特種半掛車輛的軸荷優化研究

張凡

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

一般來說，對于汽車而言，各個軸荷得到均衡、合理的配比最有利于保證穩定性，尤其是重型汽車，各個軸荷的合理分配有利于車輪的均勻磨損，且有利于保證汽車擁有良好的行駛穩定性，這對于車輛行駛的安全性意義重大。但對于特殊車輛，例如某些特種半掛車輛，相對而言，軸荷的分配，特別是使用工況中的軸荷一般不是均勻的，例如某些車輛的初始前軸軸荷設計相對偏大，這有利于車輛上坡時有足夠的附著力，且上坡時后傾較小，相對穩定。但是單一軸荷設計不能過大，以免單一軸荷的輪胎超載爆胎，合理優化車輛的軸荷主要用以提高車輛的行駛安全性[1]。本文以某型號特種半掛車輛為原型建立軸荷的簡化計算方程式，引入各軸荷再分配系數，將各軸荷相互分配關系聯系起來，為車輛的軸荷設計提供一種可行性的分析。

1 簡化計算模型

車輛正常行駛的工況下，各軸的垂直軸荷基本相差不大，但其他工況下，比如爬坡、曲線轉彎、剎車等情況下，軸荷會發生動態轉移，此時的動態過程中，各軸的軸荷均會在不同程度上發生轉移，從而使得汽車的穩態響應發生變化。

考慮到多軸特種車輛的使用工況，本文以某型號半掛車為原型，以常見道路使用工況模式建立車輛的行駛方程式。在建立計算方程式之前，為了簡化模型來分析計算，先作如下假定：①不考慮牽引車和半掛車上輔助支腿所承擔的部分載荷；②不計滾動阻力和空氣阻力對軸荷動態轉移的影響。本文單以半掛車的車軸部分作為模型的拆分計算對象，由于車輛分配在各軸上的軸荷可對應等同于對面對于各軸的垂直反作用力，以此為思路，通過作用于車輛各軸的地面反作用力來反映該狀態下各軸對應的軸荷狀態。

2 建立計算方程式

以某型號特種半掛車輛為原型，半掛車輛前端可由輔助支腿分擔部分載荷，在本文軸荷轉移計算模式下，暫不作考慮，直接簡化為由前、后鉸鏈連接的車輛側傾的中心軸線上，然后經由鋼板彈簧等彈性元件支撐于車輛的前、后軸上[2]。

Ms為半掛車車體的總載荷，按照該模型狀態質心的中心位置分配到前軸M1s、后軸M2s上，并由前、后軸的法向反作用力由M1sy，M2sy來平衡，前、后軸荷的法向反作用力作用于車體的彈性力矩為T1sy，T2sy，分別把前軸和后軸作為單獨隔離體，可得前、后軸荷垂直法向反作用力的變動量ΔFz1、ΔFz2，其中，θ1，θ2分別為前、后軸的彎曲傾角剛度；Fu1、Fu2分別為前、后軸非懸掛質量產生的動載荷；hu1，hu2分別為前、后軸懸掛質量等效質心離地面的高度；mu1，mu2分別為前、后軸非懸掛質量等效質心離地面的高度；R為行駛半徑，一般可取車輪半徑；h1，h2為前、后軸的側傾中心高度；?為汽車旋轉質量換算系數，通常計算可取1.1～1.2；Iw為車輪的轉動慣量；If為飛輪的轉動慣量；ig為加速或制動狀態下對應車輛的變速器的速比；io為主減速比；ΔFj為汽車加速或制動行駛時等效平移質量部分產生的對應的慣性力。由汽車行駛方程式可得：

分別作用在前軸和后軸上的等效垂直反作用力即為該狀態下前軸和后軸的大致軸荷分配[3]，這個變動量對于各軸荷的作用力是隨著車輛不同運動狀態作相應變化的，當車輛加速向前行駛或緊急剎車制動時，作用于車輛前、后軸上的地面法向反作用力為車輛在水平勻速行駛的工況下外加車輛克服車輛加速或制動時的慣性力作用在前軸和后軸上的等效分力，累加狀態下，前、后軸的垂直反作用力與前、后軸荷的垂直法向反作用力的變動量的等效總和則為車輛前、后軸的法向反作用力，即有：

求得的，即為前軸和后軸地面法向反作用力的等效總和，可認為是該狀態下前軸和后軸的大致軸荷分配情況。另外，為了方便作車輛前、后軸荷分配的量化對比分析，引入軸荷再分配系數的定義，把作用于車輛前、后軸荷上的法向反作用力，與穩態下車輛車體總載荷Ms的比值，分別稱為前、后軸荷再分配系數，即：

3 實例計算分析

以某型號特種半掛車輛為例，半掛車車體的總載荷約為10 000 kg，靜止狀態下前軸與后軸的軸荷數據如表1所示，代入相關車輛參數，將上述方程式代入計算可得各狀態下的前、后軸荷再分配系數值。由此可見，所得到的計算結果基本能反映出車輛在行駛過程中軸荷的變化趨勢。

表1 各狀態前、后軸荷再分配系數

4 結論

本文建立了一種多軸特種車輛行駛工況軸荷的簡化計算方法，概念表達明確，計算操作方便，可為多軸車輛的軸荷優化設計提供思路。

由上述計算方法可知，車輛各軸荷的分配與車輛的結構參數及道路狀況等有關，而實際進行車輛的軸荷設計時，不僅需要研究車輛處于某一特殊運動情況下各軸的載荷情況，還需要研究該情況下各軸軸荷的變化情況，更需要研究各軸軸荷變化的幅度，以達到車輛軸荷的最優化設計。

參考文獻：

［1］余志生.汽車理論［M］.第5版.北京：機械工業出版社，2009.

［2］王望予.汽車設計［M］.第4版.北京：機械工業出版社，2004.

［3］哈爾濱工業大學理念力學教研室.理論力學［M］.第8版.哈爾濱：高等教育出版社，2014.