中置軸汽車列車主掛連接裝置的設(shè)計(jì)與研究

申曉霞，王江鵬，王超，鄭東利，鄧攀

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中置軸汽車列車主掛連接裝置的設(shè)計(jì)與研究

申曉霞，王江鵬，王超，鄭東利，鄧攀

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

主掛連接裝置作為中置軸汽車列車重要的連接部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)及強(qiáng)度對(duì)中置軸汽車列車主掛的匹配及安全性影響巨大，文章通過主掛匹配分析確定了中置軸掛車牽引桿深入量、主掛貨箱間距、外形尺寸、軸距、牽引座安裝高度、貨箱尺寸等相關(guān)參數(shù)，同時(shí)對(duì)自制的牽引座連接裝置、牽引桿及牽引桿連接支架強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算及CAE分析校核，對(duì)后期不同類型中置軸汽車列車連接裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)具有一定的參考意義。

主掛連接裝置；匹配分析；強(qiáng)度校核

前言

“921”新政對(duì)整車總質(zhì)量要求極其嚴(yán)苛，導(dǎo)致用戶利潤(rùn)率大大降低，伴隨著2016版GB1589汽車列車中新增了中置軸汽車列車的分類，如圖1所示，這讓各車輛生產(chǎn)廠家及用戶看到了新的希望[1]。

圖1 中置軸汽車列車

中置軸掛車相對(duì)于常規(guī)運(yùn)輸車輛主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1）高效靈活。該車型可單車運(yùn)行，可列車運(yùn)行，可運(yùn)輸中途代掛中轉(zhuǎn)，也可運(yùn)輸途中甩掛交貨。2）有效容積提升。其容積較廂式載貨車單車可提升92%，較半掛汽車列車可提升31%。3）節(jié)約購(gòu)車成本，提升運(yùn)輸效率。一個(gè)中置軸牽引主車可匹配3-4個(gè)中置軸掛車，若采用交換箱可實(shí)現(xiàn)部分甩箱、換箱，減少停留裝卸貨時(shí)間，運(yùn)輸效率可提升10%。4）可在高速公路上運(yùn)行。理論上全掛汽車列車可實(shí)現(xiàn)與中置軸汽車列車相同的容積，但由于存在安全性隱患而不允許在高速公路上運(yùn)行[2]。因此，中置軸汽車列車在國(guó)內(nèi)快遞及輕拋類低密度貨物運(yùn)輸市場(chǎng)將會(huì)有非常好的前景。

而中置軸掛車的安全可靠性，必離不開主掛的連接裝置，因此，主掛連接裝置的可靠性直接影響了中置軸汽車列車的安全性[3]。前期，國(guó)內(nèi)各廠家通常直接購(gòu)買國(guó)外整套連接裝置。本文介紹了一種中置軸汽車列車主掛連接裝置的設(shè)計(jì)匹配方法，并對(duì)該連接裝置進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算及CAE分析，保證連接裝置符合中置軸掛車設(shè)計(jì)要求。

1 主掛連接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》，圖2中中置軸汽車列車各尺寸參數(shù)要求如表1所示。

圖2 中置軸汽車列車尺寸模型

表1 中置軸汽車列車尺寸參數(shù)

而根據(jù)《中置軸掛車通用技術(shù)條件》征求意見稿要求，廂式中置軸掛車牽引掛環(huán)中心在水平面上的投影點(diǎn)距貨車廂體最后端在水平面上的投影的縱向距離A應(yīng)不小于1400mm；中置軸掛車牽引桿與主貨車后端上下擺動(dòng)角度α應(yīng)不小于6°，且牽引桿上平面與牽引桿中心線距離不小于125mm，不得與貨車后端發(fā)生干涉；牽引掛環(huán)中心距車輛支撐水平面垂直距離為380±25mm，具體如圖3所示。

圖3 牽引桿距貨車廂體最后端尺寸、間隙角度、間隙距離示意圖

根據(jù)上述要求，如圖4所示，中置軸掛車前回轉(zhuǎn)半徑C應(yīng)不小于Cmin，而：

根據(jù)法規(guī)要求，Cmin應(yīng)小于2150mm，因此，在主貨車長(zhǎng)度L0確定的情況下。

其中：

A—掛環(huán)中心距貨車廂體最后端縱向距離，單位mm；

S—貨車回轉(zhuǎn)安全距離250mm；

W—主貨車總寬度，單位：mm；

Tmin—主掛貨箱最小間距，單位：mm；

T2max—掛車貨箱最大外長(zhǎng)度，單位：mm。

因此，當(dāng)W=2550mm，S=250mm，L=20000mm，L0=12000 mm時(shí)，可根據(jù)《營(yíng)運(yùn)貨車安全技術(shù)條件第二部分：牽引車輛與掛車》中推薦的牽引桿伸入量1400mm、1600mm以及1900mm計(jì)算出最小前回轉(zhuǎn)半徑Cmin、主掛貨箱最小間距Tmin及掛車貨箱最大長(zhǎng)度L2max。因此，根據(jù)主掛貨箱容積配比及法規(guī)要求可進(jìn)一步確定對(duì)應(yīng)中置軸掛車的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖4 中置軸掛車前回轉(zhuǎn)半徑計(jì)算示意圖

本論文中置軸汽車列車主貨車采用某4×2廂式中置軸載貨汽車，總長(zhǎng)度為12000mm，因此，根據(jù)主貨車參數(shù)及上述計(jì)算確定中置軸掛車主要參數(shù)如表3所示。

表3 廂式中置軸掛車技術(shù)參數(shù)

