一款用于子母车运输的低顶牵引车开发

赵航 班宜宾 王伟豪 赵荳

摘要：针对近期子母车在煤炭运输市场的兴起，研究了一款用于子母车运输的低顶牵引车。开发车型根据子母车特殊运营模式，从降低整车高度、减小整车宽度及增大离地间隙等方面进行优化，可实现背车状态下“三不超”，即超载、超限、超高，保證车辆合法合规运营。

关键词：子母车；牵引车；煤炭运输

中图分类号：U4622  收稿日期：2024-04-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405006

1 前言

子母车是对于车背车运输模式的一种简称，主要用于空车返程模式，具体运输模式为两辆车只拉单程货，在空车返程时一辆车背着另一辆车。子母车运输模式并非是新事物，它诞生于20多年前，因当时信息传递不发达，在完全陌生城市寻找货源异常困难，大部分司机选择空车回程，为减少运营成本，催生出车背车运营模式。随着时代的发展，以及网络货运平台的兴起，子母车一度在市场上销声匿迹。

全国范围统一执行高速按轴收费，车辆空返过路费提升，导致一空一满的长途专线煤炭运输过路费急剧增加，此外煤炭行业大量车转铁，煤炭运输的总体货源下降，运费也随之下降。在行业整体低迷的情况下，运输从业者亟需一种可以降低运营成本，子母车无疑是一种合适的选择，而专为子母车运营模式开发的低顶牵引车也注定将受到市场青睐。

2 子母车关键指标

GB 1589-2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》中规定，半挂牵引汽车、列车车辆高度不能超过4 m[1]，宽度不能超过255 m。主流牵引车整车高度一般在36～4 m，整车宽度一般在250～255 m。

子母车是由子车和母车组成，为方便驾驶员休息，母车一般采用高顶双卧驾驶室牵引车匹配13 m仓栅式半挂车，为使子车搭载母车挂车中整车高度不超4 m限高，子车一般采用低顶驾驶室匹配95 m挂车，并在母车挂车货箱底板上设置下凹的轮胎槽，在背车状态子车前轮固定在下凹的轮胎槽中。根据以上子母车匹配原则，不难分析出一款合格子车需关注的关键指标：整车高度、整车宽度、底盘附件离地间隙。

3 关键指标影响因素

31 整车高度影响因素

以某款重型牵引车为例，影响整车高度的因素主要包含轮胎半径、轮心高（轮心至车架下翼面距离）、车架断面高、驾驶室后悬置定位（后悬置安装面至车架上翼面距离）、车身高度等。如图1所示，A为前轴轮胎半径，B为前轴轮心高，C为车架断面高度，D为驾驶室悬置高度，E为白车高度，整车高度H计算公式为：

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

311 减小轮胎半径A

轮胎作为车辆与路面接触的唯一零件，轮胎规格对整车通过性、燃油经济性、动力性等有较大影响，如快递运输牵引车为降低油耗及匹配大容积货箱通常采用295/80R225轮胎，中长途煤炭运输牵引车为保证动力性，通常采用12R225轮胎。因此若为改善整车高度突破常规而改变轮胎规格时，需评估动力性、燃油经济性等能否满足市场需求。

312 降低前轴轮心高B

降低前轴轮心高可从降低板簧自由弧高、调整板簧厚度、增大板簧刚度、减少垫块厚度及增大板簧安装面到轮心的距离（前轴工字梁下沉量）考虑。当然具体车型的降轮心高方案需结合使用工况、承载、成本、开发周期等综合考虑。

313 降低纵梁断面高度C

纵梁主要是承受弯曲载荷，所以纵梁的断面形状主要根据抗弯性能来选择，根据最大弯曲矩Mmax和车架抗弯强度值σ，可以得出车架纵梁的断面抗弯系W，依据断面系数可以得出截面质量的大致范围。由于重型卡车车架纵梁断面形状基本为槽型，如图2所示。对于等高等厚度槽型断面，其断面抗弯系数计算公式为：

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

式中，t为纵梁壁厚；h为槽型断面中间层高度；b为槽型断面中间层宽度。

车架设计时尽可能在相同断面抗弯系数下选择截面质量轻的断面。槽型断面厚度一般可取范围为5～10 mm，考虑汽车质心高度及发动机等部件布置的限制，并避免边板弯曲变形，h与b比值一般在25～38之间，b一般取12 t。

