客車軸距優(yōu)化設(shè)計(jì)

王華秀，張耀舉，肖 越

（東風(fēng)汽車股份公司 商品研發(fā)院，武漢430057）

軸距是汽車前軸中心到后軸中心的距離。對(duì)整車而言，軸距是一個(gè)很重要的參數(shù)，它不僅影響車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、客車座椅布置，且與整車性能息息相關(guān)。軸距的改變會(huì)引起前、后橋軸荷分配的變化，對(duì)汽車制動(dòng)性、爬坡性能、操縱性及平順性都有影響。軸距一旦改變，就必須重新進(jìn)行總布置設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)管線、車身結(jié)構(gòu)，同時(shí)，還需校核和重新設(shè)計(jì)前后懸架系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如果后輪是驅(qū)動(dòng)輪，還需重新布置傳動(dòng)系。因此，在汽車設(shè)計(jì)的初期，就應(yīng)對(duì)汽車結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行分析，確定整車軸距。

本文以前輪驅(qū)動(dòng)輕型客車車型開(kāi)發(fā)為例，對(duì)軸距設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算、分析及優(yōu)化。對(duì)于采用獨(dú)立懸架、標(biāo)配ABS的汽車，軸距對(duì)操縱性、平順性、制動(dòng)性能的影響不起決定作用，因此在本文中不進(jìn)行探討，本文主要探討軸距對(duì)爬坡度、駐坡度、最小轉(zhuǎn)彎直徑、縱向通過(guò)半徑的影響及如何兼顧這些性能對(duì)整車軸距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 客車的軸距與整車長(zhǎng)度

如圖1所示，可將整車長(zhǎng)度劃分為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)倉(cāng)區(qū)、駕駛區(qū)和乘客區(qū)，對(duì)座位數(shù)和座位排數(shù)已確定的客車，整車長(zhǎng)度已基本確定。整車長(zhǎng)度又為前懸L1、后懸L2和軸距L0三者之和，受發(fā)動(dòng)機(jī)布置、駕駛室車門(mén)寬度和駕駛員視野要求的影響，前懸長(zhǎng)度調(diào)整的空間不大。對(duì)一定總長(zhǎng)的客車，在前懸已確定的情況下，除了通過(guò)總布置來(lái)調(diào)整整車重量分配外，調(diào)整軸荷分配最可行的辦法是進(jìn)行軸距的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于總長(zhǎng)和前懸已確定的整車，受整車布置空間限制，整車重量分布已基本確定，整車重心到前軸的距離a和重心高h(yuǎn)可以看成定值（見(jiàn)圖2），下面以前輪驅(qū)動(dòng)客車為模型，分析汽車在上、下坡路面時(shí)軸距與爬坡性能、駐坡性能的關(guān)系。

2 軸距的計(jì)算分析

2.1 與整車爬坡性能的計(jì)算分析

在進(jìn)行軸距設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)整車的驅(qū)動(dòng)方式和上下坡時(shí)的受力狀態(tài)及整車定義的最大爬坡度目標(biāo)值計(jì)算設(shè)計(jì)整車軸距。

對(duì)前輪驅(qū)動(dòng)的客車，如果軸距過(guò)短，爬坡或急加速時(shí)整車重心后移，驅(qū)動(dòng)輪因附著力不足而打滑。下面通過(guò)計(jì)算來(lái)分析軸距對(duì)爬坡度的影響。

前輪驅(qū)動(dòng)的汽車應(yīng)分析滿載狀態(tài)下的整車爬坡性能。

如圖3所示，設(shè)汽車軸距為L(zhǎng)，前輪垂直于地面的反力為Ff，后輪垂直于地面的反力為Fr，路面附著系數(shù)為φ，當(dāng)汽車的驅(qū)動(dòng)力完全用于爬坡時(shí)汽車所能爬的最大坡度角為α，則：

汽車勻速爬坡時(shí)，以后軸為支點(diǎn)的力矩平衡方程如下：

設(shè)汽車的最大驅(qū)動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)輪打滑前的臨界靜摩擦力相等，即：

汽車最大驅(qū)動(dòng)力為：

汽車勻速爬坡時(shí)，在不計(jì)風(fēng)阻的情況下，最大驅(qū)動(dòng)力約等于汽車的坡度阻力，即：

由式（1）（2）和（3）可以推出滿載時(shí)軸距與最大爬坡度的關(guān)系如下：

若最大爬坡度的設(shè)計(jì)目標(biāo)為tanαm，則最大爬坡度的設(shè)計(jì)值tanα必須不小于tanαm，即：

由此可以得出軸距L與最大爬坡度tanαm的關(guān)系式如下：

2.2 軸距與整車駐坡性能的計(jì)算分析

在進(jìn)行軸距設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)整車的驅(qū)動(dòng)方式和上下坡時(shí)的受力狀態(tài)及整車定義的最大駐坡度目標(biāo)值計(jì)算設(shè)計(jì)整車軸距。

