空載集裝箱牽引車整車設計

劉小京，方慧平

（1.濰柴動力股份有限公司上海研發中心，上海 200000；2. 陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

空載集裝箱牽引車整車設計

劉小京1，方慧平2

（1.濰柴動力股份有限公司上海研發中心，上海 200000；2. 陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

集裝箱運輸中的空載集裝箱轉運是不可避免的，使用標載型集裝箱牽引車運輸導致購置成本高、油耗高。文章通過市場分析、運輸工況及客戶需求研究，定義空載集裝箱專用牽引車的整車性能。通過合理的整車設計、軸荷分布、動力匹配，掛車匹配等實現整車性能及指標分解。經試驗驗證，該車型整車安全可靠、舒適便捷、節能環保，較標載集裝箱牽引車油耗降低4.6L/100km，全生命周期運營成本大幅降低。

空載集裝箱；整車設計；動力匹配；軸距；軸荷

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-15-04

1、市場分析

1.1 空載集裝箱的轉運是不可避免的

很多貨物均是通過集裝箱來運輸的，集裝箱運輸方式所帶來的效益無可厚非。由于集裝箱必須經過拆裝過程，而且裝箱和拆箱通常發生于不同的場所，因此集裝箱本身必須經歷無緣無故的沒有效率的調運過程，每天均有大量空集裝箱從集裝箱剩余地區調撥到集裝箱匱乏地區。我國自然資源分布不平衡，受地區經濟發展和城市布局等因素的影響，全國集裝箱貨源分布和流向存在著很大差異，導致鐵路集裝箱供需矛盾十分突出，空箱調運較為頻繁。

港口所在地區的經濟貿易發展水平在很大程度上決定了其進出口貨物的數量，使得港口一般形成以進口型為主和以出口型為主兩類，很難達到均衡狀態，因此集裝箱港口進、出口箱數量不均衡會導致空載集裝箱的轉運。在裝卸搬運設施不完善，未形成國際中轉樞紐的中小型港口，存在大量的集裝箱空箱積壓，如果信息不暢則將造成空箱調運量增大。在海運集裝箱中，每五只集裝箱就有一只是空集裝箱，北歐主要港口的數據表明，整個集裝箱通過量的15%以上是空集裝箱。

中國是集裝箱的主要生產地，制造的干貨箱幾乎占世界的90%，而世界各地區對集裝箱均有大量的需求，由此造成了由中國各集裝箱制造廠向世界各地運輸空箱的現象，也產生了空載集裝箱的轉運。

1.2 空載集裝箱運輸現狀

空載集裝箱的運輸車輛目前主要分為兩種，第一種為標載型集裝箱運輸車，如圖1所示，可以運輸標載、輕載和空載集裝箱，此種車型可運輸集裝箱種類多，兼容性強。當標載型牽引車運輸輕載、空載集裝箱時，造成運力浪費、油耗高；第二種為圖2中所示長頭集裝箱運輸車，此類車型購置成本低，但是安全性、舒適性差，油耗高。

圖1 標載型集裝箱運輸車

圖2 某長頭集裝箱運輸車

空載集裝箱運輸主要是港口到空箱堆場之間的轉運，大部分單程運距在20公里以內，每天行駛200-300 公里之間，集裝箱重量為3-6噸，在港區內常用行駛車速為40公里每小時，在港區外常用行駛車速為70公里每小時，運行路面以港區道路、城市及城郊公路為主。少部分空載集裝箱需要進行中長距離運輸。空載集裝箱牽引車的運營主體以物流企業為主，大部分為自購車輛聘請司機，少部分散戶自購車輛加入公司。

2、產品定義

空載集裝箱運輸市場目前正在快速增長，運輸車輛呈專用化發展趨勢，在寧波等港口出現了采用專用空載集裝箱運輸車的物流企業。目前進入該市場的品牌較少，競爭不充分，產品問題較多。本文以某項目的中卡平臺為基礎，拓展開發滿足客戶需求的專用空載集裝箱牽引車，同時聯合掛車生產廠家開發專用空載集裝箱掛車，為客戶提供整套運輸車輛解決方案。

