劉小京，方慧平

（1.濰柴動(dòng)力股份有限公司上海研發(fā)中心，上海 200000；2. 陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

空載集裝箱牽引車整車設(shè)計(jì)

劉小京1，方慧平2

（1.濰柴動(dòng)力股份有限公司上海研發(fā)中心，上海 200000；2. 陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

集裝箱運(yùn)輸中的空載集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)是不可避免的，使用標(biāo)載型集裝箱牽引車運(yùn)輸導(dǎo)致購(gòu)置成本高、油耗高。文章通過(guò)市場(chǎng)分析、運(yùn)輸工況及客戶需求研究，定義空載集裝箱專用牽引車的整車性能。通過(guò)合理的整車設(shè)計(jì)、軸荷分布、動(dòng)力匹配，掛車匹配等實(shí)現(xiàn)整車性能及指標(biāo)分解。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該車型整車安全可靠、舒適便捷、節(jié)能環(huán)保，較標(biāo)載集裝箱牽引車油耗降低4.6L/100km，全生命周期運(yùn)營(yíng)成本大幅降低。

空載集裝箱；整車設(shè)計(jì)；動(dòng)力匹配；軸距；軸荷

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-15-04

1、市場(chǎng)分析

1.1 空載集裝箱的轉(zhuǎn)運(yùn)是不可避免的

很多貨物均是通過(guò)集裝箱來(lái)運(yùn)輸?shù)?，集裝箱運(yùn)輸方式所帶來(lái)的效益無(wú)可厚非。由于集裝箱必須經(jīng)過(guò)拆裝過(guò)程，而且裝箱和拆箱通常發(fā)生于不同的場(chǎng)所，因此集裝箱本身必須經(jīng)歷無(wú)緣無(wú)故的沒(méi)有效率的調(diào)運(yùn)過(guò)程，每天均有大量空集裝箱從集裝箱剩余地區(qū)調(diào)撥到集裝箱匱乏地區(qū)。我國(guó)自然資源分布不平衡，受地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市布局等因素的影響，全國(guó)集裝箱貨源分布和流向存在著很大差異，導(dǎo)致鐵路集裝箱供需矛盾十分突出，空箱調(diào)運(yùn)較為頻繁。

港口所在地區(qū)的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易發(fā)展水平在很大程度上決定了其進(jìn)出口貨物的數(shù)量，使得港口一般形成以進(jìn)口型為主和以出口型為主兩類，很難達(dá)到均衡狀態(tài)，因此集裝箱港口進(jìn)、出口箱數(shù)量不均衡會(huì)導(dǎo)致空載集裝箱的轉(zhuǎn)運(yùn)。在裝卸搬運(yùn)設(shè)施不完善，未形成國(guó)際中轉(zhuǎn)樞紐的中小型港口，存在大量的集裝箱空箱積壓，如果信息不暢則將造成空箱調(diào)運(yùn)量增大。在海運(yùn)集裝箱中，每五只集裝箱就有一只是空集裝箱，北歐主要港口的數(shù)據(jù)表明，整個(gè)集裝箱通過(guò)量的15%以上是空集裝箱。

中國(guó)是集裝箱的主要生產(chǎn)地，制造的干貨箱幾乎占世界的90%，而世界各地區(qū)對(duì)集裝箱均有大量的需求，由此造成了由中國(guó)各集裝箱制造廠向世界各地運(yùn)輸空箱的現(xiàn)象，也產(chǎn)生了空載集裝箱的轉(zhuǎn)運(yùn)。

1.2 空載集裝箱運(yùn)輸現(xiàn)狀

空載集裝箱的運(yùn)輸車輛目前主要分為兩種，第一種為標(biāo)載型集裝箱運(yùn)輸車，如圖1所示，可以運(yùn)輸標(biāo)載、輕載和空載集裝箱，此種車型可運(yùn)輸集裝箱種類多，兼容性強(qiáng)。當(dāng)標(biāo)載型牽引車運(yùn)輸輕載、空載集裝箱時(shí)，造成運(yùn)力浪費(fèi)、油耗高；第二種為圖2中所示長(zhǎng)頭集裝箱運(yùn)輸車，此類車型購(gòu)置成本低，但是安全性、舒適性差，油耗高。

