甩挂运输主挂结构设计匹配的分析与应用

施周维+刘海霞+张育维+赵云洋

摘 要：针对某型号半挂牵引车在行驶途中与挂车的干涉问题，本文分析研究了导致干涉问题的原因，并进行相关国家法规标准解读，確定了影响甩挂运输主挂匹配的主要因素，运用DMU技术建立半挂车运动包络模型并进行半挂牵引车与挂车的运动仿真。提出优化牵引车底盘结构从而解决牵引车与挂车干涉问题的措施，并在实车上验证了该方案的有效性。

关键词：半挂牵引车；主挂匹配；运动干涉；法规；DMU；结构优化

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）03-0025-05

The Research and Application of Full-Vehicle DMU Technology in vehicle modification

SHI Zhou-wei， LIU Hai-xia， ZHANG Yu-wei， ZHAO Yun-yang

（ Technical Center of DongFeng Commercial Vehicle Co.， LTD， Wuhan430056， China ）

Abstract： Aiming at the interference between a certain semi-trailer towing vehicle and trailer ， the paper analyses the reasons of inerference， unscrambles relevant national laws and regulations， determines the main influencing factors on the matching of tractor and trailer in semi-trailer swap transport. establishes envelope model of semi-trailer， DMU technique is applied to movement simulation of tractor and trailer. The paper proposes the measures to optimize the chassis structure to resolve the interference between chassis and trailer.The measures have been applied successfully in real vehicles to verify its effectiveness.

Key Words： Semi-trailer towing vehicle； The matching of tractor and trailer；

1 前言

甩挂运输是世界公认的提高运输与物流效率的有效手段之一，为进一步提高运输效率，国家已经提出大力发展甩挂运输。甩挂运输就是牵引车随车拖带的半挂车甩留在目的地后，再拖带其他装满货物的半挂车返回原地，或者驶向新的地点。随着甩挂运输的发展，“一拖多挂”将越来越常见，这对牵引车和挂车的匹配互换性也提出了更高要求。

半挂汽车列车是由牵引车与半挂车组合而成，通过牵引车上的牵引座与半挂车上的牵引销进行机械连接，要求科学配置车辆结构、安全匹配电气路连接，具有良好的汽车列车性能、先进的配套装备。汽车行驶过程中的主挂匹配结构设计合理性，直接影响着法规符合度和行车安全，实现车辆与道路的协调发展。

本文结合市场上出现的某型号牵引车主挂匹配问题进行分析研究，并进行相关国家法规标准《GBT 20070-2006道路车辆牵引车与半挂车之间机械连接互换性》解读，确定了主挂匹配的影响因素，运用DMU技术进行半挂牵引车与挂车的运动仿真，提出优化底盘结构解决底盘与挂车干涉问题的措施，最后将所述方法和措施应用在了对应牵引车上，成功地解决了半挂牵引车与挂车匹配干涉问题。

2 主挂干涉的问题分析及改进措施

2.1 市场问题描述

半挂车相对牵引车后倾而出现干涉是目前市场上最常见的主挂匹配问题。某地区一批6X4牵引车与半挂车出现运动干涉现象，如图1所示。该批车辆为危化品运输车辆，运营路线固定，途经多个坡道。车辆通过其中几个较大坡道时，半挂车相对牵引车后倾，半挂车纵梁与牵引车车架尾端发生干涉，影响行车安全。

该批车辆问题经过现场调查分析后，只能采取临时方案处理，对车架尾端进行切割。不但影响车辆美观而且用户对商品的信任度也备受考验。因此需要在车辆开发初期应考虑解决方案。车辆相关尺寸参数见表1：

2.2 甩挂推荐车型要求

国家《甩挂运输推荐车型基本要求》中对牵引车、半挂车的结构尺寸、安装与连接技术都有明确要求。需满足汽车列车尺寸限制，保持货箱底板与货运场站货台高度相协调，利于甩挂操作的实施与行车安全，防止出现主挂车运动干涉，确保甩挂运输车辆的快速、安全接驳以及货物装卸效率与质量安全。

以6X4普通半挂牵引车为例，结构尺寸要求如下：

1）牵引座中心至车辆最前端距离≤5100 mm

2）牵引座结合面空载高度为1290mm～1320mm

3）牵引车后回转半径≤2200mm

4）牵引车间隙半径≥2120mm

5）半挂车相对牵引车前倾6°、后倾7°与底盘部件无干涉

2.3 问题分析

牵引车和半挂车之间的相对运动可分为纵向倾斜和侧向倾斜，前文提到的干涉即发生在半挂车与牵引车纵向倾斜时。纵向倾斜干涉也是牵引车与半挂车相对运动常见的失效模式。从牵引车角度分析，影响牵引车与挂车之间自由空间的参数主要有以下几个：

1） 牵引座结合面与车架上平面的距离

2） 牵引座主销中心距离车架尾端距离

3） 牵引座前置距

4） 车架纵梁尾端型式

5） 底盘附件垂直布置尺寸

牵引座结合面与车架上平面的距离一般由牵引座连接板和牵引座的高度组成。该距离越大，半挂车与牵引车发生相对运动时越不容易出现干涉。但该值过大可能导致牵引座结合面高度不满足甩挂要求。

