中置軸轎運(yùn)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

顧琦，耿龍偉，黃明成，朱平，丁志玉

（鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224000）

前言

目前國(guó)內(nèi)的運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展迅速，轎運(yùn)車是運(yùn)輸車輛的主要專用車輛，但是轎運(yùn)車在運(yùn)輸車輛過(guò)程中潛在著很多安全隱患，例如現(xiàn)在很多廠家為了能夠增加運(yùn)輸利潤(rùn)和運(yùn)輸更多的汽車，都對(duì)轎運(yùn)車進(jìn)行了非法改裝，加長(zhǎng)加寬運(yùn)輸板。但這種改裝已經(jīng)違反了國(guó)家對(duì)公路汽車的規(guī)定。中置軸轎運(yùn)車的出現(xiàn)更適合轎運(yùn)車的發(fā)展，因?yàn)樵谙嗤臈l件下不超寬，不超長(zhǎng)，中置軸轎運(yùn)車的裝載量要比傳統(tǒng)的轎運(yùn)車要多，各項(xiàng)性能也較之要強(qiáng)。因此在新修訂的GB1589中把中置軸掛車列入其中，這項(xiàng)修訂可以說(shuō)為國(guó)內(nèi)中置軸轎運(yùn)車的發(fā)展提供了極大的便利，也推動(dòng)了我國(guó)在轎運(yùn)車治理方面的改革，為國(guó)內(nèi)公路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

1 轎運(yùn)車設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 設(shè)計(jì)選型原則

設(shè)計(jì)出符合于我國(guó)國(guó)內(nèi)道路行駛的專用車輛運(yùn)輸車，提高標(biāo)準(zhǔn)化、通用化水平，降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。設(shè)計(jì)的整車零部件應(yīng)該確保安全可靠并有較好的經(jīng)濟(jì)型。車輛運(yùn)輸車應(yīng)該遵守國(guó)家準(zhǔn)則，做到性能優(yōu)異，外形美觀。

1.2 中置軸轎運(yùn)車的介紹

現(xiàn)今我國(guó)車輛運(yùn)輸車市場(chǎng)的轎運(yùn)車多為傳統(tǒng)的半掛車類型。如圖 1，然而這類半掛車結(jié)構(gòu)龐大，原理陳舊，在各個(gè)尺寸上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出了國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，并且由于車身長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，車輛轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大，導(dǎo)致傳統(tǒng)全掛車的行駛十分不穩(wěn)定。

相比傳統(tǒng)的半掛車，中置軸轎運(yùn)車優(yōu)勢(shì)十分明顯，如圖2所示。其長(zhǎng)度限值為22米，比普通半掛列車多出4.9米。在車輛運(yùn)輸途中，中置軸列車既可以作為列車使用，也可以摘掉列車，作為單車單獨(dú)使用，功能性更強(qiáng)。

圖1 傳統(tǒng)全掛車實(shí)物圖

圖2 中置軸轎運(yùn)車實(shí)物圖

1.3 中置軸轎運(yùn)車裝載貨物參數(shù)依據(jù)

a）轎車品牌：帕薩特；

b）車身尺寸：4872×1834×1484mm（長(zhǎng)×寬×高）；

c）車身重量：1495kg；

d）軸距：2803mm。

2 中置軸轎運(yùn)車主要技術(shù)性能指標(biāo)

2.1 中置軸轎運(yùn)車整車的主要技術(shù)性能指標(biāo)

a）最大外形尺寸：20000mm×2500mm×4500mm（長(zhǎng)×寬×高）；

b）可裝載8－10輛中型轎車（以帕薩特為設(shè)計(jì)依據(jù)）；c）整備質(zhì)量：≤18000kg；d）載重量：≥18000 kg。

2.2 中置軸轎運(yùn)車牽引車主要技術(shù)性能指標(biāo)

a）底盤型號(hào)：選用CA5263GJYP7K1L9T1E解放二類底盤；

b）功率：209kW；

c）發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：BF6M1013-28E3；

d）驅(qū)動(dòng)形式：6×4；軸數(shù)：3；軸距：5360+1350；

e）總質(zhì)量：26000kg；

f）整備質(zhì)量：7600kg；

g）駕駛室尺寸：高度2710 mm；

h）底盤外形尺寸：10250×2455×2710（3110）mm；

i）底盤標(biāo)準(zhǔn)：GB3847-2005，GB17691-2005國(guó)Ⅲ。

2.3 轎運(yùn)車前后底盤、前后運(yùn)輸平臺(tái)

轎運(yùn)車前底盤是在主牽引車的基礎(chǔ)上建設(shè)而成，使其本身就具有車輛的裝載能力。前底盤擬運(yùn)輸兩輛帕薩特，所需的長(zhǎng)度為9744mm，兩輛車所需的間隔為100mm，將前底盤的長(zhǎng)度定為 9855mm；兩邊留下足夠的距離便于與上平臺(tái)的裝配，寬度定為 2490mm；查閱資料借鑒已有的車型，初步將前底盤的厚度定為112mm。

