一款用于子母車運(yùn)輸?shù)牡晚敔恳囬_發(fā)

趙航 班宜賓 王偉豪 趙荳

摘要：針對近期子母車在煤炭運(yùn)輸市場的興起，研究了一款用于子母車運(yùn)輸?shù)牡晚敔恳嚒ｉ_發(fā)車型根據(jù)子母車特殊運(yùn)營模式，從降低整車高度、減小整車寬度及增大離地間隙等方面進(jìn)行優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)背車狀態(tài)下“三不超”，即超載、超限、超高，保證車輛合法合規(guī)運(yùn)營。

關(guān)鍵詞：子母車；牽引車；煤炭運(yùn)輸

中圖分類號：U4622? 收稿日期：2024-04-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405006

1 前言

子母車是對于車背車運(yùn)輸模式的一種簡稱，主要用于空車返程模式，具體運(yùn)輸模式為兩輛車只拉單程貨，在空車返程時一輛車背著另一輛車。子母車運(yùn)輸模式并非是新事物，它誕生于20多年前，因當(dāng)時信息傳遞不發(fā)達(dá)，在完全陌生城市尋找貨源異常困難，大部分司機(jī)選擇空車回程，為減少運(yùn)營成本，催生出車背車運(yùn)營模式。隨著時代的發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)貨運(yùn)平臺的興起，子母車一度在市場上銷聲匿跡。

全國范圍統(tǒng)一執(zhí)行高速按軸收費(fèi)，車輛空返過路費(fèi)提升，導(dǎo)致一空一滿的長途專線煤炭運(yùn)輸過路費(fèi)急劇增加，此外煤炭行業(yè)大量車轉(zhuǎn)鐵，煤炭運(yùn)輸?shù)目傮w貨源下降，運(yùn)費(fèi)也隨之下降。在行業(yè)整體低迷的情況下，運(yùn)輸從業(yè)者亟需一種可以降低運(yùn)營成本，子母車無疑是一種合適的選擇，而專為子母車運(yùn)營模式開發(fā)的低頂牽引車也注定將受到市場青睞。

2 子母車關(guān)鍵指標(biāo)

GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》中規(guī)定，半掛牽引汽車、列車車輛高度不能超過4 m[1]，寬度不能超過255 m。主流牽引車整車高度一般在36～4 m，整車寬度一般在250～255 m。

子母車是由子車和母車組成，為方便駕駛員休息，母車一般采用高頂雙臥駕駛室牽引車匹配13 m倉柵式半掛車，為使子車搭載母車掛車中整車高度不超4 m限高，子車一般采用低頂駕駛室匹配95 m掛車，并在母車掛車貨箱底板上設(shè)置下凹的輪胎槽，在背車狀態(tài)子車前輪固定在下凹的輪胎槽中。根據(jù)以上子母車匹配原則，不難分析出一款合格子車需關(guān)注的關(guān)鍵指標(biāo)：整車高度、整車寬度、底盤附件離地間隙。

3 關(guān)鍵指標(biāo)影響因素

31 整車高度影響因素

以某款重型牽引車為例，影響整車高度的因素主要包含輪胎半徑、輪心高（輪心至車架下翼面距離）、車架斷面高、駕駛室后懸置定位（后懸置安裝面至車架上翼面距離）、車身高度等。如圖1所示，A為前軸輪胎半徑，B為前軸輪心高，C為車架斷面高度，D為駕駛室懸置高度，E為白車高度，整車高度H計(jì)算公式為：

H=A+B+C+D+E? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

311 減小輪胎半徑A

輪胎作為車輛與路面接觸的唯一零件，輪胎規(guī)格對整車通過性、燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性等有較大影響，如快遞運(yùn)輸牽引車為降低油耗及匹配大容積貨箱通常采用295/80R225輪胎，中長途煤炭運(yùn)輸牽引車為保證動力性，通常采用12R225輪胎。因此若為改善整車高度突破常規(guī)而改變輪胎規(guī)格時，需評估動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性等能否滿足市場需求。

312 降低前軸輪心高B

降低前軸輪心高可從降低板簧自由弧高、調(diào)整板簧厚度、增大板簧剛度、減少墊塊厚度及增大板簧安裝面到輪心的距離（前軸工字梁下沉量）考慮。當(dāng)然具體車型的降輪心高方案需結(jié)合使用工況、承載、成本、開發(fā)周期等綜合考慮。

