一款用于子母車運輸?shù)牡晚敔恳囬_發(fā)

趙航 班宜賓 王偉豪 趙荳

摘要：針對近期子母車在煤炭運輸市場的興起，研究了一款用于子母車運輸?shù)牡晚敔恳嚒ｉ_發(fā)車型根據(jù)子母車特殊運營模式，從降低整車高度、減小整車寬度及增大離地間隙等方面進(jìn)行優(yōu)化，可實現(xiàn)背車狀態(tài)下“三不超”，即超載、超限、超高，保證車輛合法合規(guī)運營。

關(guān)鍵詞：子母車；牽引車；煤炭運輸

中圖分類號：U4622? 收稿日期：2024-04-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405006

1 前言

子母車是對于車背車運輸模式的一種簡稱，主要用于空車返程模式，具體運輸模式為兩輛車只拉單程貨，在空車返程時一輛車背著另一輛車。子母車運輸模式并非是新事物，它誕生于20多年前，因當(dāng)時信息傳遞不發(fā)達(dá)，在完全陌生城市尋找貨源異常困難，大部分司機(jī)選擇空車回程，為減少運營成本，催生出車背車運營模式。隨著時代的發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)貨運平臺的興起，子母車一度在市場上銷聲匿跡。

全國范圍統(tǒng)一執(zhí)行高速按軸收費，車輛空返過路費提升，導(dǎo)致一空一滿的長途專線煤炭運輸過路費急劇增加，此外煤炭行業(yè)大量車轉(zhuǎn)鐵，煤炭運輸?shù)目傮w貨源下降，運費也隨之下降。在行業(yè)整體低迷的情況下，運輸從業(yè)者亟需一種可以降低運營成本，子母車無疑是一種合適的選擇，而專為子母車運營模式開發(fā)的低頂牽引車也注定將受到市場青睞。

2 子母車關(guān)鍵指標(biāo)

GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》中規(guī)定，半掛牽引汽車、列車車輛高度不能超過4 m[1]，寬度不能超過255 m。主流牽引車整車高度一般在36～4 m，整車寬度一般在250～255 m。

子母車是由子車和母車組成，為方便駕駛員休息，母車一般采用高頂雙臥駕駛室牽引車匹配13 m倉柵式半掛車，為使子車搭載母車掛車中整車高度不超4 m限高，子車一般采用低頂駕駛室匹配95 m掛車，并在母車掛車貨箱底板上設(shè)置下凹的輪胎槽，在背車狀態(tài)子車前輪固定在下凹的輪胎槽中。根據(jù)以上子母車匹配原則，不難分析出一款合格子車需關(guān)注的關(guān)鍵指標(biāo)：整車高度、整車寬度、底盤附件離地間隙。

3 關(guān)鍵指標(biāo)影響因素

31 整車高度影響因素

以某款重型牽引車為例，影響整車高度的因素主要包含輪胎半徑、輪心高（輪心至車架下翼面距離）、車架斷面高、駕駛室后懸置定位（后懸置安裝面至車架上翼面距離）、車身高度等。如圖1所示，A為前軸輪胎半徑，B為前軸輪心高，C為車架斷面高度，D為駕駛室懸置高度，E為白車高度，整車高度H計算公式為：

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

311 減小輪胎半徑A

輪胎作為車輛與路面接觸的唯一零件，輪胎規(guī)格對整車通過性、燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性等有較大影響，如快遞運輸牽引車為降低油耗及匹配大容積貨箱通常采用295/80R225輪胎，中長途煤炭運輸牽引車為保證動力性，通常采用12R225輪胎。因此若為改善整車高度突破常規(guī)而改變輪胎規(guī)格時，需評估動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性等能否滿足市場需求。

312 降低前軸輪心高B

降低前軸輪心高可從降低板簧自由弧高、調(diào)整板簧厚度、增大板簧剛度、減少墊塊厚度及增大板簧安裝面到輪心的距離（前軸工字梁下沉量）考慮。當(dāng)然具體車型的降輪心高方案需結(jié)合使用工況、承載、成本、開發(fā)周期等綜合考慮。

