大件運輸車輛最小轉彎半徑影響因素及計算模型分析

呂鵬磊 王子蕊 劉利鵬

(河北交通職業技術學院 河北石家莊 050091)

近年來，以航空、高鐵為代表的交通運輸方式迅猛發展，已成為我國綜合交通運輸體系中不可或缺的部分，但是公路運輸以其靈活性、便捷性的優點仍是大件貨物運輸首選且最主要的運輸方式。

公路大件運輸往往承擔著重大基礎設施工程關鍵設備的運輸任務，具有貨物不可拆解、路程長、時間緊等特點。同時，承運車輛的類型、軸數、汽車前輪轉角等參數差異較大，致使車輛最小轉彎半徑難以便捷且高效地計算。公路管理部門也因沒有可靠數據暫緩審批或是審批之后因計算差錯導致車輛卡在互通，造成擁堵。既延誤了貨物給付時間，又降低了公路的通行效率。因此，及時開展大件運輸車輛最小轉彎半徑的影響因素與計算模型的總結與分析顯得尤為需要。

國內許多學者已經開展大件貨物及最小轉彎半徑方面的研究。陳忠達比較了傳統和現代兩個階段大件貨物運輸方式異同。王迅對大件貨物運輸的安全性及車輛轉向機理進行了研究，提出了大件貨物運輸安全評價方法與模型。梁成江，宋年秀等對半掛汽車列車最小轉彎半徑進行了理論研究并進行了計算機仿真，提出了半掛汽車在軸偏角影響條件下，半掛汽車列車通道寬度的計算方法。現有研究成果多集中在車輛最小轉彎半徑理論及模型的研究。但是，在大件貨物運輸車輛最小轉彎半徑影響因素及計算模型參數的選取等方面研究較少。因此，有必要開展上述方面的研究。

本文探討了超限運輸和大件運輸的異同，分析了大件運輸車輛最小轉彎半徑的影響因素，對已有車輛轉彎半徑計算模型及相關參數進行了整理與優化，可為大件運輸車輛最小半徑的計算以及參數的選取提供相關理論依據。

1 超限運輸與大件運輸

1.1 超限運輸

2016 年，交通運輸部頒布的《超限運輸車輛行駛公路管理規定》對超限運輸車輛做出了定義。

超限運輸車輛，是指以下貨物運輸車輛：車貨總高度從地面算起超過4m；車貨總寬度超過2.55m；車貨總長度超過18.1m；二軸、三軸、四軸、五軸貨車，其車貨總質量分別超過18000kg、25000kg、27000kg、31000kg、36000kg、43000kg；六軸及六軸以上汽車列車，其車貨總質量超過49000kg，牽引車驅動軸為單軸的，其車貨總質量超過46000kg。

1.2 大件運輸

道路大型物件運輸是指在中國境內道路上運輸載運的不可解體物品的超限運輸車輛[4]。

大件貨物運輸包括超限和超重兩個方面。超限設備（貨物）是指裝載輪廓尺寸超過車輛限界標準；超重設備則是指車輛總重量對橋梁的作用超過設計活載。目前，我國對大件貨物運輸實行公路超限運輸許可審批制度。

與傳統道路大件運輸的滾拖盤路方式相比，現代意義上的道路大件運輸方式逐漸轉向為使用非常規車輛運載超長、超寬、超高、超重等特殊規格大型物件運輸方式。

公路汽車運輸作為現代貨物運輸的主要方式，由公路和汽車兩個方面組成，既要考慮汽車的運輸性能，同時也必須滿足現有道路的技術指標。大件貨物運輸通常由包含主副駕駛員、主副液壓工、后勤保障人員等在內的一個項目組組成。平坦道路條件下平均車速在30km/h 小時左右，山區道路行駛車速5km/h 左右。

2 最小轉彎半徑及影響因素

2.1 最小轉彎半徑

車輛最小轉彎半徑同道路的轉彎半徑以及平曲線半徑密切相關。

道路轉彎是指道路轉彎中心到轉彎道路外緣的距離。

平曲線半徑即公路平面設計中圓曲線的半徑，指道路由一段直線經過一定轉角轉到另一段直線時，兩直線間連接的圓弧，使行車更為平順，這段圓弧的半徑稱為平曲線半徑。

車輛最小轉彎半徑是指在較低車速下，汽車方向盤轉到最大角度，安全通過某一彎道，汽車外前輪中心的轉彎半徑。汽車最小轉彎半徑在一定程度上表征了汽車通過彎道或繞過某一障礙物的能力。轉彎半徑越小，汽車的機動性能則越好。

