图解日本标准中清障车托举能力的计算公式和影响因素

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  日本的清障车起步于20W纪50年代末,至今已有近70年的制造历史,其研发制造技术和使用操作技术当属世界先进水平。现日本较著名的清障车生产厂家有多田野、古河、极东开发、福冈工业、花见台等,这些厂家生产的清障车曾一度占据亚洲各国市场。但从2000年开始,随着日本国内制造成本的增加,大多数厂家开始放弃常规型号清障车上装的生产,反而选用美国、中国等企业生产的上装,进口后与日本本土底盘组装成清障车成品,再销售给用户。
  尽管有近70年生产、使用清障车的历史,但日本却没有专门论述清障车的标准和法规。对清障车的一些相关要求,只在一些通用的汽车标准中有所述及,如在日本运输省颁布的《道路运送车辆的安全标准》中,对清障车托举能力的计算就有详细的规定。
  日本汽车标准中要求计算清障车托举质量的由来
  据福冈工业株式会社介绍,该公司于1959年9月17日生产了第一辆清障车。而后,该车被运往东京品川陆运事务所办理上牌手续,就在检验结束,检验官签发合格证时,随口问了一句:“这台车能托起几吨?”这随口一问,可把他们公司的人问倒了。因为在当时的日本,清障车还是一种新车型,没有相应的法规来衡量和判定其能力的大小,所以大家都对如何计算清障车的托举能力一无所知,无法可依。
  此事过后,福冈工业株式会社会同日本政府的相关部门经过充分讨论和试验后,在日本运输省颁布的《道路运送车辆的安全标准》中第5条作出规定,清障车托牵行驶时,必须符合两个基本条件:
  a、前轴条件:清障车在进行托牵行驶作业时,必须“托得起并能平稳地行驶”。即在托起负载行驶状态下,清障车转向轴的轴荷必須大于或等于清障车前、后轴实际负荷的20%。
  b、后轴条件:清障车在进行托牵行驶作业时,必须“不仅能托起,且还不会被损坏”。即在托起负载行驶状态下,清障车后轮(或后轴)的实际负荷不能超过其允许负荷的限值。
  从此以后,清障车在上牌卑批时,也需按照这两条规定确定其托举质量,并存档备查。
  日本汽车标准中托举质量的计算
  根据上述的前轴、后轴条件,可将其列出计算公式,以便能快速计算出清障车的托举质量。
  此后,清障车在上牌审批时,也需按照这两条规定确定其托举质量,并存档备查。
  1.前轴条件的计算公式
  清障车在托牵行驶状态下,清障车尾部托起一辆事故车,如图i所示。由图1分析可知,事故车的一端被托起离地后,被托起端的质量就会全部转移到清障车的后轴上,设定转移的质量为P,也即清障车所能托起的托举质量为P。
  由杠杆原理可知,托起事故车一端后,清障车的前轴也将被抬起,即清障车前轴的轴荷会减轻,所减轻的负荷也会转移到后轴上。设定前轴所转移到后轴的质量为G,即
  G=Pe/L
  式中,P为清障车托举质量;e为后托距,指清障车后轴中心至托举中心的距离;L为轴距。
  那么,按前轴条件“在托起负载行驶状态下,清障车的转向轴轴荷必须大于或等于清障车前、后轴实际负荷的20%”的规定,清障车前轴条件下的托举质量P1的计算公式为:P1=L(4F-R)/(L+5e)
  式中,P1为前轴条件下的托举质量;F为空载时前轴质量,含司乘3人,65kg/人;R为空载时后轴质量。
  下面以某宽体驾驶室清障车为例,计算其前轴条件下的托举质量,该清障车的具体参数如表1所示。
  将表1的参数代入公式,计算可得P1=1392kg,即该清障车在前轴条件下的托举质量为1392kg。可知,在满足前轴有足够转向负荷的前提下,该清障车在距后轴中心1850mm处最大能托起1392kg的负荷。
  2.后轴条件的计算公式
  托起负载行驶状态下,清障车后轮(或后轴)的实际负荷不能超过其允许负荷的限值。由图1分析可知,清障车托牵行驶时,后轴的实际负荷等于后轴自重、前轴所转移到后轴的负荷及托举质量三者之和。清障车后轴条件下的托举质量P2的计算公式为:
  P2=L(TR-R)/(L+e)
  式中,P2为后轴条件下的托举质量;TR为后轴轮胎的最大允许负荷4480kg。
  根据表1的参数计算可得清障车后轴条件下的托举质量P2=1282.5kg,即该清障车后轴条件下的托举质量为1282.5kg。可知,在满足后轴(后轮胎)不超过其允许负荷时,该清障车在距后轴中心1850mm处最大能托起1282.5kg的负荷。
  3.比较前后轴条件下的P值
