中置轴轿运车结构设计

顾琦，耿龙伟，黄明成，朱平，丁志玉

（盐城工学院汽车工程学院，江苏 盐城 224000）

前言

目前国内的运输行业发展迅速，轿运车是运输车辆的主要专用车辆，但是轿运车在运输车辆过程中潜在着很多安全隐患，例如现在很多厂家为了能够增加运输利润和运输更多的汽车，都对轿运车进行了非法改装，加长加宽运输板。但这种改装已经违反了国家对公路汽车的规定。中置轴轿运车的出现更适合轿运车的发展，因为在相同的条件下不超宽，不超长，中置轴轿运车的装载量要比传统的轿运车要多，各项性能也较之要强。因此在新修订的GB1589中把中置轴挂车列入其中，这项修订可以说为国内中置轴轿运车的发展提供了极大的便利，也推动了我国在轿运车治理方面的改革，为国内公路运输业的发展做出了贡献。

1 轿运车设计依据

1.1 设计选型原则

设计出符合于我国国内道路行驶的专用车辆运输车，提高标准化、通用化水平，降低生产成本，增强市场竞争力。设计的整车零部件应该确保安全可靠并有较好的经济型。车辆运输车应该遵守国家准则，做到性能优异，外形美观。

1.2 中置轴轿运车的介绍

现今我国车辆运输车市场的轿运车多为传统的半挂车类型。如图 1，然而这类半挂车结构庞大，原理陈旧，在各个尺寸上都远远的超出了国家规定的标准，并且由于车身长度过长，车辆转弯半径过大，导致传统全挂车的行驶十分不稳定。

相比传统的半挂车，中置轴轿运车优势十分明显，如图2所示。其长度限值为22米，比普通半挂列车多出4.9米。在车辆运输途中，中置轴列车既可以作为列车使用，也可以摘掉列车，作为单车单独使用，功能性更强。

图1 传统全挂车实物图

图2 中置轴轿运车实物图

1.3 中置轴轿运车装载货物参数依据

a）轿车品牌：帕萨特；

b）车身尺寸：4872×1834×1484mm（长×宽×高）；

c）车身重量：1495kg；

d）轴距：2803mm。

2 中置轴轿运车主要技术性能指标

2.1 中置轴轿运车整车的主要技术性能指标

a）最大外形尺寸：20000mm×2500mm×4500mm（长×宽×高）；

b）可装载8－10辆中型轿车（以帕萨特为设计依据）；c）整备质量：≤18000kg；d）载重量：≥18000 kg。

2.2 中置轴轿运车牵引车主要技术性能指标

a）底盘型号：选用CA5263GJYP7K1L9T1E解放二类底盘；

b）功率：209kW；

c）发动机型号：BF6M1013-28E3；

d）驱动形式：6×4；轴数：3；轴距：5360+1350；

e）总质量：26000kg；

f）整备质量：7600kg；

g）驾驶室尺寸：高度2710 mm；

h）底盘外形尺寸：10250×2455×2710（3110）mm；

i）底盘标准：GB3847-2005，GB17691-2005国Ⅲ。

2.3 轿运车前后底盘、前后运输平台

轿运车前底盘是在主牵引车的基础上建设而成，使其本身就具有车辆的装载能力。前底盘拟运输两辆帕萨特，所需的长度为9744mm，两辆车所需的间隔为100mm，将前底盘的长度定为 9855mm；两边留下足够的距离便于与上平台的装配，宽度定为 2490mm；查阅资料借鉴已有的车型，初步将前底盘的厚度定为112mm。

轿运车后底盘的外形尺寸（长×宽×高）：9958×2500×650（mm）；总质量：11301kg；轴数：2轴。该中置轴挂车尾部托板的宽度设计为 2100mm，这样的宽度方便工作人员装卸帕萨特轿车，同时也在国家限值以内。

轿运车前运输平台是承载车辆的主要结构，其结构设计对中置轴轿运车的运输效率有着很大的影响。在前平台中两车之间留有间隙200mm，平台需要总长度为4872mm×2+200 mm=9944㎜，因此中置轴轿运车前运输平台长定为 11000 mm。一辆帕萨特车宽为1834mm，而车辆运输车车宽不大于2500mm因此前运输平台宽定为2450mm。

轿运车后运输平台，帕萨特轿车车长为4872毫米，所以两辆车的总长为：4872mm×2=9744mm，两辆车之间的间隙大约为200mm。所以需要总长度为9744+200=9944mm，故平台长度定为11000mm。车宽为1834mm。我国法规对公路运输车辆的尺寸要求车辆的宽度不大于2.5m，因此运输平台设计的总体宽为2160 mm。

3 液压调节平台系统

图3 自动化伸缩多孔板示意图

主运输车和挂车都安装有液压控制高度的立柱，且前后立柱可以分别操控，这样上层运输平台的高度控制便非常灵活，与地面平行或倾斜都不成问题，上层运输平台后侧可以倾斜至接近地面，使得装卸车很方便。液压驱动的运输平台可以向前或向后延伸一段距离，如图 3，由于装车采用直接开车上下运输车的模式，地面和车辆停放位置之间必须要是一条连贯的通道，而挂车和主运输车往往是断开的模式，所以需要运输平台的延伸来搭建一个临时过渡桥，保证车辆顺利通过。自动化伸缩多孔板的动作执行可以由油缸完成，考虑到工作行程较长，可以使用伸缩式套筒液压油缸，内置于伸缩跳板内。