圖1 道路轉彎半徑與平曲線半徑

圖2 汽車最小轉彎半徑

2.2 最小轉彎半徑影響因素

大件貨物運輸車輛能否安全通過彎道，與汽車特性、行駛速度、駕駛員技術等眾多因素相關。對車輛最小轉彎半徑計算的合理性與準確性在一定程度上同最小轉彎半徑的影響因素相關。最小轉彎半徑的影響因素主要有：汽車特性、行駛速度、道路特性、穩定性等。

2.2.1 汽車特性

車輛分為汽車、掛車、列車[6]。不同類型車輛的轉彎半徑因其自身結構特性不同而有所差異。汽車特性包括車輛構造，前外輪最大轉角、軸距、前懸以及后懸等車輛固有的技術特性。

汽車單車最小轉彎半徑Rmin取決于車輛軸距和前外輪最大偏角。汽車列車的最小轉彎半徑Rmin不僅與其軸距、前外輪最大偏角相關，同時與牽引車前軸輪距、牽引銷到掛車后橋中點的距離等因素相關。

車輛前懸以及后懸的長度對汽車最小轉彎半徑的影響主要體現在車輛轉彎所需通道寬度的計算方面。

2.2.2 行駛速度

汽車轉彎時受到離心力的影響，行駛速度越快其所受離心力越大，在橫向力系數和路面橫坡度一定的條件下，車輛最小轉彎半徑也越大，如式1 所示。行駛速度越慢，則最小轉彎半徑越小。

式中：平曲線半徑；V-汽車行駛速度，km/h；μ-橫向力系數；i-路拱橫坡度，%

2.2.3 道路特性

客觀上，道路特性也是大件貨物運輸車輛最小轉彎半徑能否實現的限制因素。道路特性主要包括道路自身轉彎半徑、（互通匝道）路面寬度、路側鋼護欄高度、路拱橫坡或超高橫坡。若道路轉彎半徑大于車輛自身的最小轉彎半徑，則大件貨物很容易順利通行。

2.2.4 穩定性

汽車最小轉彎半徑的確定必須建立在車輛行駛穩定且不發生滑移或傾覆的前提下。汽車在轉彎過程中一直受到離心力的作用，為保證車輛安全不發生滑移或傾覆，必須保證輪胎與路面的摩阻力不小于汽車轉彎過程中所產生的離心力。

部分大件貨物運輸車輛因運輸需要安裝有舉升和旋轉設備，這些設備的存在對車輛行駛的穩定性也會產生一定影響。

3 計算模型及參數選取

目前，車輛轉彎半徑的計算理論相對較為成熟。基本采用阿克曼轉向幾何原理，即車輛在轉彎過程中，每個車輪繞同一個中心轉動，前后車輪間沒有相對轉角，保證輪胎與地面間光滑且處于摩擦力最小的純滾動狀態[8]。阿克曼幾何轉向原理的建立存在一個假設條件：即當車輛前輪和后輪之間的內輪差變化不大時，汽車低速轉彎時，離心力、側抗力、側滑角均可可忽略不計，即認為車輛前后輪的運動為無側滑的旋轉（轉向）運動。

大件貨物運輸通常由單體貨車、汽車列車等車輛承運。不同類型的車輛其最小轉彎半徑的計算模型有所不同。

3.1 單體汽車（貨車）計算模型

單體汽車（貨車）因其構造簡單，轉彎行駛軌跡簡單，其最小轉彎半徑計算模型也相對簡單，最小轉彎半徑Rmin主要與車輛軸距L，前車輪最大轉角θmax有關。

3.1.1 最小轉彎半徑計算

單體汽車（貨車）在僅僅需要計算最小轉彎半徑時可以按式1 計算。

Rmin-車輛轉彎極限最小半徑；

L-車輛軸距；

θmax-車輛前軸外側車輪最大偏轉角（車輛轉彎角度一般為30-40°不等）。

3.1.2 通道寬度計算

當需要計算單體汽車（貨車）行車通道最小寬度時，考慮的因素更多一些。因此，需要選取的參數也更多，計算也相對更復雜。該種情況下，以車身最外點（車頭左前方）計算單體汽車（貨車）最小轉彎半徑。具體計算模型如下：

