度，半挂车的承载面高度主要由纵梁前后高度、悬架总成的高度、轮胎的型号来确定，通常半挂车的纵梁前后高度在设计车架时已确定，而轮胎型号与所选车轴及轴荷有关系，所以设计时可通过调节悬架总成中各钢板支架高度来调节半挂车的承载面高度。但在设计过程中，由于牵引车新车型较多，牵引车厂家所提供的公告参数并没有牵引车鞍座上平面离地高度，而车主也不能提供该参数，因此半挂车厂家在设计时，只能靠一些经验去估计牵引车鞍座上平面离地高度，这样牵引车与半挂车相接合后容易出现前低后高的不正常现象或前高后低超限的情况，另外不同的设计者对半挂车的前后高度差尺寸大小也认识不一，完全靠个人经验去设计，这都会致使在运输货物时，半挂车各轴轴荷不均匀，在制动时各轴制动不同步，轴荷轻的车轴提前制动并抱死，造成该轴轮胎胎面定点磨损或快速磨损。当半挂车在空载状态下高速行驶时，这种情况更为明显。鉴于上述情况，设计时要求在牵引车与半挂车相接合后，在水平路段成直线状态时，半挂车应前高后低，前后高度差(见图6)的大小应根据主车的前后板簧刚度和半挂车的板簧刚度来确定，考虑在满载制动时货物前冲及重心向前转移等因素，因此应保证在满载时半挂车前比后高10mm－40mm。

图6