313 降低縱梁斷面高度C

縱梁主要是承受彎曲載荷，所以縱梁的斷面形狀主要根據(jù)抗彎性能來選擇，根據(jù)最大彎曲矩Mmax和車架抗彎強度值σ，可以得出車架縱梁的斷面抗彎系W，依據(jù)斷面系數(shù)可以得出截面質(zhì)量的大致范圍。由于重型卡車車架縱梁斷面形狀基本為槽型，如圖2所示。對于等高等厚度槽型斷面，其斷面抗彎系數(shù)計算公式為：

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

式中，t為縱梁壁厚；h為槽型斷面中間層高度；b為槽型斷面中間層寬度。

車架設(shè)計時盡可能在相同斷面抗彎系數(shù)下選擇截面質(zhì)量輕的斷面。槽型斷面厚度一般可取范圍為5～10 mm，考慮汽車質(zhì)心高度及發(fā)動機(jī)等部件布置的限制，并避免邊板彎曲變形，h與b比值一般在25～38之間，b一般取12 t。

一般來講，載重越大工況越差，車架斷面高度越大。目前公路運輸牽引車常用車架斷面高度尺寸在270～300 mm，國內(nèi)主流重型牽引車主要采用270 m、300 mm兩種尺寸。

314 降低駕駛室懸置高度D

駕駛室懸置將白車身與車架彈性連接，承擔(dān)著衰減沖擊載荷及調(diào)節(jié)汽車行駛中車身位置等功能，與整車舒適性及平順性息息相關(guān)。根據(jù)彈性元件類型，駕駛室懸置系統(tǒng)可分為橡膠彈簧減震懸置、螺旋彈簧減震懸置、空氣彈簧減震懸置。不同類型懸置各有優(yōu)劣勢，在進(jìn)行懸置匹配設(shè)計時應(yīng)綜合考慮成本、目標(biāo)客戶關(guān)注點等，如公路用車一般工況較好，行駛里程較長，客戶重點關(guān)注駕乘舒適性，工程用車一般使用工況較差，行駛里程較短，客戶重點關(guān)注系統(tǒng)可靠性，同時要求良好的駕乘舒適性。

a.懸置類型選擇。

駕駛室懸置作為白車身與車架間的彈性連接裝置，在車輛運行時隨彈性元件壓縮駕駛室存在垂直方向上的上下運動，駕駛室懸置高度不斷變化。降低駕駛室懸置高度可從保證車輛懸置位于上下運動最低點考慮。

根據(jù)彈性元件類型不同，壓縮變形量也有差異。較橡膠彈簧及螺旋彈簧減震，空氣彈簧懸置剛度較小，車輛運行時彈性元件壓縮量更大。另外，空氣彈簧懸置通過底盤儲氣筒提供壓縮空氣，通過改變空氣彈簧氣壓的方式可實現(xiàn)駕駛室懸置高度的控制（降低懸置減震性能，對整車舒適性及平順性有影響）[2]。考慮子母車在車背車狀態(tài)下低頂子車無需行駛，通過設(shè)計一款氣囊快速放氣功能，可實現(xiàn)背車狀態(tài)下整車高度降低。

b.駕駛室定位選擇。

駕駛室定位指車架下翼面到駕駛室地板定位零平面的Z向距離，作為車架與駕駛室地板的連接裝置，駕駛室定位與懸置高度緊密相關(guān)。在車架斷面高度確定前提下，降低駕駛室定位即是減少駕駛室地板到車架上翼面的距離。

目前國內(nèi)主流重型牽引車均為平頭車，發(fā)動機(jī)及其附件位于駕駛室地板下方，降低駕駛室定位勢必會壓縮發(fā)動機(jī)及其附件的布置空間，甚至影響發(fā)動機(jī)定位坐標(biāo)。

315 降低車身高度

a.降低白車身高度。

如圖3所示，白車身總成分為前圍總成、左右側(cè)圍總成、地板總成、頂蓋總成、后圍總成六大部分[3]，其承擔(dān)著附件的安裝、車門安裝等功能。白車身總成對整個駕駛室的密封起著至關(guān)重要的作用，其整體模態(tài)剛度對碰撞及NVH有著重要影響，其承擔(dān)駕駛室安全及舒適性等功能。

