三桥半挂车提升桥解决方案

1、34 2008.08技术与产品节油环保型半挂车的设计趋势张家口大地专用汽车制造有限责任公司 袁光涛1 前言进入2008年，计重收费政策实施范围的不断扩大，国际燃油价格的不断上涨，以及各种涨价因素的影响，导致用户运营成本剧增。数据显示，2000年0号柴油零售价格每升2.2元左右，2008年6月20日已涨至每升6.23元的水平（北京油价），涨幅为183.18%。2000年燃油消耗支出仅占运营总成本的15%，现已升至35.8%1，跃居运营成本各项支出的首位。在油价屡创新高的今天，用户深知，中长距离运输应首选牵引半挂车，而选择节油环保型半挂车就是省钱，省钱就等于多赚钱。举例来说，一辆汽车列车一年行驶1

2、5万km，百公里油耗为40 L，如果节油10%，全年可节省3.74万元，这是一个很可观的数字。在国家大力倡导节能减排的背景下，对于半挂车厂家来说，加快节油环保型半挂车的设计步伐，将会极大地提高企业产品的竞争力，也是抢占市场先机的重要举措。汽车列车行驶阻力由空气阻力、滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力等组成，牵引车发动机的功率主要消耗在克服汽车列车的行驶阻力上。空气阻力主要与车身形状、迎风面积等有关，特别是在高速行驶时关系更大，但与整车的总质量无关；滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力均与整车的总质量成正比，因此减轻汽车列车自身质量，是减少这三种阻力的重要因素，也是降低燃油消耗的有效措施2。笔者结合产品设计的

3、实践经验，认为半挂车的节油设计应从减轻半挂车自重、减少半挂车空气阻力和选用优质零部件三个方面考虑。2 减轻自重国外相关试验数据显示3，车辆自身质量减轻10%，可降低油耗5%8%。对半挂车来说，减轻自重可以相应提高有效装载质量，即增大了装载利用系数，提高了运输效率，降低了运输成本中的燃油费用。2.1 采用新材料为适应半挂车轻量化的要求，目前国外厂家在半挂车制造中大量采用了高强度钢、铝合金、玻璃钢、不锈钢、塑料等材料。欧洲、北美和日本等发达国家及地区生产的专用汽车中，厢式半挂车占半挂车总量的80%左右，厢体材料多为铝合金，车厢结构件和附件也大都采用铝合金型材制成，不仅自重轻，而且还可以回收再利用。

4、日本的罐式半挂车绝大多数采用质地较轻的铝合金或不锈钢材料做罐体，既减轻车辆自重，又提高了罐体的抗腐蚀能力。近年来采用玻璃钢材质的散货运输半挂车日渐受到用户的关注，这种车整车质量轻、抗腐蚀性强，适合运送散装的化学原料。高强度钢板可以制造半挂车车架、车厢、悬架，根据经验法则，应用高强度钢板的车辆重量可以减轻25%30%，通常能减轻28%。比如，通常使用的10 mm厚的普通钢板，如果换成高强度钢板，钢板厚度仅为7 mm，重量减少30%。对13 m栏板式半挂车而言，车架若用普通钢板制造重约2 5002008. 07 35技术与产品kg，在同等承载情况不变的条件下用高强度钢板制造约可减重690 kg（图

5、1）。这意味着该半挂车可获得690 kg的有效载荷，并且在空载行驶时还节省了燃油。此外，选用密封性好、重量轻、高强度的塑料工具箱取代钢板焊接的工具箱，防护装置改用铝合金材料等，同样能够有效降低车辆自重。2.2 车架的优化设计对现有钢结构车架进行优化设计，可以在保证承载能力和可靠性的前提下减轻重量，如果方案得当还能取得良好的轻量化效果。比如，半挂车工字形纵梁在车架中所占比重较大，通过对纵梁上下翼板的厚度和宽度、腹板的厚度和高度进行优化设计，可以使纵梁在自重最小的情况下，满足最大的承载能力。仍以13 m半挂车为例，纵梁材料为16 Mn，纵梁高度500 mm，翼板宽140 mm，原设计纵梁上、下翼板