圖3 汽車最小轉彎半徑計算圖

圖4 汽車列車轉彎半徑計算圖

3.2 汽車列車計算模型

汽車列車即牽引車帶半掛貨車組成的運輸系統。汽車列車轉彎時與單體貨車有所不同，其轉向所需的最小半徑比單體貨車半徑要大，且計算更復雜。汽車列車的最小轉彎半徑同牽引車軸距、前輪最大轉角、牽引銷到牽引車后橋中心距、牽引車前輪距以及牽引銷到半掛車后橋中心的距離等因素相關。

汽車列車直線行駛時，牽引車和半掛車之間的相對角速度為零，此時兩車之間沒有相對轉動。當汽車列車轉彎時，若牽引車前外輪偏轉角不變時，牽引車的轉彎角速度不變，此時半掛車的轉彎角速度由零隨著牽引車轉角的增大而增大。

當牽引車同半掛車相連接作為一個整體轉彎時，若牽引車轉角一直增大至最大偏轉角，有可能使半掛車同牽引車相碰，這個使牽引車和半掛車相撞時的牽引車前輪轉角稱為臨界轉角，臨界轉角對應的軸距稱為臨界軸距。

臨界軸距計算公式如式6：

式中Lp 為臨界軸距，e 為汽車前置距。

臨界軸距是計算汽車列車最小轉彎半徑的重要依據。根據臨界軸距與牽引銷到半掛車后橋中點的距離L1之間的關系，可分兩種情況計算汽車列車的最小轉彎半徑。

（1）當臨界軸距Lp≥L1時，牽引車帶半掛車的貨車轉彎半徑即牽引車的最小轉彎半徑，如式6 所示。

（2）當臨界軸距Lp＜L1，牽引車帶半掛車的汽車列車前外輪最小轉彎半徑的計算按式8 計算：

3.3 計算模型參數選取

在公路運輸行政主管部門審批大件貨物運輸車輛過程中，制約其工作效率的因素一方面是汽車及汽車列車最小轉彎半徑計算模型的選取，另一方面是相關車輛技術參數的選取。

最小轉彎半徑計算模型已有相對比較成熟的理論。汽車及汽車列車相關的技術參數雖然簡單，但是，每種汽車類型的汽車軸距、前輪最大轉向角度、前懸以及后懸長度等參數不盡相同，尚沒有較為系統的總結。因此，也是制約從業人員快速計算車輛最小轉彎半徑并審批的重要因素。

鑒于此，本文對常見的大件運輸車輛車長、軸距等技術參數進行了收集和整理，以便于在沒有相關數據的情況下，及時選取大件貨物運輸車輛相關技術參數，為計算最小轉彎半徑提供參考。

由表1 相關數據可知，牽引車或載貨汽車因軸數不同，其車輛長度、軸距相差較大。若沒有確切或可參考的數據，在計算大件貨物運輸車輛最小轉彎半徑時，僅有計算模型最小轉彎半徑的計算仍然難以實現。并且車輛前輪最大轉向角、轉向輪主銷中心距等參數因測量難度大，現場難以獲取。

表1 汽車技術參數取值范圍表

綜上所述，車輛最小轉彎半徑的理論與計算模型已相對成熟，但是，因大件貨物運輸車輛類型較多，汽車前外輪最大轉角、軸距以及轉向輪主銷中心距等技術參數差別較大，且沒有相對便捷的參考來源。因此，相關技術參數的選取已經成為大件貨物運輸車輛最小轉彎半徑能否順利計算的重要影響因素。本文通過對常見車輛汽車前外輪最大轉角、汽車轉向輪主銷中心距的總結，有助于車輛最小轉彎半徑計算參數的選取。

4 結論

本文對超限運輸及大件貨物運輸的異同進行了探討，并對大件貨物運輸車輛最小轉彎半徑的影響因素、計算模型和參數選取進行了總結與分析，得到以下幾點結論：（1）大件貨物最小轉彎半徑的影響因素主要為車輛特性、行駛速度、道路特性、穩定性四個方面，汽車前外輪最大轉角是影響車輛轉彎最小半徑的最主要因素。（2）大件貨物運輸車輛汽車前外輪最大轉角在30-40°之間，臨界軸距決定了汽車最小轉彎半徑的計算模型的選取。（3）大件貨物運輸車輛因類型較多，汽車前外輪最大轉角、軸距以及轉向輪主銷中心距等技術參數相差較大，且沒有相對便捷的參考來源。汽車相關技術參數的選取已經成為大件貨物運輸車輛最小轉彎半徑能否順利計算的重要影響因素。