一般来讲，载重越大工况越差，车架断面高度越大。目前公路运输牵引车常用车架断面高度尺寸在270～300 mm，国内主流重型牵引车主要采用270 m、300 mm两种尺寸。

314 降低驾驶室悬置高度D

驾驶室悬置将白车身与车架弹性连接，承担着衰减冲击载荷及调节汽车行驶中车身位置等功能，与整车舒适性及平顺性息息相关。根据弹性元件类型，驾驶室悬置系统可分为橡胶弹簧减震悬置、螺旋弹簧减震悬置、空气弹簧减震悬置。不同类型悬置各有优劣势，在进行悬置匹配设计时应综合考虑成本、目标客户关注点等，如公路用车一般工况较好，行驶里程较长，客户重点关注驾乘舒适性，工程用车一般使用工况较差，行驶里程较短，客户重点关注系统可靠性，同时要求良好的驾乘舒适性。

a.悬置类型选择。

驾驶室悬置作为白车身与车架间的弹性连接装置，在车辆运行时随弹性元件压缩驾驶室存在垂直方向上的上下运动，驾驶室悬置高度不断变化。降低驾驶室悬置高度可从保证车辆悬置位于上下运动最低点考虑。

根据弹性元件类型不同，压缩变形量也有差异。较橡胶弹簧及螺旋弹簧减震，空气弹簧悬置刚度较小，车辆运行时弹性元件压缩量更大。另外，空气弹簧悬置通过底盘储气筒提供压缩空气，通过改变空气弹簧气压的方式可实现驾驶室悬置高度的控制（降低悬置减震性能，对整车舒适性及平顺性有影响）[2]。考虑子母车在车背车状态下低顶子车无需行驶，通过设计一款气囊快速放气功能，可实现背车状态下整车高度降低。

b.驾驶室定位选择。

驾驶室定位指车架下翼面到驾驶室地板定位零平面的Z向距离，作为车架与驾驶室地板的连接装置，驾驶室定位与悬置高度紧密相关。在车架断面高度确定前提下，降低驾驶室定位即是减少驾驶室地板到车架上翼面的距离。

目前国内主流重型牵引车均为平头车，发动机及其附件位于驾驶室地板下方，降低驾驶室定位势必会压缩发动机及其附件的布置空间，甚至影响发动机定位坐标。

315 降低车身高度

a.降低白车身高度。

如图3所示，白车身总成分为前围总成、左右侧围总成、地板总成、顶盖总成、后围总成六大部分[3]，其承担着附件的安装、车门安装等功能。白车身总成对整个驾驶室的密封起着至关重要的作用，其整体模态刚度对碰撞及NVH有着重要影响，其承担驾驶室安全及舒适性等功能。

白车身高度主要受左右侧围总成、后围总成及顶盖总成影响，对于子母车运输等机会型市场，需优先考虑车型开发的及时性，以便快速抢占市场。考虑全新开发驾驶室的周期及成本，优先考虑在现有白车身基础优化。结合白车身结构特点，为将变动影响降至最低，减少车型开发周期及成本，降低白车身高度优先考虑降低顶盖总成高度。

白车身高度与驾驶室室内空间直接相关，降低白车身高度即压缩室内空间，对驾驶员驾驶环境及驾乘舒适性影响巨大，因此在现有白车身基础优化车身高度时，除了将变动影响降至最低，还需考虑人机工程。

b.降低车身饰件高度。

对大多数重型牵引车而言，驾驶室最高点一般不在驾驶室顶盖，而是位于遮阳罩、顶置气喇叭等安装于驾驶室顶盖部件的顶部。降低车身饰件高度可从调整顶盖上安装部件位置考虑，保证驾驶室顶盖为车身最高点。

32 降低整车宽度

321 整车宽度要求

子母车运输模式中子车需开进母车挂车中，母车挂车外侧宽度为2 550 mm，内侧宽度一般为2 490 mm。GB 1589—2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、 軸荷及质量限值》[4]中规定，半挂牵引汽车、列车宽度不能超过255 m。主流牵引车整车宽度一般在250～255 m，可满足常规道路通行要求，但作为子车却无法匹配母车挂车，需将整车宽度优化至＜2 490 mm。

