龐建中 史全勝 宋建新 文

隨著空運(yùn)能力的提升和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)跨域快速反應(yīng)的需求，部分軍用重型汽車(chē)需要搭載運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程投放。

C-130運(yùn)輸機(jī)是由美國(guó)洛克希德公司在20世紀(jì)50年代研制的多用途戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)，是世界上設(shè)計(jì)最成功、使用時(shí)間最長(zhǎng)、服役國(guó)家最多的運(yùn)輸機(jī)之一，全球總產(chǎn)量超過(guò)2 300架。C-130運(yùn)輸機(jī)機(jī)艙段有效全長(zhǎng)12.19 m，機(jī)艙高度2 590 mm，寬度2 717 mm，機(jī)艙承載能力1萬(wàn)5 400 kg，如圖1所示。

目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的重型越野汽車(chē)底盤(pán)整車(chē)高度均超過(guò)3 m，底盤(pán)整備質(zhì)量超過(guò)1萬(wàn)kg，無(wú)法滿(mǎn)足C-130運(yùn)輸機(jī)的要求。現(xiàn)已成功開(kāi)發(fā)出當(dāng)今國(guó)內(nèi)最輕、載質(zhì)量最大的符合C-130運(yùn)輸機(jī)載運(yùn)的6×6重型越野車(chē)底盤(pán)。下面，基于該車(chē)型成功開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，介紹一下該款降高、重載、輕量化的越野底盤(pán)的布置和設(shè)計(jì)方法。

1 總布置及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

總布置需要綜合考慮總體單位要求所提出的整車(chē)高度、接近角、上裝可利用長(zhǎng)度等尺寸參數(shù)，底盤(pán)整備質(zhì)量、軸荷等質(zhì)量參數(shù)和各項(xiàng)通過(guò)性參數(shù)，車(chē)架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等安裝空間和性能的實(shí)現(xiàn)，確?？偛贾玫暮侠砘妥顑?yōu)化。最終確定底盤(pán)的總布置方案為在已有定型底盤(pán)基礎(chǔ)上將駕駛室前置設(shè)計(jì)，動(dòng)力系統(tǒng)后移，動(dòng)力輔助系統(tǒng)上置到駕駛室后部的車(chē)架上面，懸架系統(tǒng)采用成熟模塊降高[1]。底盤(pán)外形圖如圖2、3所示。

圖1 C-130運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

底盤(pán)總布置設(shè)計(jì)分為降高設(shè)計(jì)、總體布置設(shè)計(jì)、相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和輕量化設(shè)計(jì)。

1.1 降高設(shè)計(jì)

根據(jù)總體單位要求給定的整車(chē)高度指標(biāo)，基于車(chē)輛上下飛機(jī)時(shí)傾斜的可能性，確定底盤(pán)高度不高于2 550 mm，選擇高度合適的駕駛室并將駕駛室前置、懸架采用少片簧結(jié)構(gòu)降高等措施，使底盤(pán)高度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1.1.1駕駛室前置低位布置

為滿(mǎn)足底盤(pán)高度要求，在設(shè)計(jì)之初首先選擇一款成熟的駕駛室，并根據(jù)駕駛室的外形尺寸，結(jié)合設(shè)計(jì)要求(例如駕乘人數(shù)，接近角等)，將駕駛室安裝位置進(jìn)行前置并降低其高度，以實(shí)現(xiàn)整車(chē)高度降低。

與原基型平臺(tái)車(chē)型相比，底盤(pán)前懸位置前置840 mm，設(shè)計(jì)指標(biāo)為2 250 mm，如圖4。

1.1.2車(chē)架

為實(shí)現(xiàn)駕駛室前置的布置實(shí)施方案，在成熟車(chē)架基礎(chǔ)上進(jìn)行前懸加長(zhǎng)并降低原平臺(tái)車(chē)型設(shè)計(jì)高度。