轎運(yùn)車后底盤的外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：9958×2500×650（mm）；總質(zhì)量：11301kg；軸數(shù)：2軸。該中置軸掛車尾部托板的寬度設(shè)計(jì)為 2100mm，這樣的寬度方便工作人員裝卸帕薩特轎車，同時(shí)也在國(guó)家限值以內(nèi)。

轎運(yùn)車前運(yùn)輸平臺(tái)是承載車輛的主要結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)中置軸轎運(yùn)車的運(yùn)輸效率有著很大的影響。在前平臺(tái)中兩車之間留有間隙200mm，平臺(tái)需要總長(zhǎng)度為4872mm×2+200 mm=9944㎜，因此中置軸轎運(yùn)車前運(yùn)輸平臺(tái)長(zhǎng)定為 11000 mm。一輛帕薩特車寬為1834mm，而車輛運(yùn)輸車車寬不大于2500mm因此前運(yùn)輸平臺(tái)寬定為2450mm。

轎運(yùn)車后運(yùn)輸平臺(tái)，帕薩特轎車車長(zhǎng)為4872毫米，所以兩輛車的總長(zhǎng)為：4872mm×2=9744mm，兩輛車之間的間隙大約為200mm。所以需要總長(zhǎng)度為9744+200=9944mm，故平臺(tái)長(zhǎng)度定為11000mm。車寬為1834mm。我國(guó)法規(guī)對(duì)公路運(yùn)輸車輛的尺寸要求車輛的寬度不大于2.5m，因此運(yùn)輸平臺(tái)設(shè)計(jì)的總體寬為2160 mm。

3 液壓調(diào)節(jié)平臺(tái)系統(tǒng)

圖3 自動(dòng)化伸縮多孔板示意圖

主運(yùn)輸車和掛車都安裝有液壓控制高度的立柱，且前后立柱可以分別操控，這樣上層運(yùn)輸平臺(tái)的高度控制便非常靈活，與地面平行或傾斜都不成問(wèn)題，上層運(yùn)輸平臺(tái)后側(cè)可以傾斜至接近地面，使得裝卸車很方便。液壓驅(qū)動(dòng)的運(yùn)輸平臺(tái)可以向前或向后延伸一段距離，如圖 3，由于裝車采用直接開(kāi)車上下運(yùn)輸車的模式，地面和車輛停放位置之間必須要是一條連貫的通道，而掛車和主運(yùn)輸車往往是斷開(kāi)的模式，所以需要運(yùn)輸平臺(tái)的延伸來(lái)搭建一個(gè)臨時(shí)過(guò)渡橋，保證車輛順利通過(guò)。自動(dòng)化伸縮多孔板的動(dòng)作執(zhí)行可以由油缸完成，考慮到工作行程較長(zhǎng)，可以使用伸縮式套筒液壓油缸，內(nèi)置于伸縮跳板內(nèi)。

本項(xiàng)目我們采用油缸推舉飛機(jī)跳，油缸推舉飛機(jī)跳的斜拉油缸設(shè)置中，考慮到寬度的布置，一般有外側(cè)和內(nèi)側(cè)的兩種。這兩種情形下的設(shè)計(jì)，或多或少會(huì)影響外形美觀。也可以將油缸布置在飛機(jī)跳的下端，這種情況下的高度較高?？梢岳密嚰茏陨淼奶攸c(diǎn)解決這個(gè)缺點(diǎn)，例如可以利用在車軸前后端的高度上升，或在裝載車平放時(shí)即具有一定的偏置角，將油缸藏在這個(gè)偏置高度下。

圖4 油缸推舉飛機(jī)跳工作示意圖

4 連接梁的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的中置軸轎運(yùn)車只有一個(gè)連接裝置，將中置軸掛車與主運(yùn)輸車連接。連接梁安裝在后底盤的前端，與主運(yùn)輸車底盤的牽引銷連接座相接。設(shè)計(jì)的連接梁在豎直方向上不能移動(dòng)，所以行駛穩(wěn)定性好。

連接梁連接中置軸掛車和主運(yùn)輸車，如圖5所示，設(shè)計(jì)形狀呈三角形，頂端與前底盤下面的牽引銷裝配，底邊與后底盤直接裝配。

圖5 連接梁結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到國(guó)家對(duì)中置軸列車長(zhǎng)度的限制，以及主運(yùn)輸車底盤的設(shè)計(jì)尺寸和后底盤的設(shè)計(jì)尺寸，初步定下連接梁的尺寸。連接梁的后部是與掛車底盤連接，也是它的最寬處，所以寬度設(shè)計(jì)的和掛車底盤一樣為2500mm，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1700mm。與掛車裝配時(shí)重合部分長(zhǎng) 79mm，與前底盤裝配時(shí)重合部分長(zhǎng)277mm，除去重合的長(zhǎng)度，只剩1344mm算在列車總長(zhǎng)度之內(nèi)，符合要求。