圖1 標(biāo)載型集裝箱運(yùn)輸車

圖2 某長(zhǎng)頭集裝箱運(yùn)輸車

空載集裝箱運(yùn)輸主要是港口到空箱堆場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)運(yùn)，大部分單程運(yùn)距在20公里以內(nèi)，每天行駛200-300 公里之間，集裝箱重量為3-6噸，在港區(qū)內(nèi)常用行駛車速為40公里每小時(shí)，在港區(qū)外常用行駛車速為70公里每小時(shí)，運(yùn)行路面以港區(qū)道路、城市及城郊公路為主。少部分空載集裝箱需要進(jìn)行中長(zhǎng)距離運(yùn)輸?？蛰d集裝箱牽引車的運(yùn)營(yíng)主體以物流企業(yè)為主，大部分為自購(gòu)車輛聘請(qǐng)司機(jī)，少部分散戶自購(gòu)車輛加入公司。

2、產(chǎn)品定義

空載集裝箱運(yùn)輸市場(chǎng)目前正在快速增長(zhǎng)，運(yùn)輸車輛呈專用化發(fā)展趨勢(shì)，在寧波等港口出現(xiàn)了采用專用空載集裝箱運(yùn)輸車的物流企業(yè)。目前進(jìn)入該市場(chǎng)的品牌較少，競(jìng)爭(zhēng)不充分，產(chǎn)品問(wèn)題較多。本文以某項(xiàng)目的中卡平臺(tái)為基礎(chǔ)，拓展開(kāi)發(fā)滿足客戶需求的專用空載集裝箱牽引車，同時(shí)聯(lián)合掛車生產(chǎn)廠家開(kāi)發(fā)專用空載集裝箱掛車，為客戶提供整套運(yùn)輸車輛解決方案。

當(dāng)前客戶最希望改進(jìn)的是空載集裝箱運(yùn)輸車的購(gòu)置成本及運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)也希望避免出現(xiàn)其保有車輛出現(xiàn)的問(wèn)題。港口處于沿海地區(qū)，雨水較多，腐蝕性強(qiáng)，要求車輛密封防水、防腐性能好；配置天窗，減少空調(diào)耗能；目前標(biāo)載型集裝箱運(yùn)輸車裝載空載集裝箱時(shí)百公里油耗為20-25升，專用運(yùn)輸車百公里油耗為17升；續(xù)駛里程需大于500公里；港口工作人員在操作平臺(tái)上檢查車輛，需提高上下操作平臺(tái)的便利性及可靠性。

根據(jù)市場(chǎng)分析、客戶的潛在需求和競(jìng)品分析，制定空載集裝箱牽引車的整車級(jí)性能目標(biāo)，繪制性能雷達(dá)圖。要求開(kāi)發(fā)車輛可靠性高，出勤率高，駕乘環(huán)境優(yōu)，匹配車隊(duì)管理系統(tǒng)，全生命周期運(yùn)營(yíng)成本低。

圖3 空載集裝箱運(yùn)輸車性能雷達(dá)圖

3、整車設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)型式：集裝箱重量為3-6噸，掛車重量2.8噸，主車整備質(zhì)量4.6噸。如表1所示，GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》中規(guī)定二軸半掛牽引車最大允許總質(zhì)量限值為18噸。在滿足法規(guī)要求的情況下，應(yīng)盡可能選擇車軸少的驅(qū)動(dòng)型式以降低油耗及成本。采用4×2后驅(qū)動(dòng)型式可以滿足使用要求。

表1 汽車、掛車及汽車列車最大允許總質(zhì)量限值 單位為千克

駕駛室型式：空載集裝箱運(yùn)輸車單程運(yùn)距短，一般均為單人駕駛，偶爾排隊(duì)等待裝箱時(shí)在車上休息，臥鋪使用頻率不高，故選用長(zhǎng)度為1.96米的小臥鋪駕駛室。

軸距：為了提高牽引車的適配性，前回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)要求大于2120mm，后回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)要求小于1900 mm ，軸距盡可能小，前后軸軸荷分布合理。根據(jù)上述要求優(yōu)化匹配得出軸距最小為3300 mm， 鞍座前置距為520 mm。

