淺談港口牽引車驅動橋設計

張驍悍，楊勇新，李海強

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淺談港口牽引車驅動橋設計

張驍悍，楊勇新，李海強

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

文章針對港口牽引車的特殊工況，從承載、傳動和制動三個方面討論了對港口牽引車驅動橋進行設計校核的方法和注意事項。

港口牽引車；驅動橋；橋殼；傳動

引言

港口牽引車的工作環境特殊，具有路面條件好，坡度平緩，彎道多，車速低，牽引質量大的特點。因為工況與普通公路車輛存在較大的差別，不便使用公路車輛的經驗為港口牽引車設計驅動橋。

本文針對港口牽引車的特殊工況，以某4×2港口牽引車為例，從承載、傳動和制動三個方面討論了港口牽引車驅動橋設計校核的方法和注意事項。

圖1 港口牽引車驅動橋三維模型圖

1 整車相關參數

4×2港口牽引車，至少需要能在港區牽引兩個40 英尺的標準集裝箱，并能將一個標準箱牽引上貨輪的干舷。這樣的情況下，港口牽引車就需要大的速比以獲得更大的牽引力。

以國外某公司的某車型為例：該車型在在港區的平地內行駛時滿載總質量為185t，牽引貨物上貨輪干舷時的滿載總質量為85t，車橋速比系列為11.98～16.36，輪胎采用295/60R22.5的規格（滾動半徑R=446mm）。

2 承載能力分析

上文中的車型為半掛車，驅動橋需要承擔一部分的貨物重量，整車設計確定驅動橋額定軸荷為20t。

承載是驅動橋的主要功能之一，與此相關的主要部件為：橋殼、輪轂和輪轂軸承。驅動橋設計中需要對這些零部件進行校核。

2.1 橋殼疲勞強度、剛性校核

該車型輪距1854mm，板簧距800mm，按2.5倍安全系數進行CAE分析：

因為港口牽引車產量較小，為節約開發費用常使用板焊橋殼。通過分析可以看出，由于板焊橋殼本身厚度厚，具有很好的剛性。

圖2 加載及約束圖

圖3 應變分布圖

圖4 綜合應力分布圖

對于疲勞強度，軸頭材料為30Mn2，抗拉強度大于780MPa，根據以往的軸頭設計經驗取安全系數2.5，則許用應力為312MPa，軸頭B處最大應力為256.33MPa。同理，橋殼中段材料為Q460C，抗拉強度大于550

MPa，根據以往橋殼中段設計經驗，取安全系數1.5，則許用應力為367MPa，橋殼中段C處最大應力為256.33MPa，根據以上分析，橋殼理論上可以滿足疲勞強度要求。

同時，在實際實驗中發現，由于軸頭與橋殼中段的方孔需要手工焊接，在橋殼試驗中從軸頭焊縫處斷裂的情況較多。對于該焊縫，可以結合BS7608標準下的焊縫S-N曲線[4]，取合適的存活率得出許用應力。本例中我們取焊縫處最大應力不大于200MPa，CAE分析該焊縫的強度也能夠滿足要求。

綜上所述，橋殼在理論上可以滿足使用要求。

2.2 對輪轂進行校核

本車型采用批量生產的某輪轂，該輪轂車輪螺栓分度圓直徑335mm，車輪螺栓擰緊力矩575Nm，按照最惡劣的側翻工況對輪轂進行校核，根據以往設計經驗使用0.7倍的額定載荷進行校核：

圖5 側翻工況加載示意圖

分度圓直徑335mm螺栓預緊：

分析得：

圖6 輪轂與車輪螺栓邊緣接觸處應力(MPa)

圖7 受拉加強筋處最大應力(MPa)

該輪轂材料抗拉強度450MPa，屈服310MPa，最大應力低于屈服強度和抗拉強度，理論上可以滿足使用要求。

2.3 對輪轂軸承的校核

軸承的校核一般采用載荷——壽命曲線進行計算，但各個軸承廠家通常對于自己的產品有一套自己的算法，可以結合不同的路譜進行分析，故在校核輪轂軸承時，一般由軸承廠家進行，本文由于篇幅的限制，在此不做討論。

3 傳動性能分析

由于港口牽引車車速低，但牽引質量大，我們需要對車輛的幾個典型的工況進行扭矩校核。

（1）靜態起步；

（2）牽引單個集裝箱上上貨輪干舷；

（3）在平地勻速行駛。

表1 不同路面條件下的滾動阻力[3]

因為港區的路面都是由混凝土構成，取潮濕的混凝土路面的滾動阻力系數0.022。由此，

當整車質量185t，靜態起步時的驅動力為：

FTs=BRt(坡度阻力)+GRt（靜態起步阻力）

=0+ε(靜態起步阻力系數0.075)×M(牽引車質量)×g

=135.975KN

輪胎滾動半徑446mm，對應整車輸出扭矩為60645Nm。

牽引單個集裝箱（取此時總重85t）上14%貨輪干舷時，行駛時的驅動力為：

FT =RRt(滾動阻力：阻力系數0.022)+GRt(坡度阻力：阻力系數0.14) +Art(加速阻力：阻力系數0.015)

=（0.022+0.14+0.015）×M×g

=149.94KN

輪胎滾動半徑446mm，對應整車輸出扭矩為66873Nm。

當整車質量185t，在平地勻速運行時的滾動阻力為：

RRT=β(滾動阻力系數0.022)×M(牽引車質量)×g

=39.886KN

輪胎滾動半徑446mm，對應整車輸出扭矩為17789Nm。

可見車輛在貨輪干舷和啟動時的輸出扭矩要遠大于平地勻速行駛，在減速器設計或選擇時，必須保證最大輸出扭矩大于大坡道和啟動時的扭矩，額定輸出扭矩大于平地勻速行駛的扭矩，并預留適當的安全系數。

在本例中，我們選擇了現有的額定輸出55,000Nm，最大輸出99,000Nm的現有減速器以保證能提供足夠的牽引力。

3.1 制動校核

港口牽引車的制動校核方法與普通公路車輛相同，本例中車橋的額定載荷為20t，根據GB7258中關于充分發出的平均減速度MFDD（Mean Fully Development Decelera-

tion）的規定，制動器所提供的最大制動力矩應大于等于5m/s2，可得出制動器所能提供的制動力矩應大于：

該制動力矩已經超出公路車常用的22.5吋盤式制動器或常用規格的鼓式制動器所能提供的最大制動力矩。但由于該車型是半掛車，整車的制動力矩由前軸、驅動橋及掛車軸共同提供，所以驅動橋不足的制動力矩可由前軸及掛車軸富余的制動力矩進行補償，在這樣的情況下，每橋所需提供的制動力矩應由整車給出。但總體上來講，碼頭牽引車因為載重量大，常有制動力矩不足的狀況，需要特別注意。

4 結論

港口牽引車屬于非公路車輛，港口牽引車驅動橋在性能需求上與普通公路車驅動橋橋有一些差別，但本質上依然是實現車橋承載、驅動和制動的功能，設計一個合格的港口牽引車驅動橋，還是圍繞著以上三點展開的。

結合港口牽引車驅動橋的特殊性，在板焊橋殼設計上要著重關注軸頭焊縫，在減速器設計上則要著重關注啟動和爬坡對傳動系統的影響。

[1] 余志生.汽車理論(第五版)[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2] 濮良貴,紀名剛.機械設計(第八版). 北京[M]:高等教育出版社, 2006.

[3] 陳燊華行李牽引車牽引力計算[J].叉車技術,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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張驍悍，就職于陜西漢德車橋有限公司。

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