淺談港口牽引車驅(qū)動橋設(shè)計

張驍悍，楊勇新，李海強(qiáng)

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淺談港口牽引車驅(qū)動橋設(shè)計

張驍悍，楊勇新，李海強(qiáng)

（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(qū)動橋進(jìn)行設(shè)計校核的方法和注意事項。

港口牽引車；驅(qū)動橋；橋殼；傳動

引言

港口牽引車的工作環(huán)境特殊，具有路面條件好，坡度平緩，彎道多，車速低，牽引質(zhì)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(jīng)驗為港口牽引車設(shè)計驅(qū)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(qū)動橋設(shè)計校核的方法和注意事項。

圖1 港口牽引車驅(qū)動橋三維模型圖

1 整車相關(guān)參數(shù)

4×2港口牽引車，至少需要能在港區(qū)牽引兩個40 英尺的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，并能將一個標(biāo)準(zhǔn)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(qū)的平地內(nèi)行駛時滿載總質(zhì)量為185t，牽引貨物上貨輪干舷時的滿載總質(zhì)量為85t，車橋速比系列為11.98～16.36，輪胎采用295/60R22.5的規(guī)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(qū)動橋需要承擔(dān)一部分的貨物重量，整車設(shè)計確定驅(qū)動橋額定軸荷為20t。

承載是驅(qū)動橋的主要功能之一，與此相關(guān)的主要部件為：橋殼、輪轂和輪轂軸承。驅(qū)動橋設(shè)計中需要對這些零部件進(jìn)行校核。

2.1 橋殼疲勞強(qiáng)度、剛性校核

該車型輪距1854mm，板簧距800mm，按2.5倍安全系數(shù)進(jìn)行CAE分析：

因為港口牽引車產(chǎn)量較小，為節(jié)約開發(fā)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(yīng)變分布圖

圖4 綜合應(yīng)力分布圖

對于疲勞強(qiáng)度，軸頭材料為30Mn2，抗拉強(qiáng)度大于780MPa，根據(jù)以往的軸頭設(shè)計經(jīng)驗取安全系數(shù)2.5，則許用應(yīng)力為312MPa，軸頭B處最大應(yīng)力為256.33MPa。同理，橋殼中段材料為Q460C，抗拉強(qiáng)度大于550

MPa，根據(jù)以往橋殼中段設(shè)計經(jīng)驗，取安全系數(shù)1.5，則許用應(yīng)力為367MPa，橋殼中段C處最大應(yīng)力為256.33MPa，根據(jù)以上分析，橋殼理論上可以滿足疲勞強(qiáng)度要求。

同時，在實際實驗中發(fā)現(xiàn)，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(jié)合BS7608標(biāo)準(zhǔn)下的焊縫S-N曲線[4]，取合適的存活率得出許用應(yīng)力。本例中我們?nèi)『缚p處最大應(yīng)力不大于200MPa，CAE分析該焊縫的強(qiáng)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(jìn)行校核

本車型采用批量生產(chǎn)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(cè)翻工況對輪轂進(jìn)行校核，根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗使用0.7倍的額定載荷進(jìn)行校核：

圖5 側(cè)翻工況加載示意圖

分度圓直徑335mm螺栓預(yù)緊：

分析得：

圖6 輪轂與車輪螺栓邊緣接觸處應(yīng)力(MPa)

圖7 受拉加強(qiáng)筋處最大應(yīng)力(MPa)

該輪轂材料抗拉強(qiáng)度450MPa，屈服310MPa，最大應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(jìn)行計算，但各個軸承廠家通常對于自己的產(chǎn)品有一套自己的算法，可以結(jié)合不同的路譜進(jìn)行分析，故在校核輪轂軸承時，一般由軸承廠家進(jìn)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(zhì)量大，我們需要對車輛的幾個典型的工況進(jìn)行扭矩校核。

（1）靜態(tài)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(qū)的路面都是由混凝土構(gòu)成，取潮濕的混凝土路面的滾動阻力系數(shù)0.022。由此，

當(dāng)整車質(zhì)量185t，靜態(tài)起步時的驅(qū)動力為：

FTs=BRt(坡度阻力)+GRt（靜態(tài)起步阻力）

=0+ε(靜態(tài)起步阻力系數(shù)0.075)×M(牽引車質(zhì)量)×g

=135.975KN

輪胎滾動半徑446mm，對應(yīng)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(qū)動力為：

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

=（0.022+0.14+0.015）×M×g

=149.94KN

輪胎滾動半徑446mm，對應(yīng)整車輸出扭矩為66873Nm。

當(dāng)整車質(zhì)量185t，在平地勻速運行時的滾動阻力為：

RRT=β(滾動阻力系數(shù)0.022)×M(牽引車質(zhì)量)×g

=39.886KN

輪胎滾動半徑446mm，對應(yīng)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(yuǎn)大于平地勻速行駛，在減速器設(shè)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(yù)留適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。

在本例中，我們選擇了現(xiàn)有的額定輸出55,000Nm，最大輸出99,000Nm的現(xiàn)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(jù)GB7258中關(guān)于充分發(fā)出的平均減速度MFDD（Mean Fully Development Decelera-

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

該制動力矩已經(jīng)超出公路車常用的22.5吋盤式制動器或常用規(guī)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(qū)動橋及掛車軸共同提供，所以驅(qū)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(jìn)行補(bǔ)償，在這樣的情況下，每橋所需提供的制動力矩應(yīng)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(jié)論

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

結(jié)合港口牽引車驅(qū)動橋的特殊性，在板焊橋殼設(shè)計上要著重關(guān)注軸頭焊縫，在減速器設(shè)計上則要著重關(guān)注啟動和爬坡對傳動系統(tǒng)的影響。

[1] 余志生.汽車?yán)碚?第五版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)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(shù),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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