王理然 　龐建中 　李明文 　陳勇 　宋建新

摘 要：本文對已定型的軍用標(biāo)準(zhǔn)寬度（寬度≤2500mm）的8×8底盤（4038A）公路承載能力不足30噸為切入點進行車輛設(shè)計工作，圍繞著以提升底盤承載能力為的目的，對各項技術(shù)指標(biāo)進行總體設(shè)計、分系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)過試驗驗證，設(shè)計完成的5038A進型號底盤符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：軍用 二類底盤 8×8 承載能力 標(biāo)準(zhǔn)寬度

Improvement of the Load-bearing Capacity of the Military 8×8 Class II Chassis

Wang Liran Pang Jianzhong Li Mingwen Chen Yong Song Jianxin

Abstract：This article takes the finalized military standard width （width ≤2500mm） 8×8 chassis （4038A） with a highway bearing capacity of less than 30 tons as the starting point for vehicle design work， and focuses on the purpose of improving the chassis bearing capacity. The overall design and sub-system design of the technical indicators have been verified by experiments， and the designed 5038A chassis meets the design requirements.

Key words：military， second-class chassis， 8×8， carrying capacity， standard width

1 緒論

1.1 現(xiàn)有軍用8×8標(biāo)寬車輛承載能力的現(xiàn)狀

基于公路、鐵路裝備運輸?shù)男枰?，軍方及國?nèi)軍工企業(yè)對標(biāo)準(zhǔn)寬度（≤2500mm）下承載能力達(dá)30噸以上底盤的需求越來越迫切。而現(xiàn)有的軍車8×8標(biāo)準(zhǔn)寬度（≤2500mm）底盤4038A的公路承載能力僅為27000噸，已經(jīng)不能很好的適應(yīng)這一需求變化。寬體車雖然在承載能力上具備優(yōu)勢，但是底盤超寬（≥2500mm），無法被選用，因此需要開發(fā)新產(chǎn)品。

1.2 存在的問題及解決思路

承載能力與懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車架系統(tǒng)等部件系統(tǒng)的承載能力緊密相連，各系統(tǒng)承載能力的提升必然引發(fā)材料、結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致底盤外形尺寸增加，引發(fā)車輛超高、超重，同時影響了底盤的機動性。

以某研究所提出的公路承載能力為35噸的標(biāo)寬車“技術(shù)協(xié)議”作為技術(shù)指標(biāo)輸入，圍繞著機動性、高載荷等主要技術(shù)指標(biāo)，在已定型的北奔ND2400G53-4038A（8×8）底盤基礎(chǔ)上進行總體設(shè)計，同時對車架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋、懸掛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等進行優(yōu)化設(shè)計，最終形成重型8×8輪式底盤5038A（以下簡稱“5038A”），滿足公路承載能力≥30噸的需求。

2 “5038A”的總體方案設(shè)計

2.1 “5038A”的主要技術(shù)指標(biāo)及配置

圍繞著機動性、大載荷等主要技術(shù)指標(biāo)，在已定型的北奔ND2400G53-4038A（8×8）底盤基礎(chǔ)上，主要進行了整體布局設(shè)計，對轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋、車架系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等進行了優(yōu)化設(shè)計。2017年，委托具有資質(zhì)的第三方試驗機構(gòu)完成了30000km可靠性試驗及各項性能試驗，各分系統(tǒng)得到了充分驗證。平均故障間隔里程為MTBF整車4000km，遠(yuǎn)高于GJB1777規(guī)定的2000km要求;可靠性指標(biāo)為5000km，高于設(shè)計指標(biāo)要求;基層級平均修復(fù)時間MTTR=0.42613567h=26min，滿足基層級平均修復(fù)時間不大于30min的要求。

“5038A”在以已定型的4038A為原型車，對由于提升承載而可能引發(fā)變化的各項參數(shù)進行了規(guī)定。主要為：

1、行駛速度：最大行駛速度60～80km/h，最低穩(wěn)定車速≤4km/h;

2、四級以上公路續(xù)駛里程：不小于500km;

3、最大爬坡度不小于40%;

4、最大行駛側(cè)坡不小于36%;