當前客戶最希望改進的是空載集裝箱運輸車的購置成本及運營成本，同時也希望避免出現其保有車輛出現的問題。港口處于沿海地區，雨水較多，腐蝕性強，要求車輛密封防水、防腐性能好；配置天窗，減少空調耗能；目前標載型集裝箱運輸車裝載空載集裝箱時百公里油耗為20-25升，專用運輸車百公里油耗為17升；續駛里程需大于500公里；港口工作人員在操作平臺上檢查車輛，需提高上下操作平臺的便利性及可靠性。

根據市場分析、客戶的潛在需求和競品分析，制定空載集裝箱牽引車的整車級性能目標，繪制性能雷達圖。要求開發車輛可靠性高，出勤率高，駕乘環境優，匹配車隊管理系統，全生命周期運營成本低。

圖3 空載集裝箱運輸車性能雷達圖

3、整車設計

驅動型式：集裝箱重量為3-6噸，掛車重量2.8噸，主車整備質量4.6噸。如表1所示，GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》中規定二軸半掛牽引車最大允許總質量限值為18噸。在滿足法規要求的情況下，應盡可能選擇車軸少的驅動型式以降低油耗及成本。采用4×2后驅動型式可以滿足使用要求。

表1 汽車、掛車及汽車列車最大允許總質量限值 單位為千克

駕駛室型式：空載集裝箱運輸車單程運距短，一般均為單人駕駛，偶爾排隊等待裝箱時在車上休息，臥鋪使用頻率不高，故選用長度為1.96米的小臥鋪駕駛室。

軸距：為了提高牽引車的適配性，前回轉半徑設計要求大于2120mm，后回轉半徑設計要求小于1900 mm ，軸距盡可能小，前后軸軸荷分布合理。根據上述要求優化匹配得出軸距最小為3300 mm， 鞍座前置距為520 mm。

軸荷分布：經過對整車的初步布置，分解整車重量目標，與各子系統協商確定重量目標，在三維模型中測出各子系統的質心坐標，通過力矩守恒原理求出質心坐標及各軸軸荷。滿載時此牽引車前軸軸荷為3.4噸，后軸軸荷為5.2噸。空載時此牽引車前軸軸荷為2.8噸，后軸軸荷為1.8噸。

圖4 空載集裝箱牽引車及半掛車軸荷分布

輪胎選擇：目前卡車市場主要使用的輪胎有普通子午線輪胎（5度輪輞），普通斜交胎（5度輪輞），普通子午線輪胎（15度輪輞），公制子午線胎（15度輪輞）四種，其中普通子午線輪胎（5度輪輞）維修方便，使用成本較低，承載能力強，在國內使用廣泛。公制子午線胎（15度輪輞）為無內胎結構，散熱性好，被扎后漏氣緩慢，安全性高；滾動阻力小，輪胎直徑小，整車高度更低，能有效降低油耗。該車型標配普通子午線輪胎（5度輪輞），可選配公制子午線胎（15度輪輞）。考慮整個平臺的通用性、輕載集裝箱牽引車拓展要求以及制動器的限制，參考GB T 2977-2008《載重汽車輪胎規格、尺寸氣壓與負荷》，試制樣車選擇8.25R20輪胎。

車架設計：車架作為整車中的主要的承載部件，支撐著駕駛室、發動機、傳動系統等所有簧上質量的部件，并承受著部件傳給它的各種力和力矩，同時也承載著路面沖擊等外部載荷。為了保持各總成在車架上的相對位置，車架需要有足夠的剛度；為了保證整車的可靠性與壽命，車架又要有足夠的強度。車架的剛度過小，會使相應部件的振幅加大，也會影響汽車的乘坐舒適性、操縱穩定性等整車性能；但車架的剛度也不宜過大，過大的剛度會使振動頻率加大，汽車對路面的適應性變差，并同樣會影響乘坐舒適性以及操作穩定性等整車性能。在保證車架具有合適的剛度、強度的前提下，應盡量降低車架自重，以減輕整車整備質量，提高整車的使用效率。車架的設計過程中要考慮開發平臺的需求，運用模塊化、系列化的設計理念，理性務實全面地進行開發設計工作。通過多輪方案優化及CAE對比分析，此車型采用等寬邊梁式車架加前伸梁結構，采用管狀橫梁結構減少重量，左右前伸梁內側寬度910mm，車架外寬870 mm ，滿足大冷卻模塊的布置及外寬不超過2300 mm的要求。

