一種微型車用半軸全浮支承式動力儲備驅動后橋

吳先友，劉 仁

(1.重慶先友科技開發有限公司，重慶400051;2.重慶交通大學，重慶400074)

截至2015年，我國農村公路總里程將達到390萬km，可以實現所有鄉鎮和90%的村通行車輛，支持發展農村配送物資［1］，這充分顯示了國家對農村公路運輸事業的高度重視，農村經濟的發展必須以交通為先行。在“十二五”期間，隨著我國農村公路通車里程的增長，一種為農業服務的、價廉物美、節能(減排)、機動性良好、運輸成本低的微型車輛制造工業將有巨大的發展空間。

目前我國的五大汽車制造集團和全國大部分汽車制造商都在生產發動機排量為1.0～1.3 L的微車。本文的核心技術，就是在微型汽車的傳動系統中裝置一個動力儲備變速箱，以提高整車的技術性能，這對促進我國農村與城鎮之間的物流事業和降低運輸成本，將起到關鍵的作用。

微車用全浮式動力儲備驅動后橋，能使國產微型汽車的動力性、加速性和燃料經濟性等3項主要技術指標獲得較好的提升，并滿足我國農村與城鎮間“物流”事業的需求。動力儲備驅動車轎采用了“整體全浮式結構轎殼，半軸為全浮支承式”，這種結構型式車橋具有較大的物資裝載質量，使微車的噸·百公里油耗明顯下降，實現了公路運輸的低碳效應。

1 理論依據

半軸全浮支承式動力儲備驅動后橋應用于微型車上，是綜合“重型汽車”中“加力副變速箱”的應用理論，并轉化到微型汽車的驅動橋上的。這種整體式結構驅動橋改變了目前我國國產微型汽車所通用的半軸半浮支承結構式驅動橋。其結構設計具有足夠的剛度、強度，從而提高了整車的安全性、可靠性和驅動橋的使用壽命。

機動車的后橋驅動力Pk為［2］:

式中:Pk為機動車驅動橋驅動力，kN;Me為機動車驅動橋輸出扭矩，kN·m;ik為機動車主降速比;i0為發動機攜帶變速箱的傳動比;i1為動力儲備后橋齒輪箱傳動比;ηm為機械效率;rk為輪胎半徑，mm。

由式(1)可看出，決定微型車的驅動后橋驅動力Pk與發動機的額定輸出扭矩Me、驅動后橋的主降速比ik、發動機攜帶變速箱的傳動比i0、動力儲備變速箱的傳動比i1和機械效率ηm成正比，與輪胎滾動半徑rk成反比。假設式(1)中的Me、ηm和rk為一個常數，余下的主降速比ik、傳動比i0和i1這3個技術參數即為筆者討論的技術核心要素。

由《汽車理論》［2］和《汽車構造》［3］可知:汽車傳動系統的首要任務是能夠可靠地與發動機協同并協調工作，以確保微型車輛在各種路面上行駛時都必須具有良好的技術性能。因此，對傳動系中主降速比ik及發動機攜帶的變速箱和動力儲備變速箱傳動比i0及i1的正確選擇，是提高微車技術性能的重要途徑。

2 傳動機構傳動比選擇

2.1 主降速比選擇

主降速比即發動機在直接擋時的曲軸轉速與最高車速之比。為了保證車輛在最高擋(直接擋)行駛時具有足夠動力儲備，根據文獻［4-5］來選擇主傳動比，轉速系數

直接擋行駛時傳動比為1，即i0=1;滿載工況下輪胎滾動半徑rk=0.4 m;發動機曲軸轉速n=1 500 r/min;按我國現有農村公路路況，車輛平均最高時速為Ua=50 km/h;ηm取值原則:一般微型載貨車取28～35，重型貨車取40～45，本文中 ηm=30;2.65為設計常數。代入式(2)中，可計算出ik:，按式(2)計算:

因此，主降速比取 4.5∶1。

主傳動器的結構形式為單級齒輪傳動，它具有體積小、重量輕和傳動效率高等優點。該結構在我國重型汽車和裝載量5 t以上車輛的驅動橋上被大量采用，但在微車上的轉化應用是個創新。

目前國產微型車的主降速比一般為3.5∶1～4.0∶1，筆者設計的主降速比 4.5∶1，較國產微型汽車的主降速比提高了。主降速比提高的目的是為了降低車速和提高驅動輪的輸出轉矩以提高車輛的動力性。主降速比的選定主要考慮微車的最高時速。我國的微車技術是引進日本成套技術，逐步進行國產化而形成目前我國的微車產業。由于微車傳動系中的主降速比都已做出了“定型”，很難予以改造。半軸全浮支承式動力儲備驅動橋應用于微型車上，可對現有的國產微型汽車的驅動后橋進行技術改造，也可將半軸全浮支承式動力儲備驅動橋應用于我國目前農村普遍使用的平板三輪貨車的驅動橋上。