6、的厚度为12 mm，腹板厚8 mm，截面模量为1 088 cm3，通过编程计算，将下翼板厚12 mm改为14 mm，腹板厚8 mm改为6mm。改进后截面模量为1 118 cm3，承载能力提高了2.76，而重量减轻了108 kg。若根据等强度原理，将纵梁形状改为鱼腹梁或通过对车架进行有限元分析计算，合理选择横梁截面大小并合理布置，同样可达到减重的目的。无副梁的半挂自卸车（ 图2） 在欧美已不罕见，因其自重轻，体现了半挂自卸车的设计趋势。为保证箱体强度，一般选用高强度的钢板。2.3 选用轻质零部件半挂车板簧通常为等截面钢板板簧（图3），为减轻半挂车的悬架重量，提高半挂车的行驶平顺性，国内已有半挂车

7、生产企业开始使用少片变截面钢板弹簧（图4）。与传统的多片等截面钢板弹簧相比，在承载能力不变的前提下，其质量可减轻30%40%，有的甚至高达50%。国外载重汽车轮胎三化（子午化、扁平化、无内胎化）已相当普及，但国内载重汽车无内胎化（即全钢丝载重汽车子午线无内胎的轮胎，简称真空胎）实施的速度缓慢。真空胎除了具有安全性好、节油、生热低且散热快、操纵性好等优势外，最重要的是真空胎胎体轻，用真空胎315/80R22.5替换半挂车上常用的12.00R20/18全钢子午线轮胎，每只轮胎可减重23 kg，一台三桥半挂车可减重近300 kg。锻造铝合金车轮的重量只相当于钢制车轮重量的50%，以半挂汽车列车（主车

8、为64型式，半挂车为三桥半挂车）22只轮胎计算，每台车可减重近550 kg。3 减少空气阻力世界各国汽车列车的行驶车速不断提高，国外发达国家半挂牵引车在高速公路上行驶的速度一般不低于110 km/h，有的甚至超过了120 km/h；目前国内高速公路行驶的汽车列车速度为8090 km/h。用提高速度来提升运输效率是一种趋势，但是汽车列车高速行驶时，其燃料消耗将会剧增，这主要是由于空气阻力的急剧增大导致消耗于空气阻力的功率与速度的立方成正比的增加4。因此有效减少空气阻力是节省燃油的一个重要途径。减少空气阻力可以通过降低半挂车承载面、改变车厢材料及外形、加装导流装置等方法来实现。3.1 降低半挂车承

9、载面半挂车尤其是厢式半挂车的承载面降低可使半挂车车身高度降低，从而减小风阻，降低油耗；承载面低，降低了车辆重心，在通过弯道时，可以不换挡或少换挡；重心降低还可以提高侧向稳定性，避免因稳定性差使车体在行进中左右晃动给牵引车带来侧向分力引致车辆跑偏的情况发生，从而降低了油耗，也减轻了驾驶者的疲劳程度。降低承载面高度主要有以下两种方法。3.1.1 货台设计为鹅颈结构或凹形结构我国现阶段生产的牵引车如斯太尔系的车型，其牵引高度相对较高，半挂车厂家通常根据主车结构设计匹配其半挂图1 13 m栏板式半挂车图2 无副梁半挂自卸车图3 等截面钢板板簧 图4 变截面钢板弹簧36 2008.08技术与产品车，这样

10、设计出的半挂车承载面也较高。鉴于此种情况，可将半挂车货台设计成鹅颈结构（图5）或凹形结构（图6），以降低承载面高度。3.1.2 车架设计为整体承载式半挂车车架一般由两根纵梁和若干组横梁组成。国内已有半挂车厂家突破了传统的车架设计模式，将车架结构设计为整体承载式（图7），其牵引座处车架总高度仅为88 mm（传统半挂车高度为240 mm左右）。整体承载式半挂车可以替代鹅颈式平板半挂车，能够装载40 t以上货物，即使装上超高箱或大件也能顺利通过新老隧道、立交桥和渡口5。这种车架能在用材少的情况下，提高车架抗弯强度，还能大幅度提高车架的整体抗扭刚度，而整体抗扭刚度的大小，与车辆运行过程中的侧向稳定性直