通過性：參考成熟車型及市場輸入，接近角＞19度，離去角＞32度：離地間隙＞210，最小轉彎直徑＜12.2，縱向通過半徑＞3417，掛車前傾7度，后傾8度時，掛車不與牽引車發生干涉。

5、動力匹配

列車總重13.4噸，建立動力模型進行優化匹配，發動機選用濰柴動力245馬力WP6發動機， 變速箱選用法士特6DS95T（速比6.62/3.73/2.3/1.51/1/0.75/6.05），單級主減橋速比4.33，輪胎8.25R20。優化計算結果見表2所示：

表2 動力匹配優化計算結果

6、掛車匹配

掛車設計為可轉運一個40英尺空集裝箱或兩個20英尺空集裝箱，額定載質量為3000-6000kg，整備質量要求小于2800kg，最大允許半掛車前回轉半徑1920mm，最小允許半掛牽引車后回轉半徑1800mm，選用50#牽引銷，單橋雙胎，輪胎與牽引車一致（型號為8.25R20）。牽引座平面離地高1139mm(空載)，1062(滿載)。

圖5 空載集裝箱半掛車布置圖

7、試驗驗證

空載集裝箱牽引車和掛車進行了樣車試制，完成了可靠性及性能試驗。樣車總體達到了前期定義的性能目標。樣車空間布局合理，安全可靠，舒適便捷，節能環保。其中動力性經濟性試驗結果見表3，滿載時最高車速123 km/h，最大爬坡度30%， 營運油耗15.4 L/100km，直接檔40-80 km/h加速時間為27.7s。 試驗樣車的某些零部件采用代用件，代用件無法達到新開發零部件的性能指標要求，故計算值與試驗結果有一定的差異。

表3 動力性經濟性試驗數據

8、總結

本文對空載集裝箱運輸進行了市場及客戶需求分析，針對該細分市場提出專業物流用車解決方案。進行了新設計產品整車性能定義，分解性能目標并完成整車設計、動力系統集成優化、掛車匹配等工作。通過試制及試驗驗證了整車設計，新產品總體達到前期產品定義目標。空載集裝箱半掛牽引列車樣車的運營油耗試驗值為15.4 L/100km，比傳統標載型運輸車輛節油約4.6L/100km，同時購置成本更低，全生命周期內可以為客戶節約大量成本。該車輛比同類競品運輸范圍更廣，能夠運輸裝載10噸貨物的集裝箱，通過大馬力小速比、寬冷卻模塊、附件優化、降低車輛高度、提高傳動效率等措施實現了油耗比競品低1.6 L/100km。

[1] 汪傳旭.世界空載集裝箱運輸的現狀及面臨的問題.中國遠洋航務.1998(4)：19-20.

[2] 段剛等.基于貨物等級的空重集裝箱運輸優化研究.交通運輸系統工程與信息2012.12(5)：140-147.

[3] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社,2006.

The integration of empty container towing vehicle

Liu Xiaojing1, Fang Huiping2
( 1.Weichai Power Co., Ltd. Shanghai R&D Center, Shanghai 200000; 2.Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi’an 710200 )

The empty container transport is inevitable, the use of standard-type container towing vehicle lead to more acquisition cost and fuel consumption. Set up the vehicle level targets of the special towing vehicle based on analysis of the market, transportation condition and VOC. Achieve the targets through the logical design of the whole vehicle, axle load distribution, powertrain optimization, trailer matching and so on. It was proved that the vehicle is safe, reliable, comfortable, convenient and economic. It reduces the fuel consumption of the container tractor by 4.6L / 100km and significantly reduces the total cost of ownership for the customers.

Empty container; Vehicle integration; Powertrain optimization; Wheelbase; Load distribution

U462.1

A

1671-7988(2017)05-15-04

劉小京（1986-1），男，本科，工程師，就職于濰柴動力股份有限公司上海研發中心。主要從事整車設計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.006