設(shè)計(jì)下沉式前接梁，與現(xiàn)有車(chē)架前懸部分采用螺栓聯(lián)接，加長(zhǎng)車(chē)架前部(如圖5)，在確保接近角的前提下，實(shí)現(xiàn)駕駛室的前置和降低。由于底盤(pán)總體姿態(tài)的降低，出現(xiàn)了分動(dòng)器到前驅(qū)動(dòng)軸之間傳動(dòng)軸與車(chē)架元寶梁、發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼、離合器殼等的干涉問(wèn)題，為了滿(mǎn)足總布置要求，將元寶梁取消，增加一處橫梁(CAE分析剛度、強(qiáng)度均滿(mǎn)足要求)，既起到車(chē)架加強(qiáng)的作用，又起到傳動(dòng)系中間支撐的作用，并限制了傳動(dòng)軸跳動(dòng)，消除了與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼、離合器殼的干涉隱患(如圖6)。

1.1.3 懸架

基于底盤(pán)高度的要求，確定車(chē)架高度，底盤(pán)前懸架采用少片簧結(jié)構(gòu)，后懸架采用斷開(kāi)式平衡懸架結(jié)構(gòu)(如圖7～8)。

少片簧與多片簧相比，應(yīng)力分布更為合理，同時(shí)片數(shù)減少，片間摩擦減少，運(yùn)動(dòng)噪聲也隨之減少。

斷開(kāi)式平衡懸架消除了傳統(tǒng)的懸架結(jié)構(gòu)中平衡軸和傳動(dòng)軸、推力桿之間的干涉點(diǎn)，使得驅(qū)動(dòng)橋的上跳空間變大，在合理保證車(chē)橋跳動(dòng)的情況下，有效降低了車(chē)架高度。分體懸架采用V型推力桿，由于三角形的穩(wěn)定性好，使得V型推力桿具有良好的橫向定位作用，驅(qū)動(dòng)橋的橫向竄動(dòng)距離減小，可以提高懸架平衡軸的使用壽命，也可減少驅(qū)動(dòng)橋輪胎的磨損，提高車(chē)輛橫向穩(wěn)定性。為了確保整車(chē)的操縱穩(wěn)定性，前后懸架均設(shè)計(jì)有穩(wěn)定桿。

1.2 其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于采用駕駛室前置降高設(shè)計(jì)，導(dǎo)致目前主流的動(dòng)力系統(tǒng)布置在駕駛室底盤(pán)下方的布置方式無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，因此將動(dòng)力總成后移、動(dòng)力輔助系統(tǒng)調(diào)整到駕駛室后部的車(chē)架上面，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)也作出相應(yīng)調(diào)整，以保證底盤(pán)高度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1.2.1 動(dòng)力系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)

圖2 2634A底盤(pán)側(cè)視圖

圖3 2634A底盤(pán)俯視圖

圖4 底盤(pán)駕駛室前置和原平臺(tái)車(chē)型駕駛室位置對(duì)比

圖5 前懸加長(zhǎng)示意圖

圖6 傳動(dòng)系中間支撐

圖7 前懸架結(jié)構(gòu)

將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體后移至駕駛室后部的車(chē)架內(nèi)側(cè)，這一部分的上部空間，正好布置散熱系統(tǒng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)布置于發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)上方，散熱系統(tǒng)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)上方(如圖9)，既滿(mǎn)足總布置要求，又可確保整車(chē)的通過(guò)性和涉水性能要求。

1.2.2 冷卻系統(tǒng)

由于駕駛室低位布置，冷卻系統(tǒng)原有空間被占用，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)本體與冷卻系統(tǒng)分離，冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇所需的動(dòng)力采用了液壓驅(qū)動(dòng)形式，由發(fā)動(dòng)機(jī)取力帶動(dòng)液壓泵，油泵驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系的散熱。液壓驅(qū)動(dòng)裝置主要由驅(qū)動(dòng)軸、液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓油壺、油冷器等組成。由于總布置的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)的取力器位于后部，與上裝干涉，無(wú)法利用動(dòng)力輸出，故采用發(fā)動(dòng)機(jī)前端曲軸動(dòng)力輸出，液壓泵布置于發(fā)動(dòng)機(jī)前端，采用驅(qū)動(dòng)軸輸出動(dòng)力到液壓泵(如圖10)，液壓馬達(dá)、油冷器和液壓油壺布置在組合框架上方。液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖11所示。