322 基于驱动桥轮距的整车宽度优化

a.驱动桥轮距优化。

整车宽度由上车体布置及下车体布置共同决定，上车体布置对整车宽度的影响主要是乘坐空间的大小，下车体布置对整车宽度的影响主要有车架宽度、车桥轮距[5]及轮胎大小等。以某款重型牵引车为例，整车最宽部位为下车体中的驱动桥轮胎部位，轮胎规格选型前文已做介绍，此处不再赘述，以下将分析基于车桥轮距的整车宽度优化。

驱动轮附近车辆外侧总宽度的确定，需要考虑驱动轮轮胎的型号、驱动桥的轮距等因素。具体如图4所示，驱动轮附近车辆外侧总宽度的计算公式为：

QAW=T+S+W                              （3）

式中，QAW为车辆外侧总宽度;T为驱动轮轮距;S为最小双胎间隙；W为轮胎断面宽度。最小双胎间隙及轮胎端面宽度受轮胎规格影响，表1所示为常用轮胎的最小双胎间隙及轮胎端面宽度、轮胎与车架间隙。

在轮胎规格确定的情况下，降低驱动轮附近车辆外侧总宽度可从降低驱动轮轮距考虑。一般情况下，轮距越大，对操纵平稳性越有利，车辆的横向稳定性越好，因此在为改善通过性而突破常规改变驱动桥轮距时，除了要评估整车宽度能否满足市场需求，也要结合使用工况条件及用户使用习惯。

b.车架后部宽度优化。

车架后部宽度尺寸的确定，需要考虑驱动桥轮胎的型号、悬架形式及安装位置的关系，具体如图4所示。车架后部宽度尺寸TW的计算公式为：

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

式中，S为最小双胎间隙；W为轮胎断面宽度；C为轮胎与车架的间隙，轮胎与车架间隙的取值需要考虑悬架板簧的宽度及板簧与轮胎、车架的间隙。考虑侧倾稳定性等因素，车架后部宽度取上限值。

33 增大车辆离地间隙

子母车运输模式中，为降低背车后整车高度及便于子车固定，母车挂车多采用小鹅颈半挂车，并在货箱底板上设置下凹的轮胎槽，在背车状态子车前轮固定在下凹的轮胎槽中，驱动轮卡在鹅颈处，可在一定程度上防止运输过程中子车前后移动，保证运输安全性。

主流母车挂车下凹的轮胎槽深度为200～300 mm，为避免背车过程中车辆部件与母车挂车地板磕碰，需保证车身部件离地间隙＞300 mm。背车过程中子车需通过爬车梯驶入母车挂车中，子车附件需满足一定的俯角要求，因此增大车辆离地间隙不是简单地将底盘附件安装位置上移，而应综合考虑其对车辆俯角的影响，避免子车爬坡过程中挂车磕碰损坏底盘附件。

4 技术方案实施

本文以一款用于子母车运输模式的低顶重型牵引车为例，目标车型应对煤炭长途标载运输市场，道路以国道为主，全程平原或丘陵路况。一方面全国范围统一执行高速按轴收费，车辆空返过路费提升，导致一空一满的长途专线煤炭运输过路费急剧增加，此外煤炭行业大量车转铁，煤炭运输的总体货源下降，运费也随之下降；另一方面受诸多因素影响，全国货运量大幅下降，导致运力过剩，致使运输行业竞争加剧，运费下降，迫使部分用户采用不同措施应对。

基于上述市场背景，综合考虑产品需求迫切性、客户使用工况、客户对购车成本的敏感性、技术方案可行性等因素，决定对现3 m高度产品进行适应性开发，产品高度降至283 m以下，整车宽度降至249 m以下，同时优化整车离地间隙，既降低开发成本、缩短开发周期，又能满足背车需求。

41 整车高度

a.降低轮心高。

开发车型主要应对煤炭长途标载运输，运输路况国道占比六成以上，且煤场多为非铺装路面，车辆驾驶路况恶劣，因此对整车可靠性要求较高。车架、悬架及轮胎等承载部件的变动通常需要较长的可靠性验证及市场验证周期，开发周期无法满足市场的迫切需求，因此该车型采用现有的经过市场充分验证的前2后3板簧悬架方案，通过优化悬架弧高、降低垫块高度降低轮心高，理论降低轮心高68 mm，同时为保证悬架减震性能，增大悬架板簧刚度，将前轴更换为大工字梁下沉量前轴，理论降低轮心高43 mm。前悬轮心高变化见表２。另外需同步优化后悬架轮心高，降低前后车架高度差，调整整车姿态。