2.2 變速箱傳動比選擇

汽車變速箱傳動比的選擇與車輛技術性能關系十分密切。汽車發動機變速器的最大傳動比與最小傳動比之比值越大，擋位設置就越多，車輛在行駛過程中對其擋位選擇范圍也越多，能使整車能發揮出良好的動力性和經濟性。

國產微型汽車一般都設置有3個前進擋和1個倒擋組成變速箱，能在良好路面上、在額定時速完成其額定裝載量。但是，目前國產微型汽車的變速箱傳動比的比值小，擋位設置少，車輛行駛在公路上選擇擋位的范圍也少，因此，造成整車的技術性能不能有效發揮。并且，國產微車的主降速比ik和變速箱傳動比i0均比本文的主降速比和變速傳動比約小40%，因此國產微型汽車最高設計時速達98 km，與我國現有城鎮和農村的公路路面條件是不相適應的。

“動力儲備變速箱”裝置在驅動橋主降速錐齒輪軸的動力輸入端，機構中具有高擋、低擋和直接擋的3擋變速箱。高擋的傳動比為i高=3.04∶1，在良好的路面上保證整車的加速度性能;低速擋傳動比i低=6.14∶1，提高了驅動輪的輸出轉矩，保證車輛動力性和越野性;直接擋i直接=1∶1，車輛正常運行時使用。因此，微型貨車上的擋位設置從3個前進擋改造成為6個前進擋。擋位越多，對汽車發動機而言，能增加發動機在發出最大功率附近時高功率的機會就越多，從而提高了微車加速性和爬坡性能［2］;另一方面，就燃料經濟性而言，擋位越多，發動機在低燃油消耗率工作區可能性的機遇就越大。這樣，實現了降低能耗，降低了排放污染物，而且增加了動力性能。汽車擋位的增多能改善汽車的動力性和經濟性，尤其是微車更為顯著。

3 微車比功率

3.1 比功率

對汽車動力性和經濟性影響最大的參數有2個:①發動機的輸出功率;②傳動機構中變速箱和主傳動的傳動比。汽車行駛時功率平衡方程式為［2］:

式中:Pk為發動機輸出功率;G為車輛重力;f為滾動阻力系數;C為空氣阻力系數;A為汽車迎風面積;Uamax為最高車速;η為機構傳動效率。

由式(3)確定車輛自重與載貨的總質量(m)和微車發動機額定輸出功率等技術和結構參數，獲得微車的比功率為:

由于微車在農村公路上行駛的設計平均最高時速為50 km/h，為計算方便，忽略不計式(4)中的G、f、C、A 等參數，從而有:

載貨汽車的比功率是衡量汽車動力性的一個重要指標。比功率隨著汽車的總質量的增大而逐漸減小。目前國內外都對載貨汽車的比功率作出規定，以保證車輛在道路上行駛時的動力性，防止性能差的車輛堵塞道路。

3.2 實例分析

國產微型汽車整車技術指標為:發動機排量為1.0～1.3 L，額定輸出功率為30 ～55 kW，額定裝載量為500～1 500 kg，車輛自重700～1 000 kg。現用下述2例比較微型汽車的比功率。

3.2.1 國產微型汽車比功率

設微型汽車排量為1 L，額定輸出功率30 kW，裝載量為500 kg，車輛自重為700 kg(含駕駛員及附加設備)，則其比功率為:

3.2.2 裝置半軸全浮式動力儲備驅動后橋的國產微型汽車比功率

國產微型汽車裝用半軸全浮式動力儲備驅動后橋后，裝載質量從500 kg提升到1 000～1 500 kg，若按裝載質量為1 000 kg計算，則其比功率為:

現有國產微型汽車的比功率大，說明它動力性好、時速高，但額定裝載量只有500 kg，功率利用率低，經濟性差。

國產微型汽車經過技術改造裝用半軸全浮式動力儲備驅動后橋后，其比功率下降了約34%，但其功率利用率卻獲得明顯提升。

總之，比功率之規定是為了保證車輛在公路上行駛時具有一定的動力性和經濟性。比功率這一個指標也是在汽車設計時選擇發動機的功率和變速機構的結構型式和傳動比的重要依據。

由于微型車行駛道路條件變化很大，尤其是我國農村公路，車輛必須具有足夠的動力儲備。動力儲備驅動后橋依據公式(1)的理論，主降速比ik變速箱傳動比i0和動力儲備變速箱傳動比i1的乘積數比國產微型汽車增大了，從而微車的后橋驅動力Pk獲得了相應的提高。