1.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)布置

為適應(yīng)動(dòng)力總成后移并提高底盤(pán)通過(guò)性，對(duì)分動(dòng)器布置位置進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。調(diào)整完畢后，為了消除前橋極限跳動(dòng)時(shí)，分動(dòng)器到前橋的傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼和離合器殼干涉，在前橋與分動(dòng)器之間車(chē)架部位設(shè)計(jì)了橫梁，既可提升車(chē)架的剛度和強(qiáng)度，又可在橫梁上設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)中間支撐(見(jiàn)圖6)，以限制傳動(dòng)軸的跳動(dòng)，從而消除了運(yùn)動(dòng)干涉。

1.2.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

由于駕駛室前置以及底盤(pán)降高，在保證操縱輕便性和行駛安全性的基礎(chǔ)上，依據(jù)選用成熟零部件以及保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計(jì)原則，采取轉(zhuǎn)向機(jī)后移、臥式布置方式[2]，如圖12。

1.3 輕量化設(shè)計(jì)

由于C-130運(yùn)輸機(jī)承載質(zhì)量有限，受上裝承載質(zhì)量的限制，設(shè)計(jì)輸入提出了明確的底盤(pán)整備質(zhì)量指標(biāo)要求，因此底盤(pán)要在確保汽車(chē)綜合性能指標(biāo)不降低的基礎(chǔ)上對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，這樣不僅可以提升底盤(pán)的燃油經(jīng)濟(jì)性能，還能夠改善底盤(pán)動(dòng)力性能、制動(dòng)性能。提高底盤(pán)可靠性和使用壽命主要圍繞新材料、新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)3個(gè)方面展開(kāi)[3]。

圖8 后懸架結(jié)構(gòu)

圖9 動(dòng)力模塊布置

圖10 液壓泵安裝位置

圖11 風(fēng)扇液壓驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖12 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

1.3.1 新材料

新材料選擇鋁合金材質(zhì)進(jìn)行降重。鋁合金是一種輕質(zhì)金屬，是底盤(pán)輕量化的理想材料，主要特點(diǎn)為密度小，比強(qiáng)度和比剛度高，還具有彈性和抗沖擊性能好、耐腐蝕、耐磨、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱等特點(diǎn)。

底盤(pán)變速器、油箱、壓縮空氣儲(chǔ)氣瓶和車(chē)輪等均采用鋁合金材質(zhì)，通過(guò)采用鋁合金材料，相對(duì)于基礎(chǔ)車(chē)型來(lái)說(shuō)，可減輕280 kg左右。

1.3.2 新結(jié)構(gòu)

1.3.2.1 懸架

底盤(pán)前后懸架鋼板彈簧全部選擇少片簧(4片簧)，與多片簧相比質(zhì)量可減輕約40%。同時(shí)，后懸架選用斷開(kāi)式平衡懸架，相比整體式平衡懸架質(zhì)量約降低210 kg，合計(jì)降低質(zhì)量約270 kg。

1.3.2.2 駕駛室

駕駛室白車(chē)身也進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。駕駛室白車(chē)身采用了輕量化的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度高的骨架蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合。駕駛室頂蓋在使用中會(huì)受到較強(qiáng)沖擊，因此需要有較高強(qiáng)度，頂蓋采用了橫縱梁骨架，外加1 mm厚蒙皮結(jié)構(gòu)。底板的縱梁與懸置連接，行駛中受力較大，如果使用單一厚板成形，至少需要4～5 mm厚的材料；為了降重而不降低強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)采用了1.75+1.75 mm雙層復(fù)合成形，使其整體的料厚減薄，自質(zhì)量減少，但強(qiáng)度相當(dāng)。駕駛室后圍和前圍，受力主要為顛簸時(shí)的扭轉(zhuǎn)力，為控制自質(zhì)量采用內(nèi)外板復(fù)合結(jié)構(gòu)，內(nèi)外板形成空腔，增大橫截面積，提高車(chē)身的抗扭。通過(guò)以上措施將駕駛室質(zhì)量降低了100 kg。