b.降低驾驶室悬置高度。

驾驶室悬置采用空气气囊悬置，悬置高度可通过改变空气弹簧气压的方式控制，通过设计一款气囊快速放气功能，在背车状态下将悬置气囊放气，理论降低高度40 mm。新车型在不影响发动机定位及发动机缸体结构基础上降低驾驶室定位高度，同时优化驾驶室地板下发动机及附件布置，既缩短了开发周期，又实现开发车型较基础车型降低高度50 mm。

c.降低遮阳罩高度。

为满足市场迫切需求，缩短开发周期及降低开发成本，新车型采用现有成熟白车身方案，仅将高出驾驶室顶盖的遮阳罩位置下移，实现与顶盖平齐，理论降低高度40 mm。

42 整车宽度

为满足整车宽度＜2 490 mm要求，同时兼顾整车横向稳定性及开发周期，开发车型采用1 800轮距驱动桥，车架后部宽度同步调整，新车型采用降轮距驱动桥后整车宽度，较基础车型减少60 mm。

43 整车离地间隙

新车型整车离地间隙需满足＞300 mm，针对离地间隙不满足的附件，如发动机油底壳、油箱、尿素箱等，进行结构全新优化，在满足车辆使用性能基础上，提升车辆通过性［5］。

5 达成效果及验证

受装配制造误差、板簧刚度误差、板簧弧高误差、测量误差、轮胎胎壓、轴荷分配等因素影响，整车高度、宽度及离地间隙理论计算值与实测值之间存在一定误差。现对开发车型的实测数据与理论计算值进行分析，验证整车理论计算值的准确性，并评估指标达成情况。

51 计算前轴空载轮胎静负荷半径A

轮胎静负荷半径的确定，需考虑轴荷、轮胎自由半径及轮胎刚度的影响。轮胎静负荷半径A的计算公式为：

[A=DZ-FqnC]                              （5）

式中，[DZ]为轮胎充气后外直径；[Fq]为前轴轴荷；C为轮胎刚度；n为前轴轮胎个数。常用轮胎刚度见表３。

52 计算前轴空载轮心高B

轮心高计算公式为：

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

式中，a为弧高为零状态时车架下翼面与板簧上表面距离；b为板簧总厚度；f为自由弧高；F为该轴轴荷；m为簧下质量；C为板簧刚度；d为垫块厚度；h为板簧安装面到轮心高度。

53 达成效果及分析

随机选取两台下线开发车型，采用三坐标测量法获取整车高度、离地间隙、整车宽度等各项尺寸，理论计算值与实测值对比见表4。

整车理论计算高度、整车宽度等尺寸与实测值误差均小于05%。GB 38900—2020《机动车安全技术检验项目和方法》规定，机动车外廓尺寸实测值与机动车产品公告、机动车出厂合格证记载的数值相比，误差应满足：汽车（三轮汽车除外）、挂车不超过±1%或±50 mm。因此，整车高度、整车宽度的误差在合理范围内并满足机动车注册登记检验要求。

开发车型理论计算整车高度为2 820 mm，理论计算宽度为2 470 mm，理论计算离地间隙＞300 mm，两台开发车型实测高度分别为2 833 mm、2 835 mm，实测宽度2 469 mm、2 472 mm，实测最小离地间隙315 mm、322 mm，考虑装配、测量及制造误差，判定达成设计要求。

6 结语

随着子母车运输模式在煤炭运输市场的兴起，市场亟需一款针对此特殊运营模式的低顶牵引车。本文主要概述了一款用于子母车运输模式的低顶牵引车的开发，通过分析可知，该低顶牵引车整车技术方案可从整车高度、整车宽度及离地间隙等方面考虑。经实车验证，开发车型各项参数指标满足设计要求，可满足子母车运输模式需求。

参考文献：

[1]刘湘华，满章明，胡占军，等一种商用车卧铺升降机构及其设计方法：CN2021106022625[P]2021-07-30

[2]柴守勇商用车全浮式驾驶室空气悬置设计研究[D]青岛：青岛理工大学，2016

[3]李鑫一种微卡白车身结构：CN2014206894427[P]2015-05-28

[4]GB1589-2016 汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值[S]

[5]李小俊基于滑门MPV的整车宽度优化[J]汽车使用技术，2022，47（15）：60-63

作者简介：

赵航，男，1991年生，工程师，研究方向为整车设计。