313 降低縱梁斷面高度C

縱梁主要是承受彎曲載荷，所以縱梁的斷面形狀主要根據(jù)抗彎性能來選擇，根據(jù)最大彎曲矩Mmax和車架抗彎強(qiáng)度值σ，可以得出車架縱梁的斷面抗彎系W，依據(jù)斷面系數(shù)可以得出截面質(zhì)量的大致范圍。由于重型卡車車架縱梁斷面形狀基本為槽型，如圖2所示。對于等高等厚度槽型斷面，其斷面抗彎系數(shù)計(jì)算公式為：

[W=thb（h+6b）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，t為縱梁壁厚；h為槽型斷面中間層高度；b為槽型斷面中間層寬度。

車架設(shè)計(jì)時盡可能在相同斷面抗彎系數(shù)下選擇截面質(zhì)量輕的斷面。槽型斷面厚度一般可取范圍為5～10 mm，考慮汽車質(zhì)心高度及發(fā)動機(jī)等部件布置的限制，并避免邊板彎曲變形，h與b比值一般在25～38之間，b一般取12 t。

一般來講，載重越大工況越差，車架斷面高度越大。目前公路運(yùn)輸牽引車常用車架斷面高度尺寸在270～300 mm，國內(nèi)主流重型牽引車主要采用270 m、300 mm兩種尺寸。

314 降低駕駛室懸置高度D

駕駛室懸置將白車身與車架彈性連接，承擔(dān)著衰減沖擊載荷及調(diào)節(jié)汽車行駛中車身位置等功能，與整車舒適性及平順性息息相關(guān)。根據(jù)彈性元件類型，駕駛室懸置系統(tǒng)可分為橡膠彈簧減震懸置、螺旋彈簧減震懸置、空氣彈簧減震懸置。不同類型懸置各有優(yōu)劣勢，在進(jìn)行懸置匹配設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮成本、目標(biāo)客戶關(guān)注點(diǎn)等，如公路用車一般工況較好，行駛里程較長，客戶重點(diǎn)關(guān)注駕乘舒適性，工程用車一般使用工況較差，行駛里程較短，客戶重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)可靠性，同時要求良好的駕乘舒適性。

a.懸置類型選擇。

駕駛室懸置作為白車身與車架間的彈性連接裝置，在車輛運(yùn)行時隨彈性元件壓縮駕駛室存在垂直方向上的上下運(yùn)動，駕駛室懸置高度不斷變化。降低駕駛室懸置高度可從保證車輛懸置位于上下運(yùn)動最低點(diǎn)考慮。

根據(jù)彈性元件類型不同，壓縮變形量也有差異。較橡膠彈簧及螺旋彈簧減震，空氣彈簧懸置剛度較小，車輛運(yùn)行時彈性元件壓縮量更大。另外，空氣彈簧懸置通過底盤儲氣筒提供壓縮空氣，通過改變空氣彈簧氣壓的方式可實(shí)現(xiàn)駕駛室懸置高度的控制（降低懸置減震性能，對整車舒適性及平順性有影響）[2]?？紤]子母車在車背車狀態(tài)下低頂子車無需行駛，通過設(shè)計(jì)一款氣囊快速放氣功能，可實(shí)現(xiàn)背車狀態(tài)下整車高度降低。

b.駕駛室定位選擇。

駕駛室定位指車架下翼面到駕駛室地板定位零平面的Z向距離，作為車架與駕駛室地板的連接裝置，駕駛室定位與懸置高度緊密相關(guān)。在車架斷面高度確定前提下，降低駕駛室定位即是減少駕駛室地板到車架上翼面的距離。

目前國內(nèi)主流重型牽引車均為平頭車，發(fā)動機(jī)及其附件位于駕駛室地板下方，降低駕駛室定位勢必會壓縮發(fā)動機(jī)及其附件的布置空間，甚至影響發(fā)動機(jī)定位坐標(biāo)。

315 降低車身高度

a.降低白車身高度。

如圖3所示，白車身總成分為前圍總成、左右側(cè)圍總成、地板總成、頂蓋總成、后圍總成六大部分[3]，其承擔(dān)著附件的安裝、車門安裝等功能。白車身總成對整個駕駛室的密封起著至關(guān)重要的作用，其整體模態(tài)剛度對碰撞及NVH有著重要影響，其承擔(dān)駕駛室安全及舒適性等功能。