1.3.2.3 輪胎

為同時(shí)滿(mǎn)足整車(chē)高度及承載的需求，底盤(pán)選型365/85R20-20PR輪胎，輪胎直徑與12.00R20相同，斷面寬度、承載能力與14.00R20相同，花紋為越野花紋，兼具了降高、承載能力和輕量化的要求，速度級(jí)別G(90 km/h)，滿(mǎn)足四級(jí)公路運(yùn)輸要求。通過(guò)輪胎的選型應(yīng)用，底盤(pán)相對(duì)于原車(chē)型降重520 kg。

1.3.3 新技術(shù)

新技術(shù)主要是通過(guò)應(yīng)用CAE有限元分析技術(shù)，優(yōu)化制造工藝，主要是對(duì)車(chē)架襯梁進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

襯梁在幅高以及翼面不變的情況下，參照有限元分析結(jié)果，在幅面開(kāi)多個(gè)不規(guī)則的減重孔，孔的橫向距離不大于1 000 mm，孔與孔之間的筋不小于80 mm，孔與上下翼面間距不小于60 mm，傳遞力的部位保持整體設(shè)計(jì)，如圖13。該輕量化車(chē)架雖為襯梁結(jié)構(gòu)，仍可保證車(chē)架的扭轉(zhuǎn)剛度以及彎曲剛度，能滿(mǎn)足惡劣路況使用。

2 技術(shù)難點(diǎn)及解決

由于底盤(pán)的高度、整備質(zhì)量和載質(zhì)量的限制及高要求，在底盤(pán)設(shè)計(jì)中有以下難點(diǎn)并得以解決。

2.1 冷卻系統(tǒng)液壓泵的布置

由于駕駛室低位布置，冷卻系統(tǒng)原有空間被占用，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)本體與冷卻系統(tǒng)分離，按照總布置設(shè)計(jì)要求，冷卻系統(tǒng)布置于發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)上方。冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇由液壓驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)取力帶動(dòng)液壓泵，液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系的散熱。

由于總體總布置對(duì)底盤(pán)的限制，當(dāng)從發(fā)動(dòng)機(jī)后部取力時(shí)，液壓泵本體與上裝干涉，為了獲取動(dòng)力，確定采用發(fā)動(dòng)機(jī)前端曲軸輸出動(dòng)力，通過(guò)傳動(dòng)軸和聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出，驅(qū)動(dòng)液壓泵(如圖10)，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的工作。該布置方式在保證了總布置設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，既實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力輸入，又減少了發(fā)動(dòng)機(jī)后取力輸出口，同時(shí)還降低了發(fā)動(dòng)機(jī)成本(發(fā)動(dòng)機(jī)成本降低約為1萬(wàn)元 )。

圖13 襯梁輕量化示意圖

2.2 分動(dòng)器到前驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼離合器殼干涉解決

為了保證駕駛室內(nèi)部駕乘空間，發(fā)動(dòng)機(jī)后移，相對(duì)于原平臺(tái)車(chē)型，發(fā)動(dòng)機(jī)后移了221.7 mm。前驅(qū)動(dòng)橋在極限上跳的情況下，分動(dòng)器到前驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)軸和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼、離合器殼產(chǎn)生干涉。為了消除干涉，在發(fā)動(dòng)機(jī)底部車(chē)架上增加了下橫梁(見(jiàn)本文1.2.3)，從而解決了運(yùn)動(dòng)干涉等問(wèn)題。