2 主掛連接裝置強(qiáng)度計(jì)算

如圖5所示，進(jìn)行中置軸汽車列車主掛連接裝置強(qiáng)度的計(jì)算。

圖5 中置軸汽車列車受力模型

根據(jù)《道路車輛牽引車輛和剛性桿掛車機(jī)械連接裝置——強(qiáng)度試驗(yàn)》要求，計(jì)算出中置軸汽車列車DC及V值。

其中：

DC—由主貨車和掛車之間縱向力的計(jì)算值決定的比較值，單位：kN；

V—由主貨車和掛車之間垂直力的計(jì)算值決定的比較值，單位：kN；

g—重力加速度，g=9.81m/s2；

M—裝有牽引桿耦合器的牽引車的最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量（包括S），單位：t；

R—中置軸掛車最大總質(zhì)量，單位：t；

a—耦合點(diǎn)的等效垂直加速度，取決于牽引車輛后軸的懸架類型，包括一個(gè)常因子：1）當(dāng)牽引車輛裝有空氣懸架（或具有等效阻尼特性）時(shí)，a=1.8m/s2；2）當(dāng)牽引車輛裝有其他類型的懸架系統(tǒng)時(shí)，a=2.4m/s2；

S—中置軸掛環(huán)處垂直靜載，單位：t；

Z—達(dá)到最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量的掛車車軸傳遞到地面的質(zhì)量，單位：t；

L2—掛車加載區(qū)域的長(zhǎng)度，單位m；

L3—牽引桿的理論長(zhǎng)度，即牽引桿掛鉤孔中心與安裝車軸中心的距離，單位：m；

如該長(zhǎng)度小于1，應(yīng)采用該數(shù)值1。

則中置軸汽車列車主掛連接裝置強(qiáng)度要求如表4所示。

表4 中置軸載貨汽車主掛連接裝置強(qiáng)度要求

3 主掛連接裝置強(qiáng)度分析

采用CATIA三維建模軟件對(duì)上述的中置軸汽車列車主掛連接裝置進(jìn)行建模，由于牽引掛環(huán)及牽引座進(jìn)行外采，因此，本文重點(diǎn)對(duì)自制的牽引座連接裝置、牽引桿及牽引桿連接支架強(qiáng)度分別進(jìn)行分析，對(duì)此，為減少數(shù)據(jù)計(jì)算量，在滿足分析準(zhǔn)確性的前提下對(duì)模型做了適當(dāng)?shù)姆纸饧昂?jiǎn)化，如圖6及圖7。

為增加中置軸掛車的通用性，本論文中主掛連接裝置CAE分析加載按照各極限工況加載設(shè)置，綜合考慮了各種驅(qū)動(dòng)形式的列車主貨車，根據(jù)車輛實(shí)際使用條件及中置軸汽車列車主掛連接裝置強(qiáng)度要求對(duì)牽引座連接裝置、牽引桿及牽引桿連接支架加載方式進(jìn)行確定，最終完成其在垂向沖擊、制動(dòng)及轉(zhuǎn)彎幾個(gè)工況下的強(qiáng)度分析。

圖6 牽引座連接裝置加載模型

圖7 牽引桿及掛車加載模型

經(jīng)過CAE分析計(jì)算，牽引座連接裝置的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果如表5所示，滿足要求，最惡劣的情形是在轉(zhuǎn)彎工況下，發(fā)生在牽引座連接裝置側(cè)板上，最小安全因子為1.1，如圖8所示。

表5 牽引座連接裝置強(qiáng)度分析結(jié)果

牽引桿及牽引桿連接支架的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析如表6所示，滿足要求，最惡劣的情形是在制動(dòng)工況下，發(fā)生在牽引桿連接支架下邊緣，最小安全因子為1.19，如圖9所示。

表6 牽引桿及牽引桿連接支架強(qiáng)度分析結(jié)果

因此，根據(jù)分析結(jié)果確定，牽引座連接裝置、牽引桿及牽引桿連接支架強(qiáng)度均滿足開發(fā)要求。

4 結(jié)論

本論文通過對(duì)中置軸汽車列車主掛的匹配關(guān)系，完成了主掛連接裝置各部件的尺寸參數(shù)確定及強(qiáng)度計(jì)算分析，并通過CAE分析對(duì)各關(guān)鍵自制件進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)后期不同類型中置軸汽車列車連接裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)具有一定的參考意義。

[1] 張雪莉,任飛.中置軸車輛運(yùn)輸掛車外廓尺寸自動(dòng)檢驗(yàn)問題及對(duì)策[J].公路與汽運(yùn),2018(1):13-15.

[2] 任澤凱.基于直接橫擺力偶矩控制的中置軸汽車列車操縱穩(wěn)定性研究[J].汽車技術(shù),2018(1):6-13.

[3] 趙洪德,中置軸車輛運(yùn)輸車兩種牽引桿連接器的使用探討[J].專用汽車,2018(5):75-77.

Design and Research of Connecting Device for Mid-axle-truck Train

Shen Xiaoxia, Wang Jiangpeng, Wang Chao, Zheng Dongli, Deng Pan

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Shaanxi Xi'an 710200）

The connecting device is the important connecting component for Mid-axle-truck Train, and the structural parameters and strength of connecting device could make a great influence on the matching and safety of the train. Through the matching analysis of the main trailer, this paper provides a method to calculate the relevant parameters such as the depth of the traction rod, the distance between the main trailer and the truck, wheelbase, installation height of the traction seat and so on. In the same time, the theoretical calculation and CAE analysis of the strength of the self-made parts, which could have certain reference significance for the design and development of different types of Mid-axle-truck train connecting device in the later stage.

connecting device; matching analysis; strength check

U469.5

B

1671-7988(2019)07-136-04

申曉霞，研究生，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作。

U469.5

B

1671-7988(2019)07-136-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.046