牵引座主销中心距离车架尾端尺寸主要影响半挂车相对牵引车后倾的自由空间。该尺寸越小，半挂车相对牵引车后倾运动时越不容易出现干涉。

牵引座前置距也类似，但该值还影响牵引座中心距离车辆最前端距离。该尺寸越小，牵引座中心距离车辆最前端距离越大，但不能超出甩挂要求。此外，该尺寸还影响牵引车轴荷分配。

车架纵梁尾端型式主要指尾端倾角尺寸，该倾角角度越大，斜面越长越不容易产生干涉。从图一可见，半挂车与牵引车干涉位置即为车架纵梁尾端。

底盘部件垂直布置尺寸是指油箱、电瓶框、尿素罐、工作台以及挡泥板等部件Z方向超出车架上平面尺寸。

从尺寸参数便宜引发的工作量角度考虑，上述几个参数中牵引座结合面与车架上平面的距离和牵引座前置距可以作为优先选择更改的尺寸，如果更改这两个尺寸无法满足要求再对其它尺寸做设计变更。

2.4 确定校核边界

根据法规GB/T20070-2006和国家甩挂挂车型参数要求，确定校核参数如下：

半挂车与牵引车匹配运动时：

最大前倾角ω1=6°，最大后倾角ω2=7°， 最大左右侧倾角δ=3°，见图2所示：

牵引车后回转半径挂车回转半径Rr≤2200， 挂车前回转半径Rf≤2120，

空载的牵引座结合面高度h应为1290mm～ 1320mm。该值由牵引座接合面距离车架上平面距离、后桥空载轮心高度和车辆半径相加得到。该参数变动引发的工作量相对较小。

2.5 建立校核模型

市场上挂车种类多种多样，影响牵引车与半挂车运动空间的尺寸主要是挂车的鹅颈外形。GB/T 20070-2006对挂车的鹅颈外形作出了明确规定，如图5所示。此标准即作为挂车模型相关尺寸确定依据。由于本次校核目的主要为确定半挂车和牵引车相对运动自用空间，因此对挂车总长不做特别规定，半挂车总高对前倾时自由空间有影响。

半挂车模型建立时基础坐标选择鞍座坐标作为参考。装配时只需要选取两个模型坐标固定即可。为模拟半挂车相对牵引车运动的状态，在半挂车模型中，利用Pro/R中的“特征操作”命令可以使基础坐标围绕鞍座活动轴旋转生成挂车前倾、后倾及左倾右倾坐标。校核半挂车相对牵引车运动时只需要选取相应坐标与鞍座坐标装配即可。挂车模型见图6：

2.6 校核情况

首先需要校核牵引车间隙半径、后回转半径、牵引座结合面高度以及牵引座中心距离车辆最前端距离等静态尺寸。相关要求及标准已在前文列出。校核发现牵引车空载牵引座结合面高度和牵引座中心距离车辆最前端距离不满足甩挂要求。因此需要通过调整鞍座前置距和更换鞍座连接板等手段进行整改，整改后车辆发生变化的尺寸参数如表2所示：

按照整改后的最新状态，对牵引车与半挂车模型进行运动校核。通过坐标约束，将半挂车模型按照相应角度装配到牵引车上，如图8～图10所示：半挂车相对牵引车前倾6°时，半挂车与油箱、工作台、车架干涉；半挂车相对牵引车后倾7°和侧倾3°时，半挂车与后桥三段式挡泥板的中间段干涉。

通过更换鞍座连接板，可继续增加牵引座结合面与车架上平面距离。牵引座结合面与车架上平面距离达到220mm时，可保证半挂车相对牵引车前倾6°和后倾7°时与车架無干涉。但即使将鞍座连接板高度调为66mm，此时空载牵引座结合面高度已达到极限值1320mm，半挂车相对牵引车仍无法避免前倾时与油箱干涉及后倾时与挡泥板干涉。

因此，仅调整牵引座结合面与车架上平面距离已无法保证半挂车与牵引车的运动空间。按照前文所述，需要调整油箱Z方向布置尺寸，保证油箱不超过车架上平面。

3 结论

通过DMU设计校核发现，在满足国家甩挂牵引车与半挂车尺寸参数要求前提下，为保证半挂车与牵引车的相对运动空间需要满足以下设计要点：

1）保证牵引座结合面与车架上平面距离≥220mm；

2）底盘附件Z方向布置尺寸不能超出车架上平面；

3）取消三段式挡泥板的中间段，采用两段式挡泥板；

4）鞍座前置距定义结合轴荷分配和后回转半径综合考虑。

以上三点已成为6X4牵引车开发设计要求，对于4X2、6X2普通半挂牵引车和集装箱半挂牵引车也可用采用同样方法，只需调整相应校核边界。

本文的研究方法和设计思想，对产品开发初期甩挂运输主挂结构匹配设计有较好的指导意义，通过产品设计手段与设计过程的数字化验证，快速高质量设计开发出满足市场需求的商品。

参考文献：

[1]GB/T 20070-2006 道路车辆牵引车与半挂车之间机械连接互换性[S].

[2]刘兴源. “甩挂运输”下牵引车与半挂车的匹配设计[J]. 整车与上装 2011.1 50-53.

[3]王霄锋.汽车底盘设计[M].清华大学出版社， 2010.

[4]卞学良.专用汽车结构与设计[M].北京：机械工业出版社， 2008.

[5]王新宇.DMU在整车开发中的解决方案[J].汽车制造业， 2009， 9， 50-68.