白車身高度主要受左右側(cè)圍總成、后圍總成及頂蓋總成影響，對于子母車運(yùn)輸?shù)葯C(jī)會型市場，需優(yōu)先考慮車型開發(fā)的及時性，以便快速搶占市場?？紤]全新開發(fā)駕駛室的周期及成本，優(yōu)先考慮在現(xiàn)有白車身基礎(chǔ)優(yōu)化。結(jié)合白車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為將變動影響降至最低，減少車型開發(fā)周期及成本，降低白車身高度優(yōu)先考慮降低頂蓋總成高度。

白車身高度與駕駛室室內(nèi)空間直接相關(guān)，降低白車身高度即壓縮室內(nèi)空間，對駕駛員駕駛環(huán)境及駕乘舒適性影響巨大，因此在現(xiàn)有白車身基礎(chǔ)優(yōu)化車身高度時，除了將變動影響降至最低，還需考慮人機(jī)工程。

b.降低車身飾件高度。

對大多數(shù)重型牽引車而言，駕駛室最高點(diǎn)一般不在駕駛室頂蓋，而是位于遮陽罩、頂置氣喇叭等安裝于駕駛室頂蓋部件的頂部。降低車身飾件高度可從調(diào)整頂蓋上安裝部件位置考慮，保證駕駛室頂蓋為車身最高點(diǎn)。

32 降低整車寬度

321 整車寬度要求

子母車運(yùn)輸模式中子車需開進(jìn)母車掛車中，母車掛車外側(cè)寬度為2 550 mm，內(nèi)側(cè)寬度一般為2 490 mm。GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、 軸荷及質(zhì)量限值》[4]中規(guī)定，半掛牽引汽車、列車寬度不能超過255 m。主流牽引車整車寬度一般在250～255 m，可滿足常規(guī)道路通行要求，但作為子車卻無法匹配母車掛車，需將整車寬度優(yōu)化至＜2 490 mm。

322 基于驅(qū)動橋輪距的整車寬度優(yōu)化

a.驅(qū)動橋輪距優(yōu)化。

整車寬度由上車體布置及下車體布置共同決定，上車體布置對整車寬度的影響主要是乘坐空間的大小，下車體布置對整車寬度的影響主要有車架寬度、車橋輪距[5]及輪胎大小等。以某款重型牽引車為例，整車最寬部位為下車體中的驅(qū)動橋輪胎部位，輪胎規(guī)格選型前文已做介紹，此處不再贅述，以下將分析基于車橋輪距的整車寬度優(yōu)化。

驅(qū)動輪附近車輛外側(cè)總寬度的確定，需要考慮驅(qū)動輪輪胎的型號、驅(qū)動橋的輪距等因素。具體如圖4所示，驅(qū)動輪附近車輛外側(cè)總寬度的計(jì)算公式為：

QAW=T+S+W? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，QAW為車輛外側(cè)總寬度;T為驅(qū)動輪輪距;S為最小雙胎間隙；W為輪胎斷面寬度。最小雙胎間隙及輪胎端面寬度受輪胎規(guī)格影響，表1所示為常用輪胎的最小雙胎間隙及輪胎端面寬度、輪胎與車架間隙。

在輪胎規(guī)格確定的情況下，降低驅(qū)動輪附近車輛外側(cè)總寬度可從降低驅(qū)動輪輪距考慮。一般情況下，輪距越大，對操縱平穩(wěn)性越有利，車輛的橫向穩(wěn)定性越好，因此在為改善通過性而突破常規(guī)改變驅(qū)動橋輪距時，除了要評估整車寬度能否滿足市場需求，也要結(jié)合使用工況條件及用戶使用習(xí)慣。

b.車架后部寬度優(yōu)化。

車架后部寬度尺寸的確定，需要考慮驅(qū)動橋輪胎的型號、懸架形式及安裝位置的關(guān)系，具體如圖4所示。車架后部寬度尺寸TW的計(jì)算公式為：

TW=T-S-W-2C? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，S為最小雙胎間隙；W為輪胎斷面寬度；C為輪胎與車架的間隙，輪胎與車架間隙的取值需要考慮懸架板簧的寬度及板簧與輪胎、車架的間隙?？紤]側(cè)傾穩(wěn)定性等因素，車架后部寬度取上限值。

