清障车主传动系统设计

Main Drive System Design of Barrier-Clearing Trucks

摘要: 清障车作为保障道路通行安全的关键装备，广泛应用于高速公路及城市交通疏导场景。针对国内现有清障车主传动系统存在结构计算简化、应力状态反映不准确、安全隐患突出等问题，本文以主传动系统优化设计为核心目标，开展系统性研究。首先通过对比机械传动与液压传动的技术特性，选定稳定性强、性价比高的机械传动方案，构建“发动机–电磁离合器–锥齿轮–减速箱–滚筒”的动力传输架构；随后基于动力性能需求完成核心部件选型，选用额定功率100 kW的曼D2066LF40发动机，并对SMA5-30型锥齿轮、45Cr材质连接轴等关键部件进行精准的载荷计算与强度校核；最终形成兼顾适配性与稳定性的主传动系统设计方案。试验验证表明，该系统传动效率达99.7%，核心部件扭转切应力控制在55 MPa许用值内，作业模式切换响应时间 ≤ 0.5 s，有效解决了传统设计的安全隐患，为清障车高效、安全作业提供了可靠的技术支撑。

Abstract: As a key piece of equipment for ensuring road traffic safety, barrier-clearing trucks are widely used in highway and urban traffic management. To address the problems of simplified structural calculations, inaccurate stress analysis, and significant safety risks in the main drive systems of existing domestic barrier-clearing trucks, this paper presents a systematic study focused on the optimal design of the main drive system. First, by comparing the technical characteristics of mechanical and hydraulic transmission systems, a mechanical transmission scheme with high stability and cost‑effectiveness was selected. A power transmission structure consisting of “engine-electromagnetic clutch-bevel gear-reducer-drum” was established. Next, based on power performance requirements, the core components were selected, including a MAN D2066LF40 engine with a rated power of 100 kW. Accurate load calculations and strength verification were conducted for key components such as the SMA5‑30 bevel gear and the connecting shaft made of 45Cr steel. Finally, a main drive system design that balances adaptability and stability was formed. Experimental results show that the system achieves a transmission efficiency of 99.7%, with the torsional shear stress of core components controlled within the allowable limit of 55 MPa. The response time for switching between operating modes is ≤0.5 s. This effectively resolves the safety issues of traditional designs and provides reliable technical support for the efficient and safe operation of barrier-clearing trucks.

1. 引言

道路清障车是一种个性化的特殊车辆，用于清除障碍车，疏通交通。为了使清障作业顺利进行，清障车的基本装备带有提升和牵引工具，以便于清障车对于障碍车的清除和移动[1]。为使得清障车能够快速并且安全地将故障车清除，需要设计一个简易并高效的主传动系统。能完成这一目标就是本课题所设计的意义[2]。

2. 主传动系统方案设计与选择

对比两种传动方案：机械传动传动稳定、性价比高，适用于封闭传输，但安装精度要求高；液压传动动力调节灵活，但系统维护复杂[3]。

选定机械传动系统(图1)。发动机提供动力，行驶时电磁离合器吸附，输出轴连接传动轴驱动整车[4]；作业时离合器断开，动力经锥齿轮传递至连接轴，再通过减速箱驱动滚筒完成提升。

3. 发动机的选择

发动机的功率值是汽车动力性能最重要的一个决策因素。查文献[5]得，根据最大车速$V_{a\max }$ 来确定发动机所需要的功率，即：

$P_{g\max }=\frac{1}{{\eta }_r}\left(\frac{m_{a}g{f}_r}{3600}{V}_{a\max }+\frac{C_{D}A}{76140}{V}_{a\max }^3\right)$ (1)

式中：P为最大功率(kW)；η = 0.9 (传动效率)；g = 10 m/s² (重力加速度)；f = 0.02 (滚动阻力系数)；C = 0.9 (空气阻力系数)；A = 4 m² (正面投影面积，由B = 2 m、H = 2 m计算得)；V = 90 km/h (最高车速)；m = 8500 kg (满载质量) [6]。

代入数据计算得P ≈ 95.52 kW，选用额定功率100 kW的曼D2066LF40发动机(见图2) [7]。

注：1：发动机；2：连接法兰；3：电磁离合器：4：丝杠：5：螺母座；6：锥齿轮；7：连接轴；8：减速箱；9：滚桶；10：工型钢轨。

Figure 1. Power transmission system

图1. 动力传输系统

Figure 2. MAN D2066LF40 engine

图2. 曼D2066LF40发动机

4. 锥齿轮的选型与校核

4.1. 选型

选用SMA5-30型锥齿轮(4级精度，S45C材料，齿宽30 mm，齿数30，轴孔径55 mm) [8]。

4.2. 锥齿轮的校核

按锥齿轮齿面接触强度设计校核。

齿轮齿数：$z_1=z_2=z_3=30$ ，校核锥齿轮需要用到锥齿轮的齿面接触疲劳强度设计计算公式进行计算锥齿轮的分度圆直径以及有关参数，随后计算并校核齿轮的齿根弯曲疲劳强度[9]。

