中置軸汽車列車主掛連接裝置的設計與研究

申曉霞，王江鵬，王超，鄭東利，鄧攀

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中置軸汽車列車主掛連接裝置的設計與研究

申曉霞，王江鵬，王超，鄭東利，鄧攀

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

主掛連接裝置作為中置軸汽車列車重要的連接部件，其結構參數及強度對中置軸汽車列車主掛的匹配及安全性影響巨大，文章通過主掛匹配分析確定了中置軸掛車牽引桿深入量、主掛貨箱間距、外形尺寸、軸距、牽引座安裝高度、貨箱尺寸等相關參數，同時對自制的牽引座連接裝置、牽引桿及牽引桿連接支架強度進行理論計算及CAE分析校核，對后期不同類型中置軸汽車列車連接裝置的設計開發具有一定的參考意義。

主掛連接裝置；匹配分析；強度校核

前言

“921”新政對整車總質量要求極其嚴苛，導致用戶利潤率大大降低，伴隨著2016版GB1589汽車列車中新增了中置軸汽車列車的分類，如圖1所示，這讓各車輛生產廠家及用戶看到了新的希望[1]。

圖1 中置軸汽車列車

中置軸掛車相對于常規運輸車輛主要有以下優點：1）高效靈活。該車型可單車運行，可列車運行，可運輸中途代掛中轉，也可運輸途中甩掛交貨。2）有效容積提升。其容積較廂式載貨車單車可提升92%，較半掛汽車列車可提升31%。3）節約購車成本，提升運輸效率。一個中置軸牽引主車可匹配3-4個中置軸掛車，若采用交換箱可實現部分甩箱、換箱，減少停留裝卸貨時間，運輸效率可提升10%。4）可在高速公路上運行。理論上全掛汽車列車可實現與中置軸汽車列車相同的容積，但由于存在安全性隱患而不允許在高速公路上運行[2]。因此，中置軸汽車列車在國內快遞及輕拋類低密度貨物運輸市場將會有非常好的前景。

而中置軸掛車的安全可靠性，必離不開主掛的連接裝置，因此，主掛連接裝置的可靠性直接影響了中置軸汽車列車的安全性[3]。前期，國內各廠家通常直接購買國外整套連接裝置。本文介紹了一種中置軸汽車列車主掛連接裝置的設計匹配方法，并對該連接裝置進行強度計算及CAE分析，保證連接裝置符合中置軸掛車設計要求。

1 主掛連接裝置結構設計

根據GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》，圖2中中置軸汽車列車各尺寸參數要求如表1所示。

圖2 中置軸汽車列車尺寸模型

表1 中置軸汽車列車尺寸參數

而根據《中置軸掛車通用技術條件》征求意見稿要求，廂式中置軸掛車牽引掛環中心在水平面上的投影點距貨車廂體最后端在水平面上的投影的縱向距離A應不小于1400mm；中置軸掛車牽引桿與主貨車后端上下擺動角度α應不小于6°，且牽引桿上平面與牽引桿中心線距離不小于125mm，不得與貨車后端發生干涉；牽引掛環中心距車輛支撐水平面垂直距離為380±25mm，具體如圖3所示。

圖3 牽引桿距貨車廂體最后端尺寸、間隙角度、間隙距離示意圖

根據上述要求，如圖4所示，中置軸掛車前回轉半徑C應不小于Cmin，而：

根據法規要求，Cmin應小于2150mm，因此，在主貨車長度L0確定的情況下。

其中：

A—掛環中心距貨車廂體最后端縱向距離，單位mm；

S—貨車回轉安全距離250mm；

W—主貨車總寬度，單位：mm；

Tmin—主掛貨箱最小間距，單位：mm；

T2max—掛車貨箱最大外長度，單位：mm。

因此，當W=2550mm，S=250mm，L=20000mm，L0=12000 mm時，可根據《營運貨車安全技術條件第二部分：牽引車輛與掛車》中推薦的牽引桿伸入量1400mm、1600mm以及1900mm計算出最小前回轉半徑Cmin、主掛貨箱最小間距Tmin及掛車貨箱最大長度L2max。因此，根據主掛貨箱容積配比及法規要求可進一步確定對應中置軸掛車的相關結構參數。