5、總質(zhì)量48800kg，合理分配質(zhì)量

2.2 “5038A”參數(shù)計算

2.2.1 最高車速計算

以高原5500m以及平原地區(qū)兩種使用工況進行分別計算：通過發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)速等條件，同時考慮功率平衡，計算得知非高原良好公路時5038A底盤最大行駛速度為：v=74km/h，海拔5500m時v=60km/h，滿足空載時最大行駛速度≥60 km/h、≤80km/h的要求。

2.2.2 四級以上公路續(xù)駛里程

通過計算燃油箱的有效使用容積，按照限定條件下燃油消耗量（L/l00km）不大于50L/l00km計算，得到5038A底盤四級以上公路續(xù)駛里程為720km/h，滿足四級以上公路續(xù)駛里程不小于500km的要求。

2.2.3 最低穩(wěn)定車速

根據(jù)橋速比、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輪胎滾動半徑等數(shù)據(jù)，計算出5038A底盤最低穩(wěn)定車速為：，符合最低穩(wěn)定車速不大于4km/h的要求。

2.2.4 越野載質(zhì)量48800kg最大爬坡度不小于40%

以高原5500m以及平原地區(qū)兩種使用工況進行分別計算：

1、進行驅(qū)動力—附著條件校核：在選取良好干燥路面下的附著力系數(shù)、道路阻力系數(shù)，計算底盤最大爬坡度大于40%時，滿足驅(qū)動力—附著條件。

2、動力條件校核

根據(jù)空氣阻力、整車總重、變速器速比、滾動半徑、發(fā)動機扭矩等數(shù)據(jù)計算出動力因數(shù)，再根據(jù)根據(jù)驅(qū)動力條件計算最大坡度角，并進一步計算最大爬坡度，可得最大爬坡度74%，動力條件滿足爬坡度40%的要求。

2.2.5 最大行駛側(cè)坡不小于36%

結(jié)合輪距、中心距地高等數(shù)據(jù)，最大行駛側(cè)坡的計算按圖1計算：計算得到底盤最大行駛側(cè)坡為：=45°，滿足最大行駛側(cè)坡不小于36%的要求。

2.2.6 整車質(zhì)量分配

為滿足整車雙前橋16800kg、雙后橋32000kg的承載（空載時雙前橋軸荷7960kg、雙后橋軸荷6140kg）需要，匹配懸架、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：

1、按裝載荷均布的原則，匹配雙前橋滿載承載16800kg、空載時雙前橋空載軸荷7960kg，則單個前橋滿載承載8000kg、空載時雙前橋空載軸荷3980kg。經(jīng)計算，懸架系統(tǒng)的承載能力符合該要求。

2、原4038A底盤空載雙前/后橋中心處車架上平面離地高度為1210±15、1240±15，已經(jīng)符合要求;按均勻滿載進行計算，可達(dá)到≤1220mm。

3、通過對制動力矩理論計算，整車氣壓在10bar條件下前橋、后橋及整車?yán)碚撃軌蛱峁┑闹苿恿囟即笥谲囕v制動時所需制動力矩，滿足車輛使用要求。同時，匹配的制動零部件也可以滿足10bar工作氣壓。

3 “5038A”的分系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 車架的設(shè)計

使用CAE分析方法對4038A的車架進行加載30噸受力分析，發(fā)現(xiàn)在扭轉(zhuǎn)工況及垂直彎曲工況下，縱梁、襯梁最大應(yīng)力值均超過材料的屈服強度，不滿足強度要求，見圖2、圖3。

根據(jù)分析結(jié)果找出車架受力時強度薄弱處，最終對大梁外側(cè)進行局部加強。同時，按承載35噸受力進行分析計算，結(jié)果表明，加強后的車架能夠滿足承載受力要求，見圖4、圖5

開發(fā)完成的底盤車架，滿足對重型8X8輪式底盤（5038A）車架承載強度和上裝裝載尺寸的需求。整車進行了30000km可靠性行駛試驗，車架強度滿足使用要求。

