中圖分類號(hào)：U463 收稿日期：2025-03-12 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.007

Study on Optimization of Off-road Truck Frame Structure

Dong Peng Hubei Three Gorges Polytechnic，Yichang 4430o0，China

Abstract：Of-roadrucksaretransportvehiclescapableoftraveringcomplexterrains，withthechassisstructurebeingthecorede terminantoftheirof-roadperformance.Byanalyzingthecommonchassistructuresofsuchtrucks，wecomparedthreetypsofchassis andclarifiedtheoptimizationgoalsforoffroadtruckframes.Thisstudyproposedahybridchasiscombiningperimeterandbackbone frames，along with a“ ¹⁺¹ ”dual shock absorption system，which utilizes two shock absorbers to enhance vehicle stability and durability.Theresultsdemostratetatisotimzationshesiificantlyeancschasisperfoaneadsimplifisthcassrcture Consequently，it offers a valuable reference for future research.

Keyword：Off-road truck;Frame;Optimization

1前言

交通運(yùn)輸是我國(guó)重要的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。道路運(yùn)輸是交通運(yùn)輸中不可或缺的組成部分，而載重汽車是道路貨物運(yùn)輸工具的主力軍，重型卡車作為重要運(yùn)輸工具，可為提高生產(chǎn)效力和生產(chǎn)進(jìn)度發(fā)揮積極作用1]。1975年7月1日，一輛 2.5t 越野載重汽車在位于湖北十堰的第二汽車制造廠正式下線，標(biāo)志著我國(guó)已能夠獨(dú)立自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)越野載重汽車。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，載重汽車已經(jīng)進(jìn)入了各行各業(yè)，無(wú)論是民用還是軍用，無(wú)論城市公路還是田間地頭，都能看見各式各樣載重汽車奔馳的身影。

而衍生出能在復(fù)雜路面或者根本沒有路的地區(qū)和戰(zhàn)場(chǎng)上行駛的越野載重汽車，對(duì)其承載能力和通行能力要求相對(duì)于普通載重汽車更高，這也意味著作為越野載重汽車“骨架”的車架需要不斷改進(jìn)、優(yōu)化，以滿足需求。隨著越野載重汽車在復(fù)雜路況下的廣泛應(yīng)用，車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化成為提升車輛性能的關(guān)鍵途徑之一。

2越野載重汽車車架種類及特點(diǎn)

車架，又稱大梁，是一種跨接在汽車前后車橋上的結(jié)構(gòu)體。車架的主要作用是支撐、連接汽車的各部分總成，使其保持相對(duì)正確的位置，并承受來(lái)自車輛內(nèi)外的各種載荷。車架通過(guò)懸架裝置坐落在車輪上[2]。一副設(shè)計(jì)合理的車架除必須具備足夠的剛度和強(qiáng)度以承受各種載荷及來(lái)自車輪的沖擊外，同時(shí)還需要具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕等特點(diǎn)，以保證車輛適應(yīng)不同道路情況，始終保證穩(wěn)定行駛。國(guó)內(nèi)外越野載重汽車品牌眾多，雖然不同廠商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、功能和結(jié)構(gòu)上各有不同，但總的來(lái)說(shuō)基本原理大致相同。將越野載重汽車車架按其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，可分為邊梁式車架、中梁式車架和綜合式車架三類，各類車架在越野載重汽車中應(yīng)用的具體案例及特點(diǎn)見表1。

2.1邊梁式車架

邊梁式車架是由兩根縱梁和若干根橫梁通過(guò)焊接和鉚接而成的剛性構(gòu)架，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗彎強(qiáng)度高，維修方便，成本低，可以較為方便地安裝車身和布置總成，因此被越野載重汽車廣泛使用。

縱梁主要用于支撐梁上物體，起到支撐車身、踏板和懸架總成等作用。根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)布置等要求，可以將縱梁制造成彎曲的、等截面或非等截面等形式；橫梁主要用來(lái)連接左右兩根縱梁，以保證邊梁式車架具備一定的扭轉(zhuǎn)剛度，能承受一定的縱向載荷，此外，橫梁還可以支撐散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)等主要部件。

表1三種車架特點(diǎn)及應(yīng)用

國(guó)外品牌中，以出色的越野能力著稱的奔馳烏尼莫克（BenzUnimog）就是采用特殊的邊梁式車架（圖1），獨(dú)特的鵝頸式縱梁設(shè)計(jì)使其具有較高承受扭曲應(yīng)變能力，保證車橋可以實(shí)現(xiàn) 30^° 對(duì)角扭曲，4個(gè)輪胎在任何路面下都能充分接觸地面[3]。國(guó)內(nèi)以一汽解放MV3為代表?yè)碛型耆灾髦R(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)動(dòng)越野卡車（圖2），以邊梁式車架配以前后獨(dú)立懸架系統(tǒng)以及AMT變速器，使車輛具有優(yōu)秀的行駛性能和駕駛性能。

圖1奔馳烏尼莫克（BenzUnimog）車架

圖2一汽解放MV3

2.2中梁式車架

中梁式車架由一根縱梁和若干橫向懸伸托架組成，其核心是一根位于底盤中央貫穿整個(gè)車輛的縱梁，由于其形態(tài)如同動(dòng)物脊椎骨，也被稱為脊骨式車架。