軸荷分布：經(jīng)過(guò)對(duì)整車的初步布置，分解整車重量目標(biāo)，與各子系統(tǒng)協(xié)商確定重量目標(biāo)，在三維模型中測(cè)出各子系統(tǒng)的質(zhì)心坐標(biāo)，通過(guò)力矩守恒原理求出質(zhì)心坐標(biāo)及各軸軸荷。滿載時(shí)此牽引車前軸軸荷為3.4噸，后軸軸荷為5.2噸?？蛰d時(shí)此牽引車前軸軸荷為2.8噸，后軸軸荷為1.8噸。

圖4 空載集裝箱牽引車及半掛車軸荷分布

輪胎選擇：目前卡車市場(chǎng)主要使用的輪胎有普通子午線輪胎（5度輪輞），普通斜交胎（5度輪輞），普通子午線輪胎（15度輪輞），公制子午線胎（15度輪輞）四種，其中普通子午線輪胎（5度輪輞）維修方便，使用成本較低，承載能力強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)使用廣泛。公制子午線胎（15度輪輞）為無(wú)內(nèi)胎結(jié)構(gòu)，散熱性好，被扎后漏氣緩慢，安全性高；滾動(dòng)阻力小，輪胎直徑小，整車高度更低，能有效降低油耗。該車型標(biāo)配普通子午線輪胎（5度輪輞），可選配公制子午線胎（15度輪輞）?？紤]整個(gè)平臺(tái)的通用性、輕載集裝箱牽引車拓展要求以及制動(dòng)器的限制，參考GB T 2977-2008《載重汽車輪胎規(guī)格、尺寸氣壓與負(fù)荷》，試制樣車選擇8.25R20輪胎。

車架設(shè)計(jì)：車架作為整車中的主要的承載部件，支撐著駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)等所有簧上質(zhì)量的部件，并承受著部件傳給它的各種力和力矩，同時(shí)也承載著路面沖擊等外部載荷。為了保持各總成在車架上的相對(duì)位置，車架需要有足夠的剛度；為了保證整車的可靠性與壽命，車架又要有足夠的強(qiáng)度。車架的剛度過(guò)小，會(huì)使相應(yīng)部件的振幅加大，也會(huì)影響汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性等整車性能；但車架的剛度也不宜過(guò)大，過(guò)大的剛度會(huì)使振動(dòng)頻率加大，汽車對(duì)路面的適應(yīng)性變差，并同樣會(huì)影響乘坐舒適性以及操作穩(wěn)定性等整車性能。在保證車架具有合適的剛度、強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量降低車架自重，以減輕整車整備質(zhì)量，提高整車的使用效率。車架的設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮開(kāi)發(fā)平臺(tái)的需求，運(yùn)用模塊化、系列化的設(shè)計(jì)理念，理性務(wù)實(shí)全面地進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。通過(guò)多輪方案優(yōu)化及CAE對(duì)比分析，此車型采用等寬邊梁式車架加前伸梁結(jié)構(gòu)，采用管狀橫梁結(jié)構(gòu)減少重量，左右前伸梁內(nèi)側(cè)寬度910mm，車架外寬870 mm ，滿足大冷卻模塊的布置及外寬不超過(guò)2300 mm的要求。

通過(guò)性：參考成熟車型及市場(chǎng)輸入，接近角＞19度，離去角＞32度：離地間隙＞210，最小轉(zhuǎn)彎直徑＜12.2，縱向通過(guò)半徑＞3417，掛車前傾7度，后傾8度時(shí)，掛車不與牽引車發(fā)生干涉。

5、動(dòng)力匹配

列車總重13.4噸，建立動(dòng)力模型進(jìn)行優(yōu)化匹配，發(fā)動(dòng)機(jī)選用濰柴動(dòng)力245馬力WP6發(fā)動(dòng)機(jī)， 變速箱選用法士特6DS95T（速比6.62/3.73/2.3/1.51/1/0.75/6.05），單級(jí)主減橋速比4.33，輪胎8.25R20。優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示：

