特种半挂车辆的轴荷优化研究

张凡

（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）

一般来说，对于汽车而言，各个轴荷得到均衡、合理的配比最有利于保证稳定性，尤其是重型汽车，各个轴荷的合理分配有利于车轮的均匀磨损，且有利于保证汽车拥有良好的行驶稳定性，这对于车辆行驶的安全性意义重大。但对于特殊车辆，例如某些特种半挂车辆，相对而言，轴荷的分配，特别是使用工况中的轴荷一般不是均匀的，例如某些车辆的初始前轴轴荷设计相对偏大，这有利于车辆上坡时有足够的附着力，且上坡时后倾较小，相对稳定。但是单一轴荷设计不能过大，以免单一轴荷的轮胎超载爆胎，合理优化车辆的轴荷主要用以提高车辆的行驶安全性[1]。本文以某型号特种半挂车辆为原型建立轴荷的简化计算方程式，引入各轴荷再分配系数，将各轴荷相互分配关系联系起来，为车辆的轴荷设计提供一种可行性的分析。

1 简化计算模型

车辆正常行驶的工况下，各轴的垂直轴荷基本相差不大，但其他工况下，比如爬坡、曲线转弯、刹车等情况下，轴荷会发生动态转移，此时的动态过程中，各轴的轴荷均会在不同程度上发生转移，从而使得汽车的稳态响应发生变化。

考虑到多轴特种车辆的使用工况，本文以某型号半挂车为原型，以常见道路使用工况模式建立车辆的行驶方程式。在建立计算方程式之前，为了简化模型来分析计算，先作如下假定：①不考虑牵引车和半挂车上辅助支腿所承担的部分载荷；②不计滚动阻力和空气阻力对轴荷动态转移的影响。本文单以半挂车的车轴部分作为模型的拆分计算对象，由于车辆分配在各轴上的轴荷可对应等同于对面对于各轴的垂直反作用力，以此为思路，通过作用于车辆各轴的地面反作用力来反映该状态下各轴对应的轴荷状态。

2 建立计算方程式

以某型号特种半挂车辆为原型，半挂车辆前端可由辅助支腿分担部分载荷，在本文轴荷转移计算模式下，暂不作考虑，直接简化为由前、后铰链连接的车辆侧倾的中心轴线上，然后经由钢板弹簧等弹性元件支撑于车辆的前、后轴上[2]。

Ms为半挂车车体的总载荷，按照该模型状态质心的中心位置分配到前轴M1s、后轴M2s上，并由前、后轴的法向反作用力由M1sy，M2sy来平衡，前、后轴荷的法向反作用力作用于车体的弹性力矩为T1sy，T2sy，分别把前轴和后轴作为单独隔离体，可得前、后轴荷垂直法向反作用力的变动量ΔFz1、ΔFz2，其中，θ1，θ2分别为前、后轴的弯曲倾角刚度；Fu1、Fu2分别为前、后轴非悬挂质量产生的动载荷；hu1，hu2分别为前、后轴悬挂质量等效质心离地面的高度；mu1，mu2分别为前、后轴非悬挂质量等效质心离地面的高度；R为行驶半径，一般可取车轮半径；h1，h2为前、后轴的侧倾中心高度；∂为汽车旋转质量换算系数，通常计算可取1.1～1.2；Iw为车轮的转动惯量；If为飞轮的转动惯量；ig为加速或制动状态下对应车辆的变速器的速比；io为主减速比；ΔFj为汽车加速或制动行驶时等效平移质量部分产生的对应的惯性力。由汽车行驶方程式可得：

分别作用在前轴和后轴上的等效垂直反作用力即为该状态下前轴和后轴的大致轴荷分配[3]，这个变动量对于各轴荷的作用力是随着车辆不同运动状态作相应变化的，当车辆加速向前行驶或紧急刹车制动时，作用于车辆前、后轴上的地面法向反作用力为车辆在水平匀速行驶的工况下外加车辆克服车辆加速或制动时的惯性力作用在前轴和后轴上的等效分力，累加状态下，前、后轴的垂直反作用力与前、后轴荷的垂直法向反作用力的变动量的等效总和则为车辆前、后轴的法向反作用力，即有：

求得的，即为前轴和后轴地面法向反作用力的等效总和，可认为是该状态下前轴和后轴的大致轴荷分配情况。另外，为了方便作车辆前、后轴荷分配的量化对比分析，引入轴荷再分配系数的定义，把作用于车辆前、后轴荷上的法向反作用力，与稳态下车辆车体总载荷Ms的比值，分别称为前、后轴荷再分配系数，即：

3 实例计算分析

以某型号特种半挂车辆为例，半挂车车体的总载荷约为10 000 kg，静止状态下前轴与后轴的轴荷数据如表1所示，代入相关车辆参数，将上述方程式代入计算可得各状态下的前、后轴荷再分配系数值。由此可见，所得到的计算结果基本能反映出车辆在行驶过程中轴荷的变化趋势。

表1 各状态前、后轴荷再分配系数

4 结论

本文建立了一种多轴特种车辆行驶工况轴荷的简化计算方法，概念表达明确，计算操作方便，可为多轴车辆的轴荷优化设计提供思路。

由上述计算方法可知，车辆各轴荷的分配与车辆的结构参数及道路状况等有关，而实际进行车辆的轴荷设计时，不仅需要研究车辆处于某一特殊运动情况下各轴的载荷情况，还需要研究该情况下各轴轴荷的变化情况，更需要研究各轴轴荷变化的幅度，以达到车辆轴荷的最优化设计。

参考文献：

［1］余志生.汽车理论［M］.第5版.北京：机械工业出版社，2009.

［2］王望予.汽车设计［M］.第4版.北京：机械工业出版社，2004.

［3］哈尔滨工业大学理念力学教研室.理论力学［M］.第8版.哈尔滨：高等教育出版社，2014.