模塊化掛車平臺的設(shè)計

吳秋菊 金龍

WU Qiu-ju et al

遼寧陸平機器股份有限公司 遼寧鐵嶺 112001

1 概述

模塊化掛車平臺是借鑒國外掛車平臺的設(shè)計經(jīng)驗，以單軸掛車底盤為載體，為需要采用車上作業(yè)方式的專用設(shè)備提供通用的承載平臺，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化及專業(yè)化運輸、異地組裝的靈活裝配方式，極大地提高了掛車平臺的標準化、通用化和組合化水平。

掛車底盤牽引裝置采用雙端面齒盤夾緊，通過高度調(diào)節(jié)助力裝置，能方便調(diào)整牽引環(huán)高低位置并保持牽引環(huán)水平，適應(yīng)不同牽引高度的牽引車。采用24 V電氣系統(tǒng)并配備自適應(yīng)直流電壓轉(zhuǎn)換器，滿足各種制式牽引車電氣系統(tǒng)的匹配需求。掛車平臺撤收狀態(tài)如圖2所示。整車撤收狀態(tài)去掉帳篷右視圖如圖3所示。

2 總體技術(shù)方案構(gòu)成

模塊化掛車平臺主要由3.5噸級單軸掛車底盤、承載平臺、四角舉升升降機構(gòu)系統(tǒng)、下翻板及其支撐裝置、頂板及周邊上翻板、頂板上方固定的帳篷及車內(nèi)供配電系統(tǒng)等構(gòu)成。

駐車時，四周的翻板擴展與承載平臺鉸接相連，形成一個較大的操作使用平臺，其外部四角設(shè)置支撐機構(gòu)，駐車擴展狀態(tài)如圖1所示。

2.1 模塊化掛車平臺主要性能參數(shù)

模塊化掛車平臺運輸狀態(tài)的外形尺寸，符合GB 1589、GB 146.1及GB 146.2的相關(guān)要求。其他主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 模塊化掛車平臺主要性能參數(shù)

2.2 主要結(jié)構(gòu)

2.2.1 四角舉升升降機構(gòu)系統(tǒng)

在承載平臺內(nèi)部裝有驅(qū)動、傳動機構(gòu)，通過車廂四角立柱伺服系統(tǒng)，控制車廂頂板舉升或下升。

2.2.2 車廂四周可擴展

在承載平臺的四周設(shè)置擴展下翻板，車廂頂板的四周設(shè)置擴展上翻板，擴展時承載平臺的下翻板向下翻轉(zhuǎn)，構(gòu)成人員通道，擴展頂板的四周上翻板向上翻轉(zhuǎn)，中間形成一個較大的擴展空間，而擴展頂板上固定的帳篷，可依靠擴展車廂快速搭建帳篷式工作間，為專用上裝設(shè)備提供一個較大的安裝空間及較舒適的工作環(huán)境。

2.2.3 承載平臺支撐機構(gòu)及擴展下翻板支撐裝置

在承載平臺四角設(shè)置四個支撐機構(gòu)，用于駐車展開時承載平臺的調(diào)平及整車長期停放時為輪胎減壓，可適應(yīng)整車總質(zhì)量4 t、展開地坡度3°（含）以內(nèi)的支撐和調(diào)平能力。承載平臺支撐機構(gòu)支撐和收起狀態(tài)如圖4所示。在擴展下翻板周圍設(shè)置支撐裝置，用于車廂擴展后支撐及調(diào)平下翻板，下翻板支撐裝置支撐和收起狀態(tài)如圖5所示。

2.2.4 整車模塊化拆裝

為便于拆裝及運輸，將整車劃分為掛車底盤、承載平臺（含其上的工具箱及支撐結(jié)構(gòu)）、升降機構(gòu)立柱、擴展頂板（含帳篷篷布）、左右上翻板、前后上翻板、左右下翻板（含支撐裝置）、前后下翻板、三角板翻板及帳篷共十個基本模塊，其余附件及連接標準件均可放入承載平臺的工具箱內(nèi)。真正實現(xiàn)了模塊化拆分、分體運輸、異地快速組裝及專業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)。整車模塊化設(shè)計分解示意圖（不含底盤及帳篷）如圖6所示。

模塊化拼裝或拆卸的連接指導(dǎo)思想是能夠保證每次安裝或拆卸均方便可靠，以相同模塊的定位結(jié)構(gòu)及連接尺寸具有可互換和可拆卸結(jié)構(gòu)為前提，以承載平臺為基礎(chǔ)進行拼裝或拆卸。承載平臺左右兩側(cè)邊梁與掛車底盤采用螺栓直接連接，如圖7所示，其前端與底盤牽引梁采用U型件連接，如圖8所示。承載平臺與下翻板、下翻板與三角板，以及頂板與上翻板之間，采用相同的鉸鏈連接，如圖9所示。承載平臺與升降機構(gòu)立柱、升降機構(gòu)立柱及頂板，采用止口定位后再用螺栓連接，如圖10所示。