33 增大車輛離地間隙

子母車運(yùn)輸模式中，為降低背車后整車高度及便于子車固定，母車掛車多采用小鵝頸半掛車，并在貨箱底板上設(shè)置下凹的輪胎槽，在背車狀態(tài)子車前輪固定在下凹的輪胎槽中，驅(qū)動輪卡在鵝頸處，可在一定程度上防止運(yùn)輸過程中子車前后移動，保證運(yùn)輸安全性。

主流母車掛車下凹的輪胎槽深度為200～300 mm，為避免背車過程中車輛部件與母車掛車地板磕碰，需保證車身部件離地間隙＞300 mm。背車過程中子車需通過爬車梯駛?cè)肽杠噿燔囍?，子車附件需滿足一定的俯角要求，因此增大車輛離地間隙不是簡單地將底盤附件安裝位置上移，而應(yīng)綜合考慮其對車輛俯角的影響，避免子車爬坡過程中掛車磕碰損壞底盤附件。

4 技術(shù)方案實(shí)施

本文以一款用于子母車運(yùn)輸模式的低頂重型牽引車為例，目標(biāo)車型應(yīng)對煤炭長途標(biāo)載運(yùn)輸市場，道路以國道為主，全程平原或丘陵路況。一方面全國范圍統(tǒng)一執(zhí)行高速按軸收費(fèi)，車輛空返過路費(fèi)提升，導(dǎo)致一空一滿的長途專線煤炭運(yùn)輸過路費(fèi)急劇增加，此外煤炭行業(yè)大量車轉(zhuǎn)鐵，煤炭運(yùn)輸?shù)目傮w貨源下降，運(yùn)費(fèi)也隨之下降；另一方面受諸多因素影響，全國貨運(yùn)量大幅下降，導(dǎo)致運(yùn)力過剩，致使運(yùn)輸行業(yè)競爭加劇，運(yùn)費(fèi)下降，迫使部分用戶采用不同措施應(yīng)對。

基于上述市場背景，綜合考慮產(chǎn)品需求迫切性、客戶使用工況、客戶對購車成本的敏感性、技術(shù)方案可行性等因素，決定對現(xiàn)3 m高度產(chǎn)品進(jìn)行適應(yīng)性開發(fā)，產(chǎn)品高度降至283 m以下，整車寬度降至249 m以下，同時優(yōu)化整車離地間隙，既降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，又能滿足背車需求。

41 整車高度

a.降低輪心高。

開發(fā)車型主要應(yīng)對煤炭長途標(biāo)載運(yùn)輸，運(yùn)輸路況國道占比六成以上，且煤場多為非鋪裝路面，車輛駕駛路況惡劣，因此對整車可靠性要求較高。車架、懸架及輪胎等承載部件的變動通常需要較長的可靠性驗(yàn)證及市場驗(yàn)證周期，開發(fā)周期無法滿足市場的迫切需求，因此該車型采用現(xiàn)有的經(jīng)過市場充分驗(yàn)證的前2后3板簧懸架方案，通過優(yōu)化懸架弧高、降低墊塊高度降低輪心高，理論降低輪心高68 mm，同時為保證懸架減震性能，增大懸架板簧剛度，將前軸更換為大工字梁下沉量前軸，理論降低輪心高43 mm。前懸輪心高變化見表２。另外需同步優(yōu)化后懸架輪心高，降低前后車架高度差，調(diào)整整車姿態(tài)。

b.降低駕駛室懸置高度。

駕駛室懸置采用空氣氣囊懸置，懸置高度可通過改變空氣彈簧氣壓的方式控制，通過設(shè)計(jì)一款氣囊快速放氣功能，在背車狀態(tài)下將懸置氣囊放氣，理論降低高度40 mm。新車型在不影響發(fā)動機(jī)定位及發(fā)動機(jī)缸體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上降低駕駛室定位高度，同時優(yōu)化駕駛室地板下發(fā)動機(jī)及附件布置，既縮短了開發(fā)周期，又實(shí)現(xiàn)開發(fā)車型較基礎(chǔ)車型降低高度50 mm。

c.降低遮陽罩高度。

為滿足市場迫切需求，縮短開發(fā)周期及降低開發(fā)成本，新車型采用現(xiàn)有成熟白車身方案，僅將高出駕駛室頂蓋的遮陽罩位置下移，實(shí)現(xiàn)與頂蓋平齊，理論降低高度40 mm。