3.2 車橋的設(shè)計

為滿足總質(zhì)量48800kg的承載需求，解決整車質(zhì)量增加導(dǎo)致的驅(qū)動橋負(fù)載能力不夠、驅(qū)動橋齒輪強度不足無法滿足動力傳動要求的問題，需要在現(xiàn)有7噸級第一、二驅(qū)動前橋的基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)10噸級第一、二驅(qū)動前橋。

3.2.1 提升向節(jié)支撐座性能

由于驅(qū)動橋的受力薄弱處集中在橋殼總成兩端的轉(zhuǎn)向節(jié)支承座上，因此將7噸橋殼的轉(zhuǎn)向節(jié)支撐座材料由20Cr改為30Mn2，同時采用調(diào)質(zhì)處理。處理完畢后，硬度提升37%-53%，抗拉強度提升32%-48%，橋殼承載能力將提高，可滿足軸荷10噸的承載需求。

3.2.2 提升齒輪承受載荷能力

驅(qū)動前橋輸入扭矩可達(dá)到4500Nm，現(xiàn)有齒輪材料使用20CrMnMo，材料性能強度偏低，齒輪承受載荷能力將不能滿足扭矩強度要求。齒輪材料更改為12Cr2Ni4A，齒輪的承載能力滿足承載10000kg要求。第一、第二驅(qū)動前橋已經(jīng)完成了臺架試驗驗證。

3.3 懸架系統(tǒng)的設(shè)計匹配

為滿足第一、第二軸荷分別為8400kg的承載，并滿足車架高度的限制，開發(fā)新的前懸架。前懸架第一、第二鋼板彈簧所用材料為50CrVA，材料屈服點為1128MPa，最大許用應(yīng)676.8MPa。前懸架第一、第二鋼板彈簧剛度520N/mm，滿載時前板簧的應(yīng)力為412MPa，滿足板簧最大許用應(yīng)力676.8MPa的要求。

通過計算校核，懸架系統(tǒng)開發(fā)的前懸架，可滿足第一、第二軸荷分別為8400kg的承載，并滿足滿載車架高度不超過1220mm的限制，且中后橋匹配北奔重汽公司現(xiàn)有后懸架，開發(fā)要求。

3.4 制動系統(tǒng)的設(shè)計

由于需要滿足總重48800kg的車輛制動需求、滿足48800kg駐坡40%，30000kg下駐坡60%的技術(shù)指標(biāo)，需要重新設(shè)計開發(fā)底盤制動系統(tǒng)。通過制動性能的計算校核找出制動性能的不足處，進行制動能力的提升：

3.4.1 系統(tǒng)壓力提高為10bar，提高車輛行車制動力

使用APU模塊將制動系的壓縮空氣壓力由8.5bar提高到10bar（10bar在整車氣路的正常工作壓力范圍內(nèi)，氣管、氣閥等均能承受10bar壓力），使整車制動力矩、理論制動減速度、制動距離均可滿足法規(guī)和使用要求。

3.4.2 提升制動力矩

合理選用復(fù)合制動氣室，加寬第一前橋、第二前橋的蹄片寬度，提升制動器制動力矩提，使車輛能夠滿足坡道駐坡制動的要求;滿載時初速度30km/h的制動距離為9.68m（技術(shù)要求11.4m），且滿足40%駐坡制動。

經(jīng)過試驗，行車制動性能滿足GB12676-2014要求（以30Km/h的初速度行駛，車輛進行一腳制動，制動距離≦11.4m），駐坡性能滿足60%的駐坡要求。

3.5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計

轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)和接口與4038A底盤一致，通過計算分析對底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行校核計算，將壓力由15MPa提升至使用17MPa。同時，增設(shè)后橋穩(wěn)定桿優(yōu)化操縱穩(wěn)定性。經(jīng)試驗驗證，操縱穩(wěn)定性試驗總計分87.6（其中，轉(zhuǎn)向輕便性試驗綜合評定分?jǐn)?shù)100分、轉(zhuǎn)向回正試驗綜合評定分?jǐn)?shù)79.4分，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗綜合評定分?jǐn)?shù)83.5分），符合QC/T 480-1999《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限制與評價方法》規(guī)定的指標(biāo)要求。