2.3 冷卻系統(tǒng)滿(mǎn)足高溫性能與噪聲控制的解決

由于發(fā)動(dòng)機(jī)后移出駕駛室，駕駛室對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)降噪的作用減小，按照總布置設(shè)計(jì)，進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)布置于發(fā)動(dòng)機(jī)左上側(cè)，散熱系統(tǒng)布置于發(fā)動(dòng)機(jī)右上側(cè)。主要噪聲源全部暴露在駕駛室外側(cè)，增大了噪聲控制的難度。

同時(shí)總體單位要求底盤(pán)最高工作環(huán)境溫度為+55℃，這就要求在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及散熱系統(tǒng)進(jìn)行降噪的同時(shí)，還要考慮預(yù)留足夠的通風(fēng)空間。因此，增加散熱系統(tǒng)散熱量和降低噪聲成為了設(shè)計(jì)的主要矛盾。

通過(guò)理論建模和多輪試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定的方案為：

a.發(fā)動(dòng)機(jī)上方、左右側(cè)增加隔音罩，但后部不安裝護(hù)罩，既可降低整車(chē)噪聲，又可確保底盤(pán)的高溫環(huán)境適應(yīng)性；

b.匹配電子風(fēng)扇，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度，自動(dòng)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，有效降低風(fēng)扇無(wú)效功，并同時(shí)降低噪聲功率，有效改善車(chē)外噪聲；

c.進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)集成框架護(hù)罩設(shè)計(jì)為長(zhǎng)條散熱孔，以提高散熱效率。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，底盤(pán)順利通過(guò)了汽車(chē)加速行駛車(chē)外噪聲測(cè)試和+55℃有載高溫?zé)崞胶馀_(tái)架試驗(yàn)。

2.4 底盤(pán)輕量化與大承載矛盾的解決

由于C-130運(yùn)輸機(jī)承載質(zhì)量有限，總體單位提出了明確的底盤(pán)整備質(zhì)量指標(biāo)要求，同時(shí)還提出了越野載質(zhì)量的要求。底盤(pán)越野載質(zhì)量相對(duì)于原平臺(tái)車(chē)型的越野軸載質(zhì)量增加了6 000 kg。

為了解決底盤(pán)輕量化設(shè)計(jì)和大承載的矛盾，對(duì)車(chē)架、懸架進(jìn)行了多輪CAE有限元分析，車(chē)架部分對(duì)應(yīng)力較大區(qū)域進(jìn)行了局部調(diào)整，增加下橫梁，延長(zhǎng)襯梁長(zhǎng)度，采用高承載少片簧懸架，在滿(mǎn)足輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)有效保證了底盤(pán)的承載能力。

3 驗(yàn)證情況

按照GJB 4527-2002《軍用越野汽車(chē)設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)規(guī)程》要求，底盤(pán)完成了各項(xiàng)性能試驗(yàn)和3萬(wàn)km可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到技術(shù)要求，具體關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1 低位型底盤(pán)技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證與原平臺(tái)車(chē)型技術(shù)參數(shù)比較

4 總結(jié)

本文基于某低位重型越野底盤(pán)成功設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，介紹了一種滿(mǎn)足降高、輕量化、大承載需求的低位型重型越野底盤(pán)的總布置設(shè)計(jì)方法；在參照同類(lèi)車(chē)型總布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重要的設(shè)計(jì)改進(jìn)，在保證設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上提高了底盤(pán)的越野性能、動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)重型越野車(chē)輛的空運(yùn)需求。底盤(pán)嚴(yán)格按照基型車(chē)狀態(tài)定型要求完成了性能和可靠性試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了總體設(shè)計(jì)方案的合理性、可行性，完全滿(mǎn)足用戶(hù)需求。

上述方法和經(jīng)驗(yàn)可為行業(yè)中解決車(chē)輛特殊需求提供參考。通過(guò)對(duì)不同用途底盤(pán)總布置的不斷探索，逐步提升重型越野底盤(pán)的總體布置設(shè)計(jì)能力。