  对比P1和P2的计算结果,数值小的P值即为该车最大托举质量。取较小P值作为清障车的托举质量,不仅能保证清障车有足够的转向负荷,而且能保证后轴及后轮处于安全限值内。当然,在实际托举作业时,上装中的各个部件也需符合该托举质量下所需的强度和刚度。
  影响清障车托举质量的因素
  由上述公式可知,清障车的托举质量与轴距、空载下的前后轴荷、后托距等因素有关。通过改变某个因素的数值,分析托举质量的变化趋势,这对研究底盘与上装在性能上的最佳匹配,以及用户安全合理使用清障车都是很有参考价值的。下面以某轻型清障车为例,按照前轴条件下对其进行计算,说明各参数对托举质量的影响。为了更好地比较各参数的变化与托举质量的关系,下面将以图示形式来对比各参数下的托举质量。
  1.司乘人员的因素
  表1假定的清障车是宽体驾驶室,允许3人乘坐。但在实际的车辆产品中,轻型清障车大多为窄体驾驶室,一般允许2人乘坐;且在实际清障救援中,往往也只有操作人员1人乘坐。表2为某窄体驾驶室清障车的相关参数。
  假设减少2个司乘人员后,将由表2的参数代入前轴条件下的计算公式,得出托举质量P1窄=1276kg。由此可看出,司乘人员越少,托举质量尸也会相应减小。下面的图示中,均以P1窄=1276kg来对比各因素变化得出的相应P值。   2.后托距的因素
  现改变表2中的后托距e的数值,假定e改l=2150mm和e改2=2450mm,其他参数不变,那么分别计算可得:P改l=1130kg和P改2=1017kg,如图2所示。
  从图2中可清楚看出,后托距e越大,清障车的托举质量P1就越小。
  图2后托距对托举质量的影响
  3.轴距因素
  一般来说,轴距越长,清障车的整备质量也会相应増大。但本文假定轴距增长,其前后轴的质量不变。
  改变表2中的后轴距L的数值,假定L改l=2500mm和L改2=3400mm,其他参数不变,那么分别可得P1改l=l163kg和P1改2=1470kg。将这种轴距的托举能力与轴距为2800mm时的计算结果进行对比,如图3所示。可见,清障车的轴距越长,托举质量也相应增大。
  4.配重因素
  给清障车前轴安装配重,这是生产企业为了提高整车的托举质量而经常采用的方法之一。在实际生产中,增加配重的方式有两种,一种是在清障车前悬保险杠下加配重;另一种是在驾驶室背后加配重。假定分别在前悬保险杠下加150kg,在驾驶背后加600kg的配重,按前轴条件下计算,可分别得到托举质量尸P1配l=1468kg和P1配2=1394kg。将这二种加配重与未加配重下的托举质量在图上标识出来对比,如图4所示。
  由图4可看出,在前保险杠安装配重,确实更能有效地提高清障车的托举质量。但是其缺点也较为明显,因为增加了前轴车架悬挂系统的负载,降低了驾乘的舒适感,钢板弹簧的使用寿命也相应降低了。且近几年生产的新底盘前悬下部增加了减震装置和气囊感应器,以及碰撞紧急刹车传感器等装置,在前悬挂保险杠下部的空间已无法再供改装企业加装配重了。
  而与在前悬挂保险杆下部加配重相比,在驾驶室背后加装配重的方法,对提高整车的托举质量的效果却不是很明显,需比前者増加更重的配重,才能得到相同的托举质量。
  5.驾驶室背后配装常规吊臂或隨车吊
  目前清障车通常都配有吊臂或随车吊装置,如图5所示。配装常规的吊臂时,在保证有足够的起吊空间下,驾驶室背后还可布置工具箱,以便存放较多的清障救援工具。而配装随车吊装置,由于空间的限制,通常需将其直接装在驾驶室背后。这样反而可以增大前轴的质量。
  根据分别配装了这两种起吊装置的清障车实际参数,可计算其托举质量,如图5所示。因为随车吊装置直接安装在驾驶后背,増加了前轴负荷,从而可以得到较大的托举质量。
  但在实际的清障作业中,这两种起吊装置各有优势,难分高下。配装了随车吊的清障车,托举质量虽然稍大点,其吊机的作业也更灵活些。但配装常规吊臂的清障车,在成本、起吊、牵拉、扶正等方面的优势也是相当明显的。
  结语
  影响清障车托举能力的因素,除了底盘自身的轴距、轴荷等以外,还跟清障车生产企业的上装有关。如上装采取轻量化设计,使空载时后轴轴荷尽可能小,从而能够提高清障车的“后轴条件”下的托举质量;或者在同等质量下布置上装,如能将上装的质心前移靠近前轴,亦能够提高清障车的“前轴条件”下的托举质量。
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