4 試驗驗證

4.1 可靠性行駛及性能試驗

依據(jù)GJB 4527-2002《軍用越野汽車設(shè)計定型試驗規(guī)程》編制了《定型試驗大綱》，大綱中明確了底盤結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)特性參數(shù)的測定，以及動力性、機動性、經(jīng)濟性、平順性、操縱穩(wěn)定性、制動性能及30000km可靠性行駛試驗等試驗項目及試驗方法。試驗內(nèi)容有：底盤結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)特性參數(shù)的測定，動力性試驗、機動性試驗、經(jīng)濟性試驗、平順性試驗、操縱穩(wěn)定性試驗、制動性能試驗及30000km可靠性行駛試驗。

4.2 環(huán)境試驗情況

濕熱地區(qū)適應(yīng)性試驗：對底盤零部件進行分類，選取各類別中具有代表性的底盤零部件進行了濕熱、霉菌、鹽霧試驗，濕熱試驗執(zhí)行GJB150.9A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第11部分：濕熱試驗》，霉菌試驗執(zhí)行GJB150.10A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第10部分：霉菌試驗》，鹽霧試驗執(zhí)行GJB150.11A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第11部分：鹽霧試驗》。試驗結(jié)果表明重型8X8輪式底盤（5038A）滿足技術(shù)協(xié)議中使用環(huán)境對霉菌、鹽霧、濕熱要求的規(guī)定。

4.3 低溫起動試驗

委托具有資質(zhì)的第三方檢測機構(gòu)，依據(jù)GB/T 12535-2007 《汽車起動性能試驗方法》，完成了試驗室低溫條件下（-30℃、-5℃）的車輛低溫起動試驗。底盤在-30℃/-5℃一次起動成功，滿足低溫環(huán)境使用要求。

對于-41℃低溫起動：由于“5038A”的動力系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)（發(fā)動機、分動箱等）、加熱系統(tǒng)與4038A相同，因此采信4038A車在環(huán)境溫度-41°的試驗數(shù)據(jù)：在采用輔助裝置（液體燃油加熱器）后，預(yù)熱15分鐘后一次啟動成功。

4.4 高原試驗

“5038A”采用與北奔4038A底盤相同的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機臺架試驗報告D000035578《WD615.38柴油機高原性能預(yù)測計算報告》中發(fā)動機的性能參數(shù)，計算出海拔5500m時，底盤最高車速60km/h，滿載總質(zhì)量48800kg時最大爬坡度大于40%。隨整車成功完成了高原行駛試驗。

4.5 試驗結(jié)果

“5038A”進行了參數(shù)測量、動力性能試驗、通過性試驗、安全性試驗、燃油消耗量試驗、平順性試驗、行駛可靠性試驗、低溫起動試驗、操縱穩(wěn)定性試驗、噪聲試驗，試驗結(jié)果達(dá)到試驗大綱要求。

5 結(jié)論

1、“5038A”底盤實現(xiàn)了公路工況下35270kg、越野工況下26500kg的高承載能力，填補了國內(nèi)軍用標(biāo)寬底盤的空白;

2、采用CAE優(yōu)化設(shè)計方法，改進材料及工藝，重點提高了轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)及齒輪強度，設(shè)計出10噸級轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，滿足了車輛高承載時轉(zhuǎn)向橋負(fù)載與轉(zhuǎn)向操縱需求;

3、通過多體動力學(xué)分析、材料性能提升和沖壓回彈工藝控制，提高了車架、懸架的承載能力;

4、通過提高制動系統(tǒng)壓力、加寬驅(qū)動轉(zhuǎn)向橋制動蹄片、合理選用制動氣室等方法，使整車在總重48800kg下滿足制動效能法規(guī)，滿足公路滿載48800kg駐40%坡度、越野滿載40000kg駐60%坡度用戶的特殊要求，實現(xiàn)了車輛的安全性。

5、優(yōu)化匹配了底盤系統(tǒng)的抗扭特性，增設(shè)了后橋穩(wěn)定桿，保障了車輛在48800kg重載荷下優(yōu)異的操縱穩(wěn)定性。

該項目技術(shù)復(fù)雜，創(chuàng)新性較強，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，總體技術(shù)達(dá)到國內(nèi)先進水平。

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