浅谈港口牵引车驱动桥设计

张骁悍，杨勇新，李海强



浅谈港口牵引车驱动桥设计

张骁悍，杨勇新，李海强

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

文章针对港口牵引车的特殊工况，从承载、传动和制动三个方面讨论了对港口牵引车驱动桥进行设计校核的方法和注意事项。

港口牵引车；驱动桥；桥壳；传动

引言

港口牵引车的工作环境特殊，具有路面条件好，坡度平缓，弯道多，车速低，牵引质量大的特点。因为工况与普通公路车辆存在较大的差别，不便使用公路车辆的经验为港口牵引车设计驱动桥。

本文针对港口牵引车的特殊工况，以某4×2港口牵引车为例，从承载、传动和制动三个方面讨论了港口牵引车驱动桥设计校核的方法和注意事项。

图1 港口牵引车驱动桥三维模型图

1 整车相关参数

4×2港口牵引车，至少需要能在港区牵引两个40 英尺的标准集装箱，并能将一个标准箱牵引上货轮的干舷。这样的情况下，港口牵引车就需要大的速比以获得更大的牵引力。

以国外某公司的某车型为例：该车型在在港区的平地内行驶时满载总质量为185t，牵引货物上货轮干舷时的满载总质量为85t，车桥速比系列为11.98～16.36，轮胎采用295/60R22.5的规格（滚动半径R=446mm）。

2 承载能力分析

上文中的车型为半挂车，驱动桥需要承担一部分的货物重量，整车设计确定驱动桥额定轴荷为20t。

承载是驱动桥的主要功能之一，与此相关的主要部件为：桥壳、轮毂和轮毂轴承。驱动桥设计中需要对这些零部件进行校核。

2.1 桥壳疲劳强度、刚性校核

该车型轮距1854mm，板簧距800mm，按2.5倍安全系数进行CAE分析：

因为港口牵引车产量较小，为节约开发费用常使用板焊桥壳。通过分析可以看出，由于板焊桥壳本身厚度厚，具有很好的刚性。

图2 加载及约束图

图3 应变分布图

图4 综合应力分布图

对于疲劳强度，轴头材料为30Mn2，抗拉强度大于780MPa，根据以往的轴头设计经验取安全系数2.5，则许用应力为312MPa，轴头B处最大应力为256.33MPa。同理，桥壳中段材料为Q460C，抗拉强度大于550

MPa，根据以往桥壳中段设计经验，取安全系数1.5，则许用应力为367MPa，桥壳中段C处最大应力为256.33MPa，根据以上分析，桥壳理论上可以满足疲劳强度要求。

同时，在实际实验中发现，由于轴头与桥壳中段的方孔需要手工焊接，在桥壳试验中从轴头焊缝处断裂的情况较多。对于该焊缝，可以结合BS7608标准下的焊缝S-N曲线[4]，取合适的存活率得出许用应力。本例中我们取焊缝处最大应力不大于200MPa，CAE分析该焊缝的强度也能够满足要求。

综上所述，桥壳在理论上可以满足使用要求。

2.2 对轮毂进行校核

本车型采用批量生产的某轮毂，该轮毂车轮螺栓分度圆直径335mm，车轮螺栓拧紧力矩575Nm，按照最恶劣的侧翻工况对轮毂进行校核，根据以往设计经验使用0.7倍的额定载荷进行校核：

图5 侧翻工况加载示意图

分度圆直径335mm螺栓预紧：

分析得：

图6 轮毂与车轮螺栓边缘接触处应力(MPa)

图7 受拉加强筋处最大应力(MPa)

该轮毂材料抗拉强度450MPa，屈服310MPa，最大应力低于屈服强度和抗拉强度，理论上可以满足使用要求。

2.3 对轮毂轴承的校核

轴承的校核一般采用载荷——寿命曲线进行计算，但各个轴承厂家通常对于自己的产品有一套自己的算法，可以结合不同的路谱进行分析，故在校核轮毂轴承时，一般由轴承厂家进行，本文由于篇幅的限制，在此不做讨论。