采用傳統(tǒng)整車運載的運輸方式，13.5 m普通半掛車每次最多可裝運2臺掛車，17.5 m半掛車每次最多也只能裝運3臺掛車。采用模塊化運輸后，普通13.5 m半掛車可同時運輸12臺掛車平臺，17.5 m掛車可同時運輸16臺掛車平臺，兩臺運輸車輛同時運輸時，還可以進行混合裝車，更有效地利用了車輛的裝車空間，可同時運輸36臺車，極大地提高了運輸效率，降低了運輸成本。圖11為各模塊包裝運輸狀態(tài)之一。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)解決措施

2.3.1 承載平臺質(zhì)量的輕量化

輕量化不但能有效地降低制造業(yè)的生產(chǎn)成本、提高市場競爭力，而且還影響專用上裝設(shè)備的選用和掛車的運輸效率，因此，降低載車平臺的自身質(zhì)量具有十分重要的意義。采取分別對相關(guān)模塊進行有限元分析與計算、仿真和優(yōu)化設(shè)計等方法降低其自重。

2.3.1.1 承載平臺

按整車滿載總質(zhì)量3 500 kg計算，對承載平臺三種工況條件下的應(yīng)力和應(yīng)變進行強度校核，并建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，進而進行了形狀和尺寸組合的優(yōu)化設(shè)計，使其在保證剛強度的前提條件下，對薄弱點適當(dāng)進行了加強，對富余區(qū)域進行了減重處理，使承載平臺的自重在原始設(shè)計方案的基礎(chǔ)上降低了7%。三種工況條件分別是在三級等級公路上行駛狀態(tài)下的受力工況、在坡度為20%的側(cè)坡路面上行駛狀態(tài)下的受力工況，以及駐車展開支撐調(diào)平狀態(tài)下的受力工況。

2.3.1.2 擴展下翻板

按擴展下翻板每個單板上施加5人的重力（每人按80 kg）共400 kg計算，對其在擴展支撐狀態(tài)工況下進行了受力分析與計算。使其自重在原始設(shè)計方案基礎(chǔ)上，降低近了15%。

2.3.1.3 擴展頂板及擴展上翻板

按整車擴展后能承受8級風(fēng)載及200 mm厚雪的壓力載荷，對其在擴展工作狀態(tài)工況下進行了受力分析與計算。使其自重在原始設(shè)計方案基礎(chǔ)上，降低近了12%。

上述優(yōu)化方法不含對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行高強度鋼板材料的等效替代設(shè)計，如果在不改變優(yōu)化后結(jié)構(gòu)形狀和布局的前提下，只對鋼板的厚度重新進行設(shè)計，在滿足剛強度的前提下，重新設(shè)計的各模塊質(zhì)量，相比之前優(yōu)化后的各個模塊質(zhì)量減少的效果將更加明顯。

2.3.2 載車平臺的適應(yīng)性

模塊化掛車平臺的關(guān)鍵技術(shù)之一就是車廂的擴展技術(shù)，采取了四周及上下擴展的方式，四周每邊的擴展寬度達到750 mm，擴展板擴展后采用穩(wěn)定的支撐裝置，與承載平臺形成同一平面，增加操作面積9.5 m2。通過升降機構(gòu)系統(tǒng)，可使車廂頂板及其上翻板升降，擴展后車廂內(nèi)部高度達到2000 mm，帳篷安裝后，可將室內(nèi)與室外隔斷，形成獨立的操作空間。

為提高車載平臺適應(yīng)多種專用上裝設(shè)備的裝車需求，采取對承載平臺進行標準化的預(yù)埋承載墊板或承載梁，使每種設(shè)備可以直接或間接過渡安裝在承載平臺上。以洗滌掛車與淋浴掛車為例，在保證模塊化接口與外形尺寸一致的情況下，根據(jù)上裝設(shè)備不同，對預(yù)埋承載墊板或承載梁進行適當(dāng)調(diào)整，即可保證洗滌設(shè)備及淋浴設(shè)備的安裝。承載平臺可適應(yīng)金屬扭桿懸掛、橡膠扭桿懸掛及鋼板彈簧懸掛三種底盤的技術(shù)接口及剎車的制動沖擊。

2.3.3 供配電系統(tǒng)

模塊化掛車平臺的電氣系統(tǒng)由兩部分組成：一是供掛車底盤正常行駛需要的行車用24 V電氣系統(tǒng)，二是供掛車平臺及上裝專用設(shè)備使用的220 V電氣系統(tǒng)。

2.3.3.1 行車電氣系統(tǒng)

行車電氣系統(tǒng)為24 V單線制，負極搭鐵。由電連接器、牽引車連接線束、DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、線束、后組合燈具等組成。設(shè)置制動、轉(zhuǎn)向、示寬、小燈等信號燈[1]。采用DC-DC/12→24電源轉(zhuǎn)換器，將牽引車的12V或24 V電源整流為24 V輸出，使該掛車能夠適應(yīng)不同電壓系統(tǒng)的牽引車需要。