通常情況下，中梁的斷面被制造成管形，此外還有槽形和箱型。傳動(dòng)軸從管形中梁內(nèi)穿過(guò)，發(fā)動(dòng)機(jī)、車身及其他總成安裝于不同位置的橫向懸伸托架上。管狀中梁帶來(lái)了較大的抗扭轉(zhuǎn)剛度，同時(shí)由于沒有結(jié)構(gòu)上的干涉，使得車輪有很大的跳動(dòng)空間，為獨(dú)立懸架的布置帶來(lái)了方便，使車輛具有較高的越野能力和可靠性。

但是由于其管狀結(jié)構(gòu)制造工藝復(fù)雜，安裝精度要求高，成本較高，維修不便，使得中梁式車架僅在越野等特殊領(lǐng)域車輛中有所應(yīng)用，而在普通載重汽車中應(yīng)用較少。捷克商用汽車品牌太拖拉（TATRA）就是中梁式車架技術(shù)的主要使用者（圖3），由于采用獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)，單輪減震行程已經(jīng)高達(dá) 400mm 以上4，其出色的駕駛特性（尤其是在越野狀態(tài)）正是得益于這種特殊的底盤設(shè)計(jì)概念[5]。

圖3太拖拉（TATRA）車架

2.3綜合式車架

綜合式車架是一種混合式車架，其前部和后部分別是邊梁式結(jié)構(gòu)和中梁式結(jié)構(gòu)，也被稱為復(fù)合式車架，可以算作中梁式車架的一種變形。邊梁式結(jié)構(gòu)主要用于安裝發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等部件，橫向懸伸托架主要用于固定車身。綜合式車架由于制造復(fù)雜，因此在越野載重汽車上鮮有應(yīng)用（表1）。

3越野載重汽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化目的

理想的車架設(shè)計(jì)能有效改善整車動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)、安全等性能指標(biāo)[6，盡管目前各品牌越野載重汽車通過(guò)采用不同的車架技術(shù)方案，一定程度提升了車輛的越野性能。但是，從綜合的角度來(lái)看，現(xiàn)有技術(shù)方案仍然存在一些不足，如車架扭轉(zhuǎn)剛度不足、制造工藝復(fù)雜、制造成本過(guò)高以及維修不便等，這些問(wèn)題制約了車輛性能的進(jìn)一步提升。因此，為了滿足現(xiàn)代越野載重汽車在性能、成本、維修及使用便利性等方面的綜合要求，可以從以下三個(gè)關(guān)鍵方面入手。

3.1提高車架強(qiáng)度，提升越野性能

車輛越野性能好壞，與車輛的車架結(jié)構(gòu)、差速器性能、懸架行程、輪胎抓地力等有密切聯(lián)系，其中車架直接決定了車輛在復(fù)雜路面行駛時(shí)車體受力的能力。由于越野載重汽車行駛環(huán)境較差，通常會(huì)出現(xiàn)交叉軸、搓板路、饅頭包等行駛情況。車架會(huì)受到來(lái)自各個(gè)方向的力，如果車架強(qiáng)度不夠，車輛將發(fā)生扭曲變形（圖4）或者斷裂，各總成相對(duì)位置發(fā)生較大變化而造成零部件損壞。

車輛的通過(guò)性越強(qiáng)，車架承受的力越大。因此，通過(guò)采用屈服強(qiáng)度達(dá) 800MPa 的高強(qiáng)度鋼材料和閉口薄壁斷面設(shè)計(jì)，使車架抗扭剛度提高至 18000N?m/（^°） 以上，抗扭剛度提升 20% ，確保在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性和耐久性，能以較強(qiáng)的通過(guò)性提升車輛越野性能。

圖4越野載重汽車扭曲變形

3.2簡(jiǎn)化底盤結(jié)構(gòu)，方便制造維修

上文介紹的幾種品牌的越野載重汽車底盤分別使用了邊梁式車架和中梁式車架，通過(guò)不同技術(shù)方案達(dá)到了優(yōu)秀的越野能力，但深入研究其底盤結(jié)構(gòu)，總體上還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題（圖5）。

圖5復(fù)雜的底盤結(jié)構(gòu)

例如在邊梁式車架上安裝獨(dú)立懸架，雖然這一方案能使車輛行駛時(shí)車輪時(shí)刻與地面保持接觸，提升了操控性能和行駛穩(wěn)定性，但獨(dú)立懸架相較非獨(dú)立懸架在結(jié)構(gòu)上更加復(fù)雜，發(fā)生損壞時(shí)增加了維修難度；中梁式車架雖然通過(guò)搭配擺動(dòng)式半軸獨(dú)立懸架和封閉式傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)了全輪驅(qū)動(dòng)，相比其他的多軸全驅(qū)越野車輛，其傳動(dòng)軸的布置非常復(fù)雜，需要考慮不同工況下的扭矩輸出[4]，制造難度高，維修困難。