表2 動(dòng)力匹配優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

6、掛車匹配

掛車設(shè)計(jì)為可轉(zhuǎn)運(yùn)一個(gè)40英尺空集裝箱或兩個(gè)20英尺空集裝箱，額定載質(zhì)量為3000-6000kg，整備質(zhì)量要求小于2800kg，最大允許半掛車前回轉(zhuǎn)半徑1920mm，最小允許半掛牽引車后回轉(zhuǎn)半徑1800mm，選用50#牽引銷，單橋雙胎，輪胎與牽引車一致（型號(hào)為8.25R20）。牽引座平面離地高1139mm(空載)，1062(滿載)。

圖5 空載集裝箱半掛車布置圖

7、試驗(yàn)驗(yàn)證

空載集裝箱牽引車和掛車進(jìn)行了樣車試制，完成了可靠性及性能試驗(yàn)。樣車總體達(dá)到了前期定義的性能目標(biāo)。樣車空間布局合理，安全可靠，舒適便捷，節(jié)能環(huán)保。其中動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，滿載時(shí)最高車速123 km/h，最大爬坡度30%， 營(yíng)運(yùn)油耗15.4 L/100km，直接檔40-80 km/h加速時(shí)間為27.7s。 試驗(yàn)樣車的某些零部件采用代用件，代用件無(wú)法達(dá)到新開(kāi)發(fā)零部件的性能指標(biāo)要求，故計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果有一定的差異。

表3 動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

8、總結(jié)

本文對(duì)空載集裝箱運(yùn)輸進(jìn)行了市場(chǎng)及客戶需求分析，針對(duì)該細(xì)分市場(chǎng)提出專業(yè)物流用車解決方案。進(jìn)行了新設(shè)計(jì)產(chǎn)品整車性能定義，分解性能目標(biāo)并完成整車設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)集成優(yōu)化、掛車匹配等工作。通過(guò)試制及試驗(yàn)驗(yàn)證了整車設(shè)計(jì)，新產(chǎn)品總體達(dá)到前期產(chǎn)品定義目標(biāo)。空載集裝箱半掛牽引列車樣車的運(yùn)營(yíng)油耗試驗(yàn)值為15.4 L/100km，比傳統(tǒng)標(biāo)載型運(yùn)輸車輛節(jié)油約4.6L/100km，同時(shí)購(gòu)置成本更低，全生命周期內(nèi)可以為客戶節(jié)約大量成本。該車輛比同類競(jìng)品運(yùn)輸范圍更廣，能夠運(yùn)輸裝載10噸貨物的集裝箱，通過(guò)大馬力小速比、寬冷卻模塊、附件優(yōu)化、降低車輛高度、提高傳動(dòng)效率等措施實(shí)現(xiàn)了油耗比競(jìng)品低1.6 L/100km。

[1] 汪傳旭.世界空載集裝箱運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題.中國(guó)遠(yuǎn)洋航務(wù).1998(4)：19-20.

[2] 段剛等.基于貨物等級(jí)的空重集裝箱運(yùn)輸優(yōu)化研究.交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息2012.12(5)：140-147.

[3] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

The integration of empty container towing vehicle

Liu Xiaojing1, Fang Huiping2
( 1.Weichai Power Co., Ltd. Shanghai R&D Center, Shanghai 200000; 2.Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi’an 710200 )

The empty container transport is inevitable, the use of standard-type container towing vehicle lead to more acquisition cost and fuel consumption. Set up the vehicle level targets of the special towing vehicle based on analysis of the market, transportation condition and VOC. Achieve the targets through the logical design of the whole vehicle, axle load distribution, powertrain optimization, trailer matching and so on. It was proved that the vehicle is safe, reliable, comfortable, convenient and economic. It reduces the fuel consumption of the container tractor by 4.6L / 100km and significantly reduces the total cost of ownership for the customers.

Empty container; Vehicle integration; Powertrain optimization; Wheelbase; Load distribution

U462.1

A

1671-7988(2017)05-15-04

劉小京（1986-1），男，本科，工程師，就職于濰柴動(dòng)力股份有限公司上海研發(fā)中心。主要從事整車設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.006