11、接相关，即抗扭刚度越大，侧向稳定性越好。中集新近开发的铝制厢式半挂车正是采用整体承载式铆接车身、无大梁式的结构设计，其底架采用超高强度钢，上部结构使用高强铝，与同等承载能力的普通厢式半挂车相比，自重减轻约30%。3.2 改变车厢材料及外形目前，国内厢式半挂车厢体大多为钢制波纹板，由于受钢制波纹板结构形状固有特性的制约，其风阻高达0.8以上（国外最先进的半挂汽车列车风阻系数约为0.50.6），大量的能量白白耗在克服空气阻力上。国内研究机构试验证明，铝铆接厢式半挂车的风阻系数比厢体为钢制波纹板的半挂车风阻系数要小9%，可以节油3%。如果将车厢外形设计为流线型（图8），还可有效减少半挂汽车列车在高速

12、行驶时的空气阻力，从而能大大降低油耗。3.3 加装导流装置在以一般车速行驶时，发动机功率的20%30%消耗于空气阻力。若车速加快，消耗在克服空气阻力上的功率则会更大，所以为尽可能地减少空气阻力，在半挂车前壁应安装立体导流罩、导流板、侧向间隙密封装置，或者在半挂车侧面底部加装导流装置（图9），这可以使半挂汽车列车的空气阻力减小40%，侧风时可减小空气阻力60%，从而可以大大降低油耗，同时还能提高半挂汽车列车的操纵性、降低噪声和减轻振动等。图5 鹅颈式半挂车图6 凹形结构半挂车图7 整体承载式半挂车图8 厢体为流线型的半挂车图9 侧面底部加装导流装置的半挂车2008. 08 37技术与产品参考文献

13、1 龚雨楠.柴油价格飙涨导致重卡用户收益再次遭遇“滑铁卢”J.汽车情报,2008.18:1.2 王泽黎.从布里斯班卡车展看我国汽车轻量化的发展趋势J.专用汽车,2007.7:20-21.3 曹琦.无副车架的重型自卸汽车J.重型汽车,2005.4:16-17.4 周天佑.汽车列车选型与设计M.北京.交通部公路科学研究所情报资料室,1991.5 南方.“陆氏”超低型、大承载新型集装箱半挂车J.商用汽车,2004.5:59.6 王作函.米其林带给卡客车用户的价值J.商用汽车,2007.2:118-119.4 选用优质零部件4.1 选用环保省油轮胎米其林轮胎XZA2+ENERGY系列绿色环保省油轮胎将

14、节能技术充分运用在胶料配方、胎体结构以及胎冠花纹设计上（图10），在橡胶中加入硅后，轮胎的滚动阻力降低，同时在湿滑路面上的制动距离减少20%，横向抓地力也大幅度提高，这种轮胎的滑行距离比普通轮胎提高了9.6%，可以节省燃油4%，与斜交胎相比，可以降低30%的滚动阻力，节省6%的燃油；轮胎寿命高，其操控性、轮胎的制动性能和防侧滑能力也得以改进6。4.2 宽断面单轮胎替代传统的双轮胎宽断面轮胎是一种低阻力的低扁平比宽轮胎，见图11(a)所示，也是轮胎制造商目前大力推荐使用的重载轮胎。国外大量的试验研究表明，使用宽断面单轮胎替代传统的双轮胎可以减少滚动阻力15%，节油4%。在发达国家，宽断面轮胎在半

15、挂车上已经应用得非常普遍，但在我国半挂汽车列车上只有极少数厂家应用。中集车辆（山东）公司去年在半挂车上使用了宽断面轮胎，效果非常好，得到了客户的赞誉，产品已批量出口。4.3 子午线轮胎替代斜交胎图11（b）所示的子午线轮胎滚动半径大，吸收能量少，行驶中胎面变形小，滚动阻力比斜交胎要小25%30%，省油4%10%，见图11（c）。国外统计数据显示，由于子午线轮胎滚动阻力减小所节省的燃料费就足以抵偿汽车全部轮胎的成本费用，可见其经济效益显著。4.4 使用空气弹簧悬架和空气悬架提升桥空气悬挂系统是近年来在半挂车上应用的一项新技术。目前国际主流市场均以空气弹簧悬架为主，而国内配置空气悬架的半挂车比例不到3%。与钢板弹簧悬架相比，空气弹簧悬架虽然价格高于传统的钢板弹簧悬架，但它具有驾驶和操纵舒适、重量轻等优点，有非常好的安全性和燃油经济性。此外，空气悬架提升桥技术在国外也是大行其道（图12），当半挂车在空载或半载运行时，可将空气悬架中的提升桥提起，以此减小汽车列车的滚动阻力，达到节油和减少轮胎磨损、延长使用