同時(shí)，傳動(dòng)部件太多，也造成了較大的功率損失。復(fù)雜的環(huán)境使得越野載重汽車行駛時(shí)底盤部件損壞概率要大于普通車輛，因此還要考慮損壞發(fā)生時(shí)維修是否方便、快捷。

3.3減輕車架質(zhì)量，提高燃油效率

在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展中，能源危機(jī)與環(huán)境污染問(wèn)題已逐漸演變?yōu)榕e世矚目的重大社會(huì)議題。因此優(yōu)化現(xiàn)代汽車的結(jié)構(gòu)性能，尤其是實(shí)現(xiàn)減輕車身重量、降低燃油消耗、減少環(huán)境污染以及提升車輛安全性等多重目標(biāo)，已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵任務(wù)。其中，輕量化作為汽車降低油耗的核心策略之一，其貢獻(xiàn)率超過(guò) 50% ，在汽車眾多節(jié)能減排措施中占據(jù)主導(dǎo)地位，同時(shí)也是削減二氧化碳廢氣排放量最為行之有效的途徑。

研究表明，汽車整備質(zhì)量每減少 10% ，燃油效率可提升 6%～8%^[7] 。因此，通過(guò)使用如高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金等低密度、高強(qiáng)度的材料，可在保證車架性能和安全的前提下，進(jìn)一步降低車架的整備質(zhì)量；通過(guò)利用計(jì)算機(jī)輔助工程CAE軟件對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，識(shí)別冗余部分，減少材料使用量，從而實(shí)現(xiàn)輕量化。例如某品牌商用車車架尾梁采用鋁合金材料，鋼鋁混合結(jié)構(gòu)，重量更輕、性能更好，通過(guò)車架高強(qiáng)度鋼應(yīng)用總結(jié)發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)鋼強(qiáng)度提升 47% ，車架總成重量可以降低22%^[8] 。

4越野載重汽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

邊梁式車架的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便布置總成；而中梁式車架的優(yōu)點(diǎn)在于具有高抗扭轉(zhuǎn)剛度，車架側(cè)面對(duì)車輪干涉小，使車輪有很大的跳動(dòng)空間。兩種車架的特點(diǎn)都非常鮮明，可充分運(yùn)用其優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種以中梁式車架為基礎(chǔ)，邊梁式車架作為副車架的新型混合車架結(jié)構(gòu)。

其中，中梁式主車架與底盤托架結(jié)合（圖6），用于車輛前后懸架及車身的安裝，具備較大的抗扭強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度；邊梁式副車架安裝于主車架前或后端，用于安裝前、后置發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等，這種車架結(jié)構(gòu)充分融合兩種車架優(yōu)點(diǎn)于一體，既可保留結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便的特點(diǎn)，又可使車輛懸架擁有較大行程。

圖6新型混合車架

為了使底盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便制造和維修，與車架搭配的懸掛系統(tǒng)可采用鋼板彈簧整體橋非獨(dú)立懸架；將鋼板彈簧安裝于中梁式主車架中心位置，利用鋼板彈簧與車橋軸向轉(zhuǎn)動(dòng)角度大的特性解決車輪垂直跳動(dòng)空間小及底盤對(duì)角扭曲性能差的問(wèn)題；使用整體式車橋，提升離地間隙，提高通過(guò)性；采用以鋼板彈簧為一級(jí)減震器和以液壓筒式減震器為二級(jí)減震器的“"¹⁺¹"雙減震方案（圖7），提高車輛承載能力，降低車輛行駛震動(dòng)。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用雙減震懸掛系統(tǒng)與混合結(jié)構(gòu)車架的車輛底盤可通過(guò) 20^°"交叉軸路面和側(cè)傾坡路面，對(duì)提高車輛通過(guò)性方面具有顯著效果（圖8）。

圖7雙減震懸掛系統(tǒng)

圖8底盤車橋?qū)桥で藨B(tài)

5結(jié)語(yǔ)

本研究從越野車輛底盤結(jié)構(gòu)入手，著重對(duì)直接影響車輛越野性能、承載性能的車架和懸架部分進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出了一種以中梁式車架為基礎(chǔ)、以邊梁式車架為副車架的新型混合車架結(jié)構(gòu)，運(yùn)用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的中梁式車架增強(qiáng)底盤抗扭轉(zhuǎn)剛度和抗彎強(qiáng)度，減輕底盤重量。該車架結(jié)構(gòu)采用以鋼板彈簧為一級(jí)減震器、以液壓筒式減震器為二級(jí)減震器的“"¹⁺¹"”雙減震懸架系統(tǒng)，使底盤車橋具備較大的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)角度，解決車輪垂直跳動(dòng)空間小及底盤對(duì)角扭曲性能差的問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了簡(jiǎn)化底盤結(jié)構(gòu)和提高通過(guò)性能方面的優(yōu)勢(shì)。目前，對(duì)于新型混合車架的研究正處于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，在下一步研究中，將進(jìn)行模擬及實(shí)車試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)一步研究新型材料在車架中的應(yīng)用，以進(jìn)一步提升車架性能，推動(dòng)汽車技術(shù)高質(zhì)量發(fā)展。

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