本项目我们采用油缸推举飞机跳，油缸推举飞机跳的斜拉油缸设置中，考虑到宽度的布置，一般有外侧和内侧的两种。这两种情形下的设计，或多或少会影响外形美观。也可以将油缸布置在飞机跳的下端，这种情况下的高度较高。可以利用车架自身的特点解决这个缺点，例如可以利用在车轴前后端的高度上升，或在装载车平放时即具有一定的偏置角，将油缸藏在这个偏置高度下。

图4 油缸推举飞机跳工作示意图

4 连接梁的设计

本项目设计的中置轴轿运车只有一个连接装置，将中置轴挂车与主运输车连接。连接梁安装在后底盘的前端，与主运输车底盘的牵引销连接座相接。设计的连接梁在竖直方向上不能移动，所以行驶稳定性好。

连接梁连接中置轴挂车和主运输车，如图5所示，设计形状呈三角形，顶端与前底盘下面的牵引销装配，底边与后底盘直接装配。

图5 连接梁结构示意图

考虑到国家对中置轴列车长度的限制，以及主运输车底盘的设计尺寸和后底盘的设计尺寸，初步定下连接梁的尺寸。连接梁的后部是与挂车底盘连接，也是它的最宽处，所以宽度设计的和挂车底盘一样为2500mm，长度设计为1700mm。与挂车装配时重合部分长 79mm，与前底盘装配时重合部分长277mm，除去重合的长度，只剩1344mm算在列车总长度之内，符合要求。

5 挂车悬挂系统

空气悬挂具有如下优点：（1）平顺性大大提高，因此能对货物提供很好的保护。（2）车架的应力大大地降低了，因为瞬间的尖峰力被悬挂消除了。（3）相等的轴荷：因为空气悬挂具有较大的悬挂行程，并且一侧的气囊通过管路连接在一起。（4）行驶高度保持不变。（5）环境友好：空气悬挂车辆比其余一些系统产生更少的噪声，特别是在空载的条件下，由于车轴高的尖峰力被消除，对路面和建筑的伤害减少了，在有些国家这种好处促使政府赞同空气悬挂，并允许比机械悬挂系统更高的轴荷。因为中置轴挂车拟采用双轴形式，单周轴荷9吨左右，拟采用双小胎，故选用塞夫－华兰德中国的空气悬挂：ZI9-19。

6 前底盘有限元分析

为了便于分析，这里将前底盘三维模型作了必要的简化，再将模型导入ANSYS中。

6.1 材料设置

打开ANSYS，将简化的模型导入，进行Q235-A钢的参数设置，如下图所示：

图6 新建材料

图7 约束和载荷

6.2 施加载荷和约束

满载时，前底盘主要承受上平台的重量、4根立柱以及车重，上平台运载两辆车，它们的重量主要由4根立柱分散到前底盘上，而前底盘本身承受5/4辆车重，还有3/4的车重由飞机跳承受，受力大小方向如图 7。其中:C、D、E、F为四个立柱给前底盘的压力，A为一辆车重，H为1/4辆车重，B、G为约束。

6.3 分析云图

图8 总变形分析云图

图9 小部分危险区域

由以上分析云图，我们可以发现，应变分析和总变形分析的结果总体还是令人满意的，可是在应力分析云图上出现了部分红色区域，应当予以重视。虽然只是一小部分区域，但是为了安全起见，还是进行修改来解决这个问题，可以在板的两端添加横梁来增加强度。

图10 添加横梁

图11 总变形分析云图

下面对加了横梁以后的模型再进行有限元分析，看其是否能符合要求。新添材料和施加约束、力同之前的步骤都相同，分析云图如11。添加横梁以后，红色区域消失，前底盘强度足够，更加安全。由此可见，此方案可行。

7 飞机跳有限元分析

飞机跳与地面呈11°，所以受力要折算成3/4车重垂直在板上的力，大小为10774N，从分析结果来看，强度足够，符合要求，不会出现危险的变形。

施加受力和约束：

图12 受力和约束

飞机跳分析云图：

图13 总变形分析云

8 总结

中置轴轿运车的设计推广，能有效解决我国现有物流行业的混乱局势，极大程度的减少交通事故的发生，保证物流行业畅通运行和商品车安全、及时到达，提高商品车运输效率同时也给国家带来巨大的经济效益。本项目的研究对企业解决一些实际问题有一定的参考意义，有利于企业自身提高竞争能力。本文提到了轻量化的设计，可以减轻车身自重，从而减少油耗，降低了企业的成本，提高了运输效率。在必要部分增加飞机跳装置，有利于减小车辆的转弯半径，解决车辆超长超宽问题。随着中置轴轿运车的兴起，国内生产厂商的竞争会越来越激烈，这势必会促使他们研究开发更加先进的产品，在激烈的竞争中站稳脚跟。