白車身高度主要受左右側(cè)圍總成、后圍總成及頂蓋總成影響，對于子母車運輸?shù)葯C(jī)會型市場，需優(yōu)先考慮車型開發(fā)的及時性，以便快速搶占市場。考慮全新開發(fā)駕駛室的周期及成本，優(yōu)先考慮在現(xiàn)有白車身基礎(chǔ)優(yōu)化。結(jié)合白車身結(jié)構(gòu)特點，為將變動影響降至最低，減少車型開發(fā)周期及成本，降低白車身高度優(yōu)先考慮降低頂蓋總成高度。

白車身高度與駕駛室室內(nèi)空間直接相關(guān)，降低白車身高度即壓縮室內(nèi)空間，對駕駛員駕駛環(huán)境及駕乘舒適性影響巨大，因此在現(xiàn)有白車身基礎(chǔ)優(yōu)化車身高度時，除了將變動影響降至最低，還需考慮人機(jī)工程。

b.降低車身飾件高度。

對大多數(shù)重型牽引車而言，駕駛室最高點一般不在駕駛室頂蓋，而是位于遮陽罩、頂置氣喇叭等安裝于駕駛室頂蓋部件的頂部。降低車身飾件高度可從調(diào)整頂蓋上安裝部件位置考慮，保證駕駛室頂蓋為車身最高點。

32 降低整車寬度

321 整車寬度要求

子母車運輸模式中子車需開進(jìn)母車掛車中，母車掛車外側(cè)寬度為2 550 mm，內(nèi)側(cè)寬度一般為2 490 mm。GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、 軸荷及質(zhì)量限值》[4]中規(guī)定，半掛牽引汽車、列車寬度不能超過255 m。主流牽引車整車寬度一般在250～255 m，可滿足常規(guī)道路通行要求，但作為子車卻無法匹配母車掛車，需將整車寬度優(yōu)化至＜2 490 mm。

322 基于驅(qū)動橋輪距的整車寬度優(yōu)化

a.驅(qū)動橋輪距優(yōu)化。

整車寬度由上車體布置及下車體布置共同決定，上車體布置對整車寬度的影響主要是乘坐空間的大小，下車體布置對整車寬度的影響主要有車架寬度、車橋輪距[5]及輪胎大小等。以某款重型牽引車為例，整車最寬部位為下車體中的驅(qū)動橋輪胎部位，輪胎規(guī)格選型前文已做介紹，此處不再贅述，以下將分析基于車橋輪距的整車寬度優(yōu)化。

驅(qū)動輪附近車輛外側(cè)總寬度的確定，需要考慮驅(qū)動輪輪胎的型號、驅(qū)動橋的輪距等因素。具體如圖4所示，驅(qū)動輪附近車輛外側(cè)總寬度的計算公式為：

QAW=T+S+W? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，QAW為車輛外側(cè)總寬度;T為驅(qū)動輪輪距;S為最小雙胎間隙；W為輪胎斷面寬度。最小雙胎間隙及輪胎端面寬度受輪胎規(guī)格影響，表1所示為常用輪胎的最小雙胎間隙及輪胎端面寬度、輪胎與車架間隙。

在輪胎規(guī)格確定的情況下，降低驅(qū)動輪附近車輛外側(cè)總寬度可從降低驅(qū)動輪輪距考慮。一般情況下，輪距越大，對操縱平穩(wěn)性越有利，車輛的橫向穩(wěn)定性越好，因此在為改善通過性而突破常規(guī)改變驅(qū)動橋輪距時，除了要評估整車寬度能否滿足市場需求，也要結(jié)合使用工況條件及用戶使用習(xí)慣。

b.車架后部寬度優(yōu)化。

車架后部寬度尺寸的確定，需要考慮驅(qū)動橋輪胎的型號、懸架形式及安裝位置的關(guān)系，具體如圖4所示。車架后部寬度尺寸TW的計算公式為：

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

式中，S為最小雙胎間隙；W為輪胎斷面寬度；C為輪胎與車架的間隙，輪胎與車架間隙的取值需要考慮懸架板簧的寬度及板簧與輪胎、車架的間隙。考慮側(cè)傾穩(wěn)定性等因素，車架后部寬度取上限值。