42 整車寬度

為滿足整車寬度＜2 490 mm要求，同時兼顧整車橫向穩(wěn)定性及開發(fā)周期，開發(fā)車型采用1 800輪距驅(qū)動橋，車架后部寬度同步調(diào)整，新車型采用降輪距驅(qū)動橋后整車寬度，較基礎(chǔ)車型減少60 mm。

43 整車離地間隙

新車型整車離地間隙需滿足＞300 mm，針對離地間隙不滿足的附件，如發(fā)動機(jī)油底殼、油箱、尿素箱等，進(jìn)行結(jié)構(gòu)全新優(yōu)化，在滿足車輛使用性能基礎(chǔ)上，提升車輛通過性［5］。

5 達(dá)成效果及驗(yàn)證

受裝配制造誤差、板簧剛度誤差、板簧弧高誤差、測量誤差、輪胎胎壓、軸荷分配等因素影響，整車高度、寬度及離地間隙理論計(jì)算值與實(shí)測值之間存在一定誤差。現(xiàn)對開發(fā)車型的實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值進(jìn)行分析，驗(yàn)證整車?yán)碚撚?jì)算值的準(zhǔn)確性，并評估指標(biāo)達(dá)成情況。

51 計(jì)算前軸空載輪胎靜負(fù)荷半徑A

輪胎靜負(fù)荷半徑的確定，需考慮軸荷、輪胎自由半徑及輪胎剛度的影響。輪胎靜負(fù)荷半徑A的計(jì)算公式為：

[A=DZ-FqnC]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中，[DZ]為輪胎充氣后外直徑；[Fq]為前軸軸荷；C為輪胎剛度；n為前軸輪胎個數(shù)。常用輪胎剛度見表３。

52 計(jì)算前軸空載輪心高B

輪心高計(jì)算公式為：

[B=a+b+f+d-h-（F-m）2C]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，a為弧高為零狀態(tài)時車架下翼面與板簧上表面距離；b為板簧總厚度；f為自由弧高；F為該軸軸荷；m為簧下質(zhì)量；C為板簧剛度；d為墊塊厚度；h為板簧安裝面到輪心高度。

53 達(dá)成效果及分析

隨機(jī)選取兩臺下線開發(fā)車型，采用三坐標(biāo)測量法獲取整車高度、離地間隙、整車寬度等各項(xiàng)尺寸，理論計(jì)算值與實(shí)測值對比見表4。

整車?yán)碚撚?jì)算高度、整車寬度等尺寸與實(shí)測值誤差均小于05%。GB 38900—2020《機(jī)動車安全技術(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法》規(guī)定，機(jī)動車外廓尺寸實(shí)測值與機(jī)動車產(chǎn)品公告、機(jī)動車出廠合格證記載的數(shù)值相比，誤差應(yīng)滿足：汽車（三輪汽車除外）、掛車不超過±1%或±50 mm。因此，整車高度、整車寬度的誤差在合理范圍內(nèi)并滿足機(jī)動車注冊登記檢驗(yàn)要求。

開發(fā)車型理論計(jì)算整車高度為2 820 mm，理論計(jì)算寬度為2 470 mm，理論計(jì)算離地間隙＞300 mm，兩臺開發(fā)車型實(shí)測高度分別為2 833 mm、2 835 mm，實(shí)測寬度2 469 mm、2 472 mm，實(shí)測最小離地間隙315 mm、322 mm，考慮裝配、測量及制造誤差，判定達(dá)成設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

隨著子母車運(yùn)輸模式在煤炭運(yùn)輸市場的興起，市場亟需一款針對此特殊運(yùn)營模式的低頂牽引車。本文主要概述了一款用于子母車運(yùn)輸模式的低頂牽引車的開發(fā)，通過分析可知，該低頂牽引車整車技術(shù)方案可從整車高度、整車寬度及離地間隙等方面考慮。經(jīng)實(shí)車驗(yàn)證，開發(fā)車型各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，可滿足子母車運(yùn)輸模式需求。

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作者簡介：

趙航，男，1991年生，工程師，研究方向?yàn)檎囋O(shè)計(jì)。