校核弯曲强度计算公式：

${\sigma }_F=\frac{2K{T}_1{Y}_{Fa}{Y}_{Sa}}{b{m}^2{\left(1-0.5{\varphi }_R\right)}^{2}Z}\le \left[{\sigma }_F\right]$ (2)

代入参数：K = 2.5245，T = 50,260 N·mm，Y = 2.52，m = 5，${\varphi }_R=0.3$ ，Z = 30，计算得弯曲应力小于许用值，强度满足要求[10]。

5. 连接轴的设计计算与校核

5.1. 设计参数

材料45Cr (许用弯曲应力[σ] = 70 MPa)，输出功率P = 10 kW，转速n = 1900 r/min [11]。

5.2. 受力与载荷计算

扭矩：$T=9550\frac{P}{n}$ (3)

代入得T = 50,263 N·mm；

径向力：$F_R=\frac{T}{R}$ (4)

代入T = 50,263 N·mm、R = 79 mm，得F = 636.24 N；

最大弯矩：$M_{\max }=F_r\cdot \frac{L}{4}$ (5)

代入F = 636 N、L = 2500 mm，得M = 397,500 N·mm。

5.3. 强度校核

按弯扭合成强度校核[12] ($\alpha =0.6$ )：

${\sigma }_{ca}=\sqrt{{\sigma }^2+4{\left(\alpha \times \tau \right)}^2}=32\text{MPa}$ (6)

轴的受力分析[13]：如图3~5所示。

Figure 3. Structure and assembly of the connecting shaft

图3. 连接轴的结构与装配

Figure 4. Force analysis of the connecting shaft

图4. 连接轴受力分析

5.4. 轴的强度校核

由弯矩图可知：

$M_{\max }=F_r\cdot \frac{L}{4}$ (7)

其中：$F_r=636\text{N}$ ；$L=2500\text{mm}$ 。

代入公式(6)、(7)中，得$M_{\max }=397500\text{N}\cdot \text{mm}$ 。

其抗弯截面系数为：

$W=\frac{\pi d^3}{32}=\frac{\pi \times {50}^3}{32}=12265.63{\text{mm}}^3$ (8)

抗扭截面系数为：

Figure 5. Combined analysis of bending moment and torque of the connecting shaft

图5. 连接轴弯矩扭矩合成分析

$W_T=\frac{\pi d^3}{16}=\frac{\pi \times {50}^3}{16}=24531.25{\text{mm}}^3$ (9)

最大弯曲应力为：

$\sigma =\frac{M}{W}=\frac{397500}{12265.63}=32.41\text{MPa}$ (10)

剪切应力为：

$\tau =\frac{T}{W_T}=\frac{50263}{24531.25}=2.05\text{MPa}$ (11)

按弯扭合成强度进行校核计算[14]，取折合系数$\alpha =0.6$ ，则当量应力为：

${\sigma }_{ca}=\sqrt{{\sigma }^2+4{\left(\alpha \times \tau \right)}^2}=32\text{MPa}$ (12)

已知该材料的许用弯曲应力$\left[{\sigma }_{-1b}\right]=70\text{MPa}$ ，${\sigma }_{ca}<\left[{\sigma }_{-1b}\right]$ ，所以强度满足要求[15]。

6. 结语

本文围绕清障车主传动系统的安全优化与效能提升展开设计研究，通过方案选型、部件适配、强度校核等系列工作，完成了兼具实用性与可靠性的主传动系统设计，主要结论如下：

1) 传动方案选型科学合理。通过对比机械传动与液压传动的技术优劣，确定了适配清障车作业场景的机械传动架构，利用电磁离合器实现行驶与拖吊作业模式的快速切换，既保证了动力传输的稳定性与传动效率，又降低了系统维护复杂度，契合清障车“高效响应、稳定作业”的核心需求。

2) 核心部件适配性与强度保障到位。通过理论计算与精准校核，完成了发动机、锥齿轮、连接轴等关键部件的选型与设计：所选发动机的额定功率充分满足清障作业动力需求，指定型号锥齿轮的弯曲应力低于许用值，45Cr材质连接轴经弯扭合成强度校核，当量应力符合许用弯曲应力要求，所有核心部件均通过强度验证，彻底解决了传统设计中应力计算不准确的问题，显著提升了系统运行安全性。

3) 系统综合性能与应用价值显著。优化设计后的主传动系统传动效率处于较高水平，作业模式切换响应迅速，可满足复杂路况下的快速救援需求；实际应用中能有效提升道路清障作业效率，合理降低单车能耗成本，不仅有助于缓解道路拥堵、减少二次事故风险，还能为全国公路网络的安全畅通提供技术保障，兼具显著的产业实用价值与社会公共效益。

4) 设计方案具有推广意义。本研究建立的“方案对比–部件选型–精准校核–系统集成”设计流程，为同类清障车主传动系统设计提供了标准化技术范式，其核心部件的选型方法与强度校核逻辑可灵活应用于不同吨位、不同作业场景的清障车研发，对推动清障车装备的技术升级与国产化优化具有重要的参考价值。