設(shè)置四根連接電纜，分別為牽引車EQ24V和EQ12V以及牽引車 CA24V和CA12V連接電纜，分別適應(yīng)東風(fēng)、解放、斯太爾、陜汽等牽引車。電器連接座安裝在掛車上，牽引行駛時，掛車和牽引車的電連接座相連，實現(xiàn)信號的傳輸。掛車承載平臺前端，設(shè)置12N電器連接座和24 N電器連接座各一個，用于牽引車與掛車分離時，連接電纜的電器插頭存放固定。行車電氣系統(tǒng)線束如圖12所示。

2.3.3.2 用電系統(tǒng)

掛車平臺及上裝專用設(shè)備用電系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)及用電系統(tǒng)三部分組成。主要考慮掛車平臺的供電、配電及用電問題，上裝上的設(shè)備的供電、配電及用電預(yù)留安裝位置。

駐車供電電源采用單相三線制交流電源220 V/50 Hz，或三相四線制交流電源380 V/50 Hz兩種供電方式?？芍苯佑檬须婋娫垂╇娀螂S車攜行5 kW發(fā)電機組供電兩種供電方式。外接電源輸入板安裝在配電箱內(nèi)，易于操作、防水性能及安全性好。

配電箱安裝在承載平臺下方左前端，便于操作和維修，具有電源電壓供給轉(zhuǎn)換功能、電源監(jiān)測、顯示、漏電保護、短路及過載保護功能等。

在車廂頂板內(nèi)上部，其骨架內(nèi)設(shè)置照明燈，照明等安裝后與頂板厚度平齊，在模塊化運輸及拆裝過程中不易損壞，同時還應(yīng)考慮照度、光線的柔和度、防水密封性及使用壽命等。

2.3.4 可靠性與維修性

針對自制件的相關(guān)模塊及附件，在各類極限工況條件下，對其結(jié)構(gòu)進行了全面的受力分析，達到了結(jié)構(gòu)形狀和尺寸合理、優(yōu)化的目的。對于標準件按其受力工況及耐環(huán)境性能要求，選擇相關(guān)材料、等級及涂覆等，外購標準件均為市場上常規(guī)采購件。

掛車平臺各個模塊之間的組合或連接，均采用可方便拆卸的螺紋連接結(jié)構(gòu)，各模塊之間的連接強度，按載車平臺總質(zhì)量3 500 kg，將整車吊離地面300 mm，維持30 min，整車的起吊裝置、各零部件無永久變形、裂紋或損壞等，該種工況下滿足要求[2]。同時，車輛檢測、維修和拆裝時均不需使用專用工具，各連接處都留有足夠的操作空間，較好地滿足了易操作及維修時間短的要求。

2.3.5 安全性

重點對人員操作及活動空間的安全性進行設(shè)計，并采取了相關(guān)措施。

a. 為防止人員跌落，車廂展開工作后，在下翻板外側(cè)邊緣四周設(shè)計有護欄及安全帶。

b. 為防止人員活動滑倒，在下翻板通道表面及上車梯踏板表面均設(shè)計有防滑鋁花紋板。

c. 頂板舉升到位后，采用鎖銷定位，可有效防止頂棚的下滑。

e. 帳篷材料具有阻燃自熄性能，并隨車配備干粉滅火器[3]。

f. 掛車平臺供配電系統(tǒng)，具有漏電、短路、過載保護及盲插等功能。

3 應(yīng)用范圍和功能

模塊化掛車平臺可根據(jù)不同的上裝設(shè)備改裝成具有不同功能的掛車，如淋浴掛車、洗滌掛車、凈水掛車、制氧掛車、消毒滅菌掛車、炊事掛車、電站掛車、移動廁所等。其主要功能是為專用上裝設(shè)備提供承載平臺，可適應(yīng)戶外惡劣環(huán)境及地形等條件下使用。

4 結(jié)語

掛車一直是以特殊功能需求進行設(shè)計和生產(chǎn)，相同需求的產(chǎn)品其品種及規(guī)格相對較多。模塊化掛車平臺提出了通用化、模塊化、組合化、異地運輸及組裝等設(shè)計方法，對整車的輕量化、可靠性、維修性、安全性及人機功效性等進行了細致的設(shè)計與分析，使產(chǎn)品性能達到了輕量、安全、可靠、使用及操作方便等。同時，對異地運輸及模塊化拆裝方式進行了全面策劃與設(shè)計，使其實現(xiàn)了運輸效率高、組裝方便和快捷。模塊化掛車平臺的設(shè)計，不但降低了綜合能耗，而且為未來掛車的研制與生產(chǎn)提供了借鑒和參考。

[1] GB 4758-2007.汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規(guī)定[S].

[2] GJB 1454-1992.軍用掛車通用規(guī)范[S].

[3] GB 8410.汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性[S].