33 增大車輛離地間隙

子母車運輸模式中，為降低背車后整車高度及便于子車固定，母車掛車多采用小鵝頸半掛車，并在貨箱底板上設(shè)置下凹的輪胎槽，在背車狀態(tài)子車前輪固定在下凹的輪胎槽中，驅(qū)動輪卡在鵝頸處，可在一定程度上防止運輸過程中子車前后移動，保證運輸安全性。

主流母車掛車下凹的輪胎槽深度為200～300 mm，為避免背車過程中車輛部件與母車掛車地板磕碰，需保證車身部件離地間隙＞300 mm。背車過程中子車需通過爬車梯駛?cè)肽杠噿燔囍校榆嚫郊铦M足一定的俯角要求，因此增大車輛離地間隙不是簡單地將底盤附件安裝位置上移，而應(yīng)綜合考慮其對車輛俯角的影響，避免子車爬坡過程中掛車磕碰損壞底盤附件。

4 技術(shù)方案實施

本文以一款用于子母車運輸模式的低頂重型牽引車為例，目標(biāo)車型應(yīng)對煤炭長途標(biāo)載運輸市場，道路以國道為主，全程平原或丘陵路況。一方面全國范圍統(tǒng)一執(zhí)行高速按軸收費，車輛空返過路費提升，導(dǎo)致一空一滿的長途專線煤炭運輸過路費急劇增加，此外煤炭行業(yè)大量車轉(zhuǎn)鐵，煤炭運輸?shù)目傮w貨源下降，運費也隨之下降；另一方面受諸多因素影響，全國貨運量大幅下降，導(dǎo)致運力過剩，致使運輸行業(yè)競爭加劇，運費下降，迫使部分用戶采用不同措施應(yīng)對。

基于上述市場背景，綜合考慮產(chǎn)品需求迫切性、客戶使用工況、客戶對購車成本的敏感性、技術(shù)方案可行性等因素，決定對現(xiàn)3 m高度產(chǎn)品進(jìn)行適應(yīng)性開發(fā)，產(chǎn)品高度降至283 m以下，整車寬度降至249 m以下，同時優(yōu)化整車離地間隙，既降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，又能滿足背車需求。

41 整車高度

a.降低輪心高。

開發(fā)車型主要應(yīng)對煤炭長途標(biāo)載運輸，運輸路況國道占比六成以上，且煤場多為非鋪裝路面，車輛駕駛路況惡劣，因此對整車可靠性要求較高。車架、懸架及輪胎等承載部件的變動通常需要較長的可靠性驗證及市場驗證周期，開發(fā)周期無法滿足市場的迫切需求，因此該車型采用現(xiàn)有的經(jīng)過市場充分驗證的前2后3板簧懸架方案，通過優(yōu)化懸架弧高、降低墊塊高度降低輪心高，理論降低輪心高68 mm，同時為保證懸架減震性能，增大懸架板簧剛度，將前軸更換為大工字梁下沉量前軸，理論降低輪心高43 mm。前懸輪心高變化見表２。另外需同步優(yōu)化后懸架輪心高，降低前后車架高度差，調(diào)整整車姿態(tài)。

b.降低駕駛室懸置高度。

駕駛室懸置采用空氣氣囊懸置，懸置高度可通過改變空氣彈簧氣壓的方式控制，通過設(shè)計一款氣囊快速放氣功能，在背車狀態(tài)下將懸置氣囊放氣，理論降低高度40 mm。新車型在不影響發(fā)動機(jī)定位及發(fā)動機(jī)缸體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上降低駕駛室定位高度，同時優(yōu)化駕駛室地板下發(fā)動機(jī)及附件布置，既縮短了開發(fā)周期，又實現(xiàn)開發(fā)車型較基礎(chǔ)車型降低高度50 mm。

c.降低遮陽罩高度。

為滿足市場迫切需求，縮短開發(fā)周期及降低開發(fā)成本，新車型采用現(xiàn)有成熟白車身方案，僅將高出駕駛室頂蓋的遮陽罩位置下移，實現(xiàn)與頂蓋平齊，理論降低高度40 mm。

42 整車寬度

為滿足整車寬度＜2 490 mm要求，同時兼顧整車橫向穩(wěn)定性及開發(fā)周期，開發(fā)車型采用1 800輪距驅(qū)動橋，車架后部寬度同步調(diào)整，新車型采用降輪距驅(qū)動橋后整車寬度，較基礎(chǔ)車型減少60 mm。

43 整車離地間隙

新車型整車離地間隙需滿足＞300 mm，針對離地間隙不滿足的附件，如發(fā)動機(jī)油底殼、油箱、尿素箱等，進(jìn)行結(jié)構(gòu)全新優(yōu)化，在滿足車輛使用性能基礎(chǔ)上，提升車輛通過性［5］。

5 達(dá)成效果及驗證

受裝配制造誤差、板簧剛度誤差、板簧弧高誤差、測量誤差、輪胎胎壓、軸荷分配等因素影響，整車高度、寬度及離地間隙理論計算值與實測值之間存在一定誤差。現(xiàn)對開發(fā)車型的實測數(shù)據(jù)與理論計算值進(jìn)行分析，驗證整車?yán)碚撚嬎阒档臏?zhǔn)確性，并評估指標(biāo)達(dá)成情況。

51 計算前軸空載輪胎靜負(fù)荷半徑A

輪胎靜負(fù)荷半徑的確定，需考慮軸荷、輪胎自由半徑及輪胎剛度的影響。輪胎靜負(fù)荷半徑A的計算公式為：

[A=DZ-FqnC]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中，[DZ]為輪胎充氣后外直徑；[Fq]為前軸軸荷；C為輪胎剛度；n為前軸輪胎個數(shù)。常用輪胎剛度見表３。

52 計算前軸空載輪心高B

輪心高計算公式為：

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

式中，a為弧高為零狀態(tài)時車架下翼面與板簧上表面距離；b為板簧總厚度；f為自由弧高；F為該軸軸荷；m為簧下質(zhì)量；C為板簧剛度；d為墊塊厚度；h為板簧安裝面到輪心高度。

53 達(dá)成效果及分析

隨機(jī)選取兩臺下線開發(fā)車型，采用三坐標(biāo)測量法獲取整車高度、離地間隙、整車寬度等各項尺寸，理論計算值與實測值對比見表4。

整車?yán)碚撚嬎愀叨取⒄噷挾鹊瘸叽缗c實測值誤差均小于05%。GB 38900—2020《機(jī)動車安全技術(shù)檢驗項目和方法》規(guī)定，機(jī)動車外廓尺寸實測值與機(jī)動車產(chǎn)品公告、機(jī)動車出廠合格證記載的數(shù)值相比，誤差應(yīng)滿足：汽車（三輪汽車除外）、掛車不超過±1%或±50 mm。因此，整車高度、整車寬度的誤差在合理范圍內(nèi)并滿足機(jī)動車注冊登記檢驗要求。

開發(fā)車型理論計算整車高度為2 820 mm，理論計算寬度為2 470 mm，理論計算離地間隙＞300 mm，兩臺開發(fā)車型實測高度分別為2 833 mm、2 835 mm，實測寬度2 469 mm、2 472 mm，實測最小離地間隙315 mm、322 mm，考慮裝配、測量及制造誤差，判定達(dá)成設(shè)計要求。

6 結(jié)語

隨著子母車運輸模式在煤炭運輸市場的興起，市場亟需一款針對此特殊運營模式的低頂牽引車。本文主要概述了一款用于子母車運輸模式的低頂牽引車的開發(fā)，通過分析可知，該低頂牽引車整車技術(shù)方案可從整車高度、整車寬度及離地間隙等方面考慮。經(jīng)實車驗證，開發(fā)車型各項參數(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計要求，可滿足子母車運輸模式需求。

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作者簡介：

趙航，男，1991年生，工程師，研究方向為整車設(shè)計。