圖4 中置軸掛車前回轉半徑計算示意圖

本論文中置軸汽車列車主貨車采用某4×2廂式中置軸載貨汽車，總長度為12000mm，因此，根據主貨車參數及上述計算確定中置軸掛車主要參數如表3所示。

表3 廂式中置軸掛車技術參數

2 主掛連接裝置強度計算

如圖5所示，進行中置軸汽車列車主掛連接裝置強度的計算。

圖5 中置軸汽車列車受力模型

根據《道路車輛牽引車輛和剛性桿掛車機械連接裝置——強度試驗》要求，計算出中置軸汽車列車DC及V值。

其中：

DC—由主貨車和掛車之間縱向力的計算值決定的比較值，單位：kN；

V—由主貨車和掛車之間垂直力的計算值決定的比較值，單位：kN；

g—重力加速度，g=9.81m/s2；

M—裝有牽引桿耦合器的牽引車的最大設計總質量（包括S），單位：t；

R—中置軸掛車最大總質量，單位：t；

a—耦合點的等效垂直加速度，取決于牽引車輛后軸的懸架類型，包括一個常因子：1）當牽引車輛裝有空氣懸架（或具有等效阻尼特性）時，a=1.8m/s2；2）當牽引車輛裝有其他類型的懸架系統時，a=2.4m/s2；

S—中置軸掛環處垂直靜載，單位：t；

Z—達到最大設計總質量的掛車車軸傳遞到地面的質量，單位：t；

L2—掛車加載區域的長度，單位m；

L3—牽引桿的理論長度，即牽引桿掛鉤孔中心與安裝車軸中心的距離，單位：m；

如該長度小于1，應采用該數值1。

則中置軸汽車列車主掛連接裝置強度要求如表4所示。

表4 中置軸載貨汽車主掛連接裝置強度要求

3 主掛連接裝置強度分析

采用CATIA三維建模軟件對上述的中置軸汽車列車主掛連接裝置進行建模，由于牽引掛環及牽引座進行外采，因此，本文重點對自制的牽引座連接裝置、牽引桿及牽引桿連接支架強度分別進行分析，對此，為減少數據計算量，在滿足分析準確性的前提下對模型做了適當的分解及簡化，如圖6及圖7。

為增加中置軸掛車的通用性，本論文中主掛連接裝置CAE分析加載按照各極限工況加載設置，綜合考慮了各種驅動形式的列車主貨車，根據車輛實際使用條件及中置軸汽車列車主掛連接裝置強度要求對牽引座連接裝置、牽引桿及牽引桿連接支架加載方式進行確定，最終完成其在垂向沖擊、制動及轉彎幾個工況下的強度分析。

圖6 牽引座連接裝置加載模型

圖7 牽引桿及掛車加載模型

經過CAE分析計算，牽引座連接裝置的動態強度分析結果如表5所示，滿足要求，最惡劣的情形是在轉彎工況下，發生在牽引座連接裝置側板上，最小安全因子為1.1，如圖8所示。

表5 牽引座連接裝置強度分析結果

牽引桿及牽引桿連接支架的動態強度分析如表6所示，滿足要求，最惡劣的情形是在制動工況下，發生在牽引桿連接支架下邊緣，最小安全因子為1.19，如圖9所示。

表6 牽引桿及牽引桿連接支架強度分析結果

因此，根據分析結果確定，牽引座連接裝置、牽引桿及牽引桿連接支架強度均滿足開發要求。

4 結論

本論文通過對中置軸汽車列車主掛的匹配關系，完成了主掛連接裝置各部件的尺寸參數確定及強度計算分析，并通過CAE分析對各關鍵自制件進行強度校核，對后期不同類型中置軸汽車列車連接裝置的設計開發具有一定的參考意義。

[1] 張雪莉,任飛.中置軸車輛運輸掛車外廓尺寸自動檢驗問題及對策[J].公路與汽運,2018(1):13-15.

[2] 任澤凱.基于直接橫擺力偶矩控制的中置軸汽車列車操縱穩定性研究[J].汽車技術,2018(1):6-13.

[3] 趙洪德,中置軸車輛運輸車兩種牽引桿連接器的使用探討[J].專用汽車,2018(5):75-77.

Design and Research of Connecting Device for Mid-axle-truck Train

Shen Xiaoxia, Wang Jiangpeng, Wang Chao, Zheng Dongli, Deng Pan

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Shaanxi Xi'an 710200）

The connecting device is the important connecting component for Mid-axle-truck Train, and the structural parameters and strength of connecting device could make a great influence on the matching and safety of the train. Through the matching analysis of the main trailer, this paper provides a method to calculate the relevant parameters such as the depth of the traction rod, the distance between the main trailer and the truck, wheelbase, installation height of the traction seat and so on. In the same time, the theoretical calculation and CAE analysis of the strength of the self-made parts, which could have certain reference significance for the design and development of different types of Mid-axle-truck train connecting device in the later stage.

connecting device; matching analysis; strength check

U469.5

B

1671-7988(2019)07-136-04

申曉霞，研究生，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，從事產品設計工作。

U469.5

B

1671-7988(2019)07-136-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.046