3.2.3 三輪汽車、三輪平板貨車和正三輪摩托車

在微型車的系列產品中，還包括著三輪汽車，三輪平板貨車和正三輪摩托車等。這些機動車輛都裝置有發動機排量為200～300 mL的單雙缸空氣或水冷卻的摩托發動機。例如:國內擁有量保持領先的三輪平板貨車，其驅動后橋總成是采用動力儲備驅動后橋，該車發動機排量為250～300 mL，額定輸出功率12～14 kW，實際裝載量依據公路路面條件一般在1 000～2 000 kg之間。設發動機排量為250 mL，額定輸出功率12 kW，載貨量為1 500 kg，則該三輪平板貨車比功率為:

對于比功率這個重要理論指標，世界各國汽車制造商都是依據本國的汽車技術性能指標和現有公路條件作出各自的相關規定。我國國家標準GB 7258—2004《機動力運行安全技術條件》中規定了農用運輸車等的比功率限值為4.0 kW/t，其它機動貨車則為5.0 kW/t;德國Stveo規定大客車、貨車和汽車列車等的比功率為6 kW/t;荷蘭規定載貨汽車比功率為4.2;俄羅斯規定貨車的比功率為5.5 kW/t等。圖1為部分我國國產貨車的比功率。

圖1 部分國產汽車比功率Fig.1 Specific power ratio of several home-made vehicles

4 半軸全浮式動力儲備驅動后橋

4.1 國產微車驅動后橋

目前，國產微車的后橋都是采用半軸半浮式支承型式結構，該結構的后橋車輪與橋殼無直接聯系，車輪支承于半軸外端，半軸承受著全部彎矩，且承載能力很低。這種結構形式的后橋通常在轎車設計上選用，不宜在貨車上使用。

4.2 半軸全浮式動力儲備驅動后橋

半軸全浮式動力儲備驅動后橋的結構型式見圖2。該結構的動力儲備箱中的動力輸入軸與驅動橋的主傳動錐齒輪軸構成一體，當輸入動力從動力儲備變速箱中的主傳動齒輪軸(1)直接帶動主降速從動盤齒輪(6)，并通過差速行星齒輪組合中的內花鍵齒輪帶動半軸(2)，并經軸承(5)把動力輸入橋殼(3)帶動輪轂(4)形成整車動力輸出。

圖2 全浮式微車用動力儲備驅動后橋剖面Fig.2 Rear drive axle section of full floating power-reserved minicar

圖3為半軸全浮式驅動后橋的結構示意，該結構后橋的輪胎與地面接觸時的地面受力分析，也稱之為汽車地面力學。

圖3 全浮式驅動后橋輪胎地面受力分析Fig.3 Force analysis of full floating power-reserved rear drive axle

圖3中，后橋驅動輪的作用力包括有垂直反力Fz，切向反力Fy，側向反力Fx，該3個反力形成驅動輪在水平面內的彎矩和橫向平面產生的彎曲力矩，并由“輪轂4”通過2個“軸承5”傳遞給“橋殼1”，作用在“主降速從動盤齒輪6”上的力和彎矩全部由橋殼直接承受。也就是說車輪和橋殼能支承整個汽車的總質量，而與半軸無關。半軸只承受轉矩，而兩端均不承受任何反力和彎矩，這是半軸全浮式動力儲備驅動后橋在微車中應用的又一個特點。

5 結語

裝用半軸全浮式動力儲備驅動后橋的微型車，是適應于目前我國農村-城鎮之間作為集散物資的重要運載工具之一，它的機動性、適應性、經濟性和噸·百公里燃料低的節能效益，能以較大幅度的降低運輸成本，并實現了公路運輸的低碳效應。

［1］經濟日報.2015年農村公路總里程將達到390萬公里［EB/OL］.(2011-02-11)［2011-02-19］.http://finance.sina.com.cn/roll/20110211/09183591416.shtml.

［2］于志生.汽車理論［M］.北京:清華大學出版社，2000:75-80.

［3］陳永瑞.汽車構造［M］.長春:吉林工業大學出版社，2000:40，151-153.

［4］汽車教研室.汽車理論［M］.長春:吉林工業大學出版社，1962:168-170.

［5］劉仁.對青藏高原開發東風牌半掛汽車的探討［J］.重慶交通學院學報，1986，5(3):143-150.LIU Ren.An inquiry into development of Auto Semitrailer for Qinghai-Ttibetan Plateau［J］.Journal of Chongqing Jiaotong Institute，1986，5(3):143-150.