3 传动性能分析

由于港口牵引车车速低，但牵引质量大，我们需要对车辆的几个典型的工况进行扭矩校核。

（1）静态起步；

（2）牵引单个集装箱上上货轮干舷；

（3）在平地匀速行驶。

表1 不同路面条件下的滚动阻力[3]

因为港区的路面都是由混凝土构成，取潮湿的混凝土路面的滚动阻力系数0.022。由此，

当整车质量185t，静态起步时的驱动力为：

FTs=BRt(坡度阻力)+GRt（静态起步阻力）

=0+ε(静态起步阻力系数0.075)×M(牵引车质量)×g

=135.975KN

轮胎滚动半径446mm，对应整车输出扭矩为60645Nm。

牵引单个集装箱（取此时总重85t）上14%货轮干舷时，行驶时的驱动力为：

FT =RRt(滚动阻力：阻力系数0.022)+GRt(坡度阻力：阻力系数0.14) +Art(加速阻力：阻力系数0.015)

=（0.022+0.14+0.015）×M×g

=149.94KN

轮胎滚动半径446mm，对应整车输出扭矩为66873Nm。

当整车质量185t，在平地匀速运行时的滚动阻力为：

RRT=β(滚动阻力系数0.022)×M(牵引车质量)×g

=39.886KN

轮胎滚动半径446mm，对应整车输出扭矩为17789Nm。

可见车辆在货轮干舷和启动时的输出扭矩要远大于平地匀速行驶，在减速器设计或选择时，必须保证最大输出扭矩大于大坡道和启动时的扭矩，额定输出扭矩大于平地匀速行驶的扭矩，并预留适当的安全系数。

在本例中，我们选择了现有的额定输出55,000Nm，最大输出99,000Nm的现有减速器以保证能提供足够的牵引力。

3.1 制动校核

港口牵引车的制动校核方法与普通公路车辆相同，本例中车桥的额定载荷为20t，根据GB7258中关于充分发出的平均减速度MFDD（Mean Fully Development Decelera-

tion）的规定，制动器所提供的最大制动力矩应大于等于5m/s2，可得出制动器所能提供的制动力矩应大于：

该制动力矩已经超出公路车常用的22.5吋盘式制动器或常用规格的鼓式制动器所能提供的最大制动力矩。但由于该车型是半挂车，整车的制动力矩由前轴、驱动桥及挂车轴共同提供，所以驱动桥不足的制动力矩可由前轴及挂车轴富余的制动力矩进行补偿，在这样的情况下，每桥所需提供的制动力矩应由整车给出。但总体上来讲，码头牵引车因为载重量大，常有制动力矩不足的状况，需要特别注意。

4 结论

港口牵引车属于非公路车辆，港口牵引车驱动桥在性能需求上与普通公路车驱动桥桥有一些差别，但本质上依然是实现车桥承载、驱动和制动的功能，设计一个合格的港口牵引车驱动桥，还是围绕着以上三点展开的。

结合港口牵引车驱动桥的特殊性，在板焊桥壳设计上要着重关注轴头焊缝，在减速器设计上则要着重关注启动和爬坡对传动系统的影响。

[1] 余志生.汽车理论(第五版)[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2] 濮良贵,纪名刚.机械设计(第八版). 北京[M]:高等教育出版社, 2006.

[3] 陈燊华行李牵引车牵引力计算[J].叉车技术,2002.

[4] Fatigue design and assessment of steel structures[S].British Standard, 2003.

The Design of the Axle used in Port Tractor

Zhang Xiaohan, Yang Yongxing, Li Haiqiang

( Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710201 )

This article in view of the special working condition of port tractor, from bearing capacity, transmission perfor -mance and brake performance to discuss how to design an axle be used in port and the matters need attention.

Port tractor; axle; axle housing; transmission

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U461.99

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CLC NO.: U461.99

张骁悍，就职于陕西汉德车桥有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.036