5 掛車懸掛系統(tǒng)

空氣懸掛具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）平順性大大提高，因此能對(duì)貨物提供很好的保護(hù)。（2）車架的應(yīng)力大大地降低了，因?yàn)樗查g的尖峰力被懸掛消除了。（3）相等的軸荷：因?yàn)榭諝鈶覓炀哂休^大的懸掛行程，并且一側(cè)的氣囊通過(guò)管路連接在一起。（4）行駛高度保持不變。（5）環(huán)境友好：空氣懸掛車輛比其余一些系統(tǒng)產(chǎn)生更少的噪聲，特別是在空載的條件下，由于車軸高的尖峰力被消除，對(duì)路面和建筑的傷害減少了，在有些國(guó)家這種好處促使政府贊同空氣懸掛，并允許比機(jī)械懸掛系統(tǒng)更高的軸荷。因?yàn)橹兄幂S掛車擬采用雙軸形式，單周軸荷9噸左右，擬采用雙小胎，故選用塞夫－華蘭德中國(guó)的空氣懸掛：ZI9-19。

6 前底盤有限元分析

為了便于分析，這里將前底盤三維模型作了必要的簡(jiǎn)化，再將模型導(dǎo)入ANSYS中。

6.1 材料設(shè)置

打開(kāi)ANSYS，將簡(jiǎn)化的模型導(dǎo)入，進(jìn)行Q235-A鋼的參數(shù)設(shè)置，如下圖所示：

圖6 新建材料

圖7 約束和載荷

6.2 施加載荷和約束

滿載時(shí)，前底盤主要承受上平臺(tái)的重量、4根立柱以及車重，上平臺(tái)運(yùn)載兩輛車，它們的重量主要由4根立柱分散到前底盤上，而前底盤本身承受5/4輛車重，還有3/4的車重由飛機(jī)跳承受，受力大小方向如圖 7。其中:C、D、E、F為四個(gè)立柱給前底盤的壓力，A為一輛車重，H為1/4輛車重，B、G為約束。

6.3 分析云圖

圖8 總變形分析云圖

圖9 小部分危險(xiǎn)區(qū)域

由以上分析云圖，我們可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變分析和總變形分析的結(jié)果總體還是令人滿意的，可是在應(yīng)力分析云圖上出現(xiàn)了部分紅色區(qū)域，應(yīng)當(dāng)予以重視。雖然只是一小部分區(qū)域，但是為了安全起見(jiàn)，還是進(jìn)行修改來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，可以在板的兩端添加橫梁來(lái)增加強(qiáng)度。

圖10 添加橫梁

圖11 總變形分析云圖

下面對(duì)加了橫梁以后的模型再進(jìn)行有限元分析，看其是否能符合要求。新添材料和施加約束、力同之前的步驟都相同，分析云圖如11。添加橫梁以后，紅色區(qū)域消失，前底盤強(qiáng)度足夠，更加安全。由此可見(jiàn)，此方案可行。

7 飛機(jī)跳有限元分析

飛機(jī)跳與地面呈11°，所以受力要折算成3/4車重垂直在板上的力，大小為10774N，從分析結(jié)果來(lái)看，強(qiáng)度足夠，符合要求，不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的變形。

施加受力和約束：

圖12 受力和約束

飛機(jī)跳分析云圖：

圖13 總變形分析云

8 總結(jié)

中置軸轎運(yùn)車的設(shè)計(jì)推廣，能有效解決我國(guó)現(xiàn)有物流行業(yè)的混亂局勢(shì)，極大程度的減少交通事故的發(fā)生，保證物流行業(yè)暢通運(yùn)行和商品車安全、及時(shí)到達(dá)，提高商品車運(yùn)輸效率同時(shí)也給國(guó)家?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目的研究對(duì)企業(yè)解決一些實(shí)際問(wèn)題有一定的參考意義，有利于企業(yè)自身提高競(jìng)爭(zhēng)能力。本文提到了輕量化的設(shè)計(jì)，可以減輕車身自重，從而減少油耗，降低了企業(yè)的成本，提高了運(yùn)輸效率。在必要部分增加飛機(jī)跳裝置，有利于減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，解決車輛超長(zhǎng)超寬問(wèn)題。隨著中置軸轎運(yùn)車的興起，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠商的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)越來(lái)越激烈，這勢(shì)必會(huì)促使他們研究開(kāi)發(fā)更加先進(jìn)的產(chǎn)品，在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟。