第三章载货汽车总体设计

第三章载货汽车总体设计单位：机电工程学院主讲：王孝鹏1.尺寸与质量限制2.汽车和货箱的方案设计3.轴荷、货箱长度和有效载荷分布4.汽车与汽车列车组合的曲线行驶特性目录3.1尺寸和重量限值为了尽可能地保障交通畅通无阻，保证路面不被破坏，许多法律，规定及标准对汽车的外廓形尺寸（§32StVZO）及重量和轴荷（§36StVZO）作了规定，这些规定是汽车总体设计的外部条件。直到上世纪80年代欧洲各国的有关法规还相差很大。随着欧洲一体化进程的加快，到1997年9月欧洲法规96/53/EWG[3-1]在德国已转化成国家法律（StVZO）。但在个别成员国还有不同的意见。下面仅介绍欧洲法规中被接受的值。3.1.1最大允许尺寸96/53/EWG中给出的汽车外廓尺寸限值。对汽车列车，所规定的是直线行驶时的长度。对于长度可调，即曲线行驶时能自动调节牵引装置长度的牵引装置，列车的长度以直线行驶时所处最短状态时的长度为准。考虑到检测时的误差，规定了允许误差。载货汽车及其挂车的主要尺寸允许误差如下：1.长度L：±（0.005L+30mm）2.宽度B：±（0.005B+20mm）3.高度H：±50mm载货汽车列车的总长限制为18.75m以外，StVZO还规定了部件长度限值。部件长度包括所谓的系统长（牵引车货箱最前端到挂车货箱最后端的距离）以及货箱长（系统长减去牵引车货箱最后端与挂车货箱最前端距离）。由此可以导出驾驶室长度和牵引车与挂车货箱之间的间距。汽车最大允许宽度（1994年从2.5m提高到2.55）及汽车列车最大允许长度的检测没有规定允许误差（§32Abs.8StVZO）。在计算汽车和汽车列车最大允许长度和部件长度时，下列附件不计在内：吸气管，可交换载流子的挡块；攀爬扶手，灯光，镜子，冲击橡胶，装载台，上车跳板及货箱正面的冷却装置和其它附加装置（§32Abs.6StVZO）。3.1.1最大允许尺寸3.1.2轴荷限值轴荷是指由一车轴或者车轴组上的车轮传递到路面的总载荷。轴距小于1.0m的双轴（Tandemachse）在这里看成一个单轴，而轴距大于2.0m时则看成两个单独的轴。技术上允许的轴荷是考虑到功能和材料破坏而不允许超过的轴荷，根据轴身的尺寸、车轮支承及制动器的结构，其与法定的轴荷限值有差异。3.1.3总重量限值96/53/EWG及StVZO中第34章规定的总重量限值与轴荷限值直接相关。总重量限值主要与车轴的数量及间距（轴距）相关，总是明显地小于相关汽车或汽车列车轴荷限值之和。在超载的情况下至少有25%的汽车总重量量作用在驱动轮上（97/27/EWG）。对于四轴以上的汽车列车，其总重量限值（40t）小于牵引车和挂车重量限值之和。图为汽车及汽车列车总重量限值及随车轴数量及轴距变化的情况。刚性牵引杆挂车（中置轴挂车）和半挂车挂车通过牵引挂接装置和半挂接装置将重量支承到牵引车（汽车或半挂车牵引车）上，这样挂车总重量量GGAn的一部分转移到牵引车总重量量GGZ=Gv+Gh中。汽车列车总重量量不是牵引车总重量量与半挂车总重量量的简单相加。考虑到半挂车和牵引车之间的静支承载荷Gs，stat，汽车列车的总重量限值由牵引车总重量限值GGz，zul和半挂车总重量限值GGAn，zul计算：statszulAnzulzzullkGGGGGGG,,,,3.1.3总重量限值3.1.4牵引载荷和支承载荷汽车出厂证的第28项给出汽车的允许牵引载荷。载货汽车的允许牵引载荷在底盘的技术参数表中给出。同时给出牵引车的总重量及允许牵引总重量。这里所讨论的牵引载荷只与支承架及牵引车牵引挂接装置的结构尺寸有关，而与法定的限值无关。计算刚性牵引杆挂车的牵引载荷时必须注意，牵引载荷等于挂车的实际总重量与转移到牵引车牵引座上的支承载荷之差。图3-5所示为相应的力学模型。3.2汽车和货箱的方案设计因为不同的运输任务对汽车的设计提出不同的要求，所以参与道路交通的载货汽车品种繁多。另一方面法律的约束及装载货物及货箱交换的要求促使汽车标准化。因此只有通过底盘和货箱的精心设计才能保证运输的经济性。特别是涉及到特殊要求的特别解决方案时，长期规划的编制变得越来越迫切。目前，有效的运输方案绝大多数为与行业相关的个别解决方案。根据具体的运输任务设计汽车，除了熟知底盘和货箱的技术可能性和创新性外，还要有行业和市场的知识。为了使所设计的汽车从技术上、物流上和经济上满足用户的要求，汽车设计的输入参数是一个由各种各样相互关联的因素组成的复杂网络，因此，必须考虑这些因素的变化对整个网络的影响，相应的汽车设计方案也许要重新考虑。只有这样才能保证所开发的车辆全部满足技术发展的最新要求。图为汽车总体设计流程来辅助设计。3.2汽车和货箱的方案设计3.2.1汽车方案设计寻找满足用户个性要求的运输方案是以对运输作业的作业特点分析为基础的。汽车的方案一方面要考虑法规的要求，另一方面要考虑技术上的可行性及市场现有方案。载货汽车有单体汽车和汽车列车两种。重量不超过7.5t的单体汽车大多数是箱式载货汽车，其货箱是整车的组成部分。箱式载货汽车是根据用户的要求为具体的运输作业而制造的。总重量大于7.5t的箱式载货汽车其牵引车由少数几个大型底盘制造厂制造。有挂车汽车及其货箱一部分（特别是半挂汽车）在大型企业、一部分在中型企业制造。牵引车和挂车牵引车可以与载货汽车列车、半挂车或者载运长型货物的汽车列车结合使用。单体汽车/汽车主要应标明箱式货车/载货汽车的特征，车轴的数量和操向性，轴距，总重量及发动机功率。3.2.1汽车方案设计挂车最主要的特点是其与汽车/牵引车的挂接转向方式及车轴的布置。双轴或多轴铰接牵引杆挂车的特点是前后悬相对较小，轴距大，前轴可绕转盘转动，与牵引车则通过在垂直方向可以运动的牵引架连接。中置轴挂车则采用刚性牵引杆，不能运动。由于挂车的重心略位于车轴的前方，故挂车重量的一部分支承于牵引车上。3.2.1汽车方案设计在半挂汽车的半挂车中，前轴转向架结构被与牵引板螺纹联接的牵引销取而代之。半挂车重量的相当大一部分通过牵引座支承到牵引车上。1.平板式挂车2.短半挂车3.内装载车4.低板八卦车5.底盖板平板半挂车3.2.1汽车方案设计标准半挂牵引车的牵引座离地高度为1200mm到1300mm。在这种情况下，如果半挂车长为13.6m，宽为2.55m，汽车高度为4m，则装载容积约为90m3。由于进一步地提高装载容积只能通过提高装载净高度才能实现，所以牵引座离地高度一直有降低的趋势。目前的最低牵引座离地高度为935mm。在这种情况下，要求改变半挂牵引车的车架结构，采用285/60R22.5型轮胎，牵引座要求特别平整。对一带提升盖的半挂车支承板进行结构优化设计可使其净装载高度达到3000mm，装载容积达到100m3。3.2.1汽车方案设计降低支承板上表面高度急剧地减小了半挂车下表面与车架及轮胎上表面之间的间距，从而导致不能满足ISO1726中对倾斜角的要求，因此在越过突起，爬坡和下坡时要特别小心。为了确保有足够的行车安全性，要求货箱高度能进行优化调整，因此，半挂车必须采用带电控高度调节的空气悬架系统（例如MAN公司的ECAS系统）。3.2.1汽车方案设计3.2.1.2对使用条件的要求道路车辆应该在其行驶最频繁的道路上有效而安全地行驶。不同的道路条件对载货汽车的要求不相同，导致汽车的方案不相同。不同的道路（高速公路，国道，洲道，田间道路和林间道路）其宽度和曲率半径不尽相同。汽车曲线行驶时对道路宽度的要求应该与其所要投入运行的道路状态相一致。图为长度达到最大限值的各种载货汽车在稳定曲线行驶状态下的地面力圆。每种汽车的道路宽度要求需要单独地计算，因为所要求的道路宽度与车轴的位置和挂接点的位置相关。如果需要减小汽车对道路的宽度要求，可对牵引车和挂车上的车轴实行强制转向。对于配送运输中使用的多轴汽车，由于经常行驶在窄的弯曲路面上，经常要换道，采用强制转向轴可以减小侧向力，明显地提高轮胎行驶效率。3.2.1.2对使用条件的要求除了对路面宽度的要求以外，用于配送的汽车（在狭窄的庭院变道）其转向圆半径也是评价汽车曲线行驶性能的指标。由于多节组合列车及半挂汽车的牵引车及半挂牵引车的轴距较单体汽车轴距短，所以它们的转向圆半径较单体汽车明显地小。表3-4所示为载货汽车车架IvecoEurocargo65E14的转向圆半径与轴距之间的关系。3.2.1.2对使用条件的要求越野车的离地高度高，接近角，离去角及斜面角大。理想的越野车是轴距小，前、后悬小，轮胎大，因采用轮边减速器而使差速器尺寸减小的单体汽车。有一种称为Jumbo的载货汽车其轮胎小，刚性牵引杆挂车的挂接点低，因而在高低不平的路面或坡道上行驶时问题最多。3.2.1.2对使用条件的要求3.2.1.2对使用条件的要求汽车的功率应根据其经常行驶的坡道确定。总牵引重量40t的载货汽车其功率范围为270ps（200kw）到600ps（440kw）。相应的功率重量比为5～11kw/t。当在长距离下坡道上行驶时，出于安全和保护车轮制动器的考虑，建议采用无磨损的持续制动。如果载货汽车只在街道上行驶，变速器有6～8档即可。如在建筑工地行驶，则还需要爬行档。为了提高长途运输载货汽车的经济性，用16档的变速器比较合适。路面附着条件（沥青、水泥、铺石路面、地表面、碎石路、潮湿、积雪、冰冻）和坡度决定汽车的驱动方案。40t的汽车在不利的工况下只有约四分之一的总重量作用在唯一的驱动轴上（4×2牵引车，或者带三轴挂车和半挂车的4×2半挂牵引车）。全轮驱动的4×4/2-，6×6/2-或8×8/4单体汽车的牵引条件最佳。3.2.1.2对使用条件的要求长途运输汽车为了提高运输的经济性要求发动机油耗小，功率大，变速器档位密集，货箱空气动力学性能好，轮胎滚动阻力小，驾驶室空间大，舒适。对于年运输里程达到300000km的长距离运输，要求维修保养方便。根据所运输货物的密度对重量和容积进行优化可以减小单位运输成本（马克/吨公里以及马克/立方米公里）。半挂汽车或者载货汽车列车较相同装载容量的单体汽车优越。主要原因是载货汽车-挂车组合更具有弹性。因为在运输量少的时候可一不挂接挂车。在配送运输中，挂接单轴半挂车的半挂汽车以2t的载重量优势在经济上优于三轴单体汽车。从成本的角度看半挂车的寿命要高2～3倍，半挂牵引车在旧车市场较三轴底盘容易销售得多。在长途运输中普遍采用40t级的汽车。只要工作条件许可，就采用双轴牵引汽车和三轴挂车组合的方案，这样可以减少制造和运营的成本。由于装载量大，装卸方便，由双轴牵引车和无转向装置的三轴半挂车在特别重的货物长途发送运输中取代了载货汽车列车。如果对货物装载位置的数量及装载长度有要求，则货箱长度最长达到15.65m多节组合列车较总长13.6m的半挂车明显地优越。对于容积运输则优先采用“Jumbo汽车”，其装载容积达到120m3。对汽车驾驶员来说，带中置轴挂车的载货汽车由于调车方便较带铰接牵引杆挂车的载货汽车更受欢迎。3.2.1.2对使用条件的要求双后桥前从动轴转向主要适用于后桥支承载荷大的载货汽车列车，而双后桥后从动轴转向则有助于在市内交通中的急转弯。在上述两种情况下的强制转向避免了曲线行驶时轮胎的快速磨损。8×8/4汽车主要为建筑工地的运输而设计的。多轴半挂车的转向轴可以通过插入到牵引座开口中的转向销强制转向，也可以将转向轴设计成根据侧向力自动转向的双后桥后从动轴。除了减小轮胎的磨损以外，后置的转向轴还减小了曲线行驶时对道路宽度的要求。这种后从动转向轴结构简单，但缺点是倒车时必须将转向运动锁闭，以防止转向失控。3.2.1.2对使用条件的要求对于经常空载或半载行驶在街道上的载货汽车及挂车采用可提升式车轴可以减小滚动阻力和轮胎磨损。用于配送运输的三轴载货汽车通常采用可提升非转向后从动轴。三轴半挂车出于减小曲线行驶时对道路宽度的要求将最后一个轴设计为可提升轴。在依次卸载的配送运输中，由于时间的关系经常剩下一些货物没有卸完，引起轴荷分布不均匀。对中置轴挂