汽車一般采用后輪駐坡，駐坡時(shí)，最大駐坡力等于坡度阻力，即：F=G×sinα，最大駐坡力與路面附著力的關(guān)系為 F≤F×φ，由此推出 sinα≤×φ；也就是

r說(shuō)，當(dāng)F=Fr×φ時(shí)，最大駐坡角度的正弦值與后軸荷占整車總重的百分比成正比。

與滿載相比，汽車空載時(shí)，后軸荷占整車總質(zhì)量的百分比更小，同時(shí)，汽車下坡時(shí)，重心向前軸移動(dòng)，后軸荷占整車總質(zhì)量的百分比較平直路面會(huì)減小，因此應(yīng)分析空載下坡?tīng)顟B(tài)下的整車駐坡能力。

設(shè)空載狀態(tài)下的駐坡角度為β、重心高度為h0、后軸荷為Fr0、重心到前軸的距離為α0，最大駐坡力為F，見(jiàn)圖4，設(shè)汽車的最大駐坡力與后輪打滑前的臨界靜摩擦力相等，則有以下三個(gè)關(guān)系式：

由上三式可以導(dǎo)出：

設(shè)最大駐坡度的設(shè)計(jì)目標(biāo)為tanβm，則最大駐爬坡度的設(shè)計(jì)值tanβ必須不小于tanβm，即：

由此可以得出軸距與最大駐坡度tanβm的關(guān)系式如下：

2.3 軸距與縱向通過(guò)半徑的計(jì)算分析

縱向通過(guò)半徑越小，汽車被地面凸起物托住的可能性越小，汽車的縱向通過(guò)性能就越好。對(duì)于整車長(zhǎng)度和底盤(pán)離地間隙已確定的客車，軸距的長(zhǎng)短直接影響整車縱向通過(guò)半徑。數(shù)學(xué)模型見(jiàn)圖5。

式中：L為軸距；r為車輪滾動(dòng)半徑；H為兩軸距中間最小離地高度。

設(shè)最小通過(guò)半徑的設(shè)計(jì)目標(biāo)為Rm，最小通過(guò)半徑的設(shè)計(jì)值R必須不大于Rm，即：

由此可以得出軸距L與縱向通過(guò)半徑Rm的關(guān)系式如下：

2.4 軸距與最小轉(zhuǎn)彎直徑的計(jì)算分析

汽車的最小轉(zhuǎn)彎直徑可以用下式近似計(jì)算 （見(jiàn)圖 6）：

式中：L為軸距；θ為前外輪最大轉(zhuǎn)角；k為主銷偏置距。

受車架前縱梁等限制，前輪的最大轉(zhuǎn)角不可能無(wú)限加大，當(dāng)前轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角一定時(shí)，要減小最小轉(zhuǎn)彎直徑，需通過(guò)減小軸距來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)客車的最小轉(zhuǎn)彎直徑的目標(biāo)值為Dm，滿足設(shè)計(jì)要求的最小轉(zhuǎn)彎直徑應(yīng)不大于目標(biāo)值，即：

由此可以得出軸距L與最小轉(zhuǎn)彎直徑Dm的關(guān)系式如下：

3 軸距優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)上面的計(jì)算分析，得出了軸距與爬坡度、駐坡度、縱向通過(guò)半徑、最小轉(zhuǎn)彎直徑間的關(guān)系式。根據(jù)具體車型目標(biāo)要求，將相關(guān)參數(shù)代入式（4）、（5）、（6）、（7）中解不等式，若只能滿足其中的某幾個(gè)式子，則應(yīng)根據(jù)客車的用途和常用行駛路面等情況，對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在上面這四項(xiàng)要求都滿足的前提下，還應(yīng)考慮車身結(jié)構(gòu)的通用性和乘客座椅布置要求，綜合這些方面的需求進(jìn)行軸距的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)要求都滿足的情況下，應(yīng)將軸距取較大值，以提高整車的行駛平順性和行駛穩(wěn)定性。

下面以某輕型客車車型設(shè)計(jì)為例，敘述軸距優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

某車型的整車設(shè)計(jì)參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 整車設(shè)計(jì)參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)

將上述參數(shù)代入不等式 （4）、（5）、（6）、（7）中，解不等式，通過(guò)計(jì)算，可得出軸距與爬坡、軸距與駐坡、軸距與縱向通過(guò)半徑、軸距與轉(zhuǎn)彎直徑的一組數(shù)據(jù)，將計(jì)算數(shù)據(jù)以軸距為橫座標(biāo)，以不同目標(biāo)參數(shù)為縱座標(biāo)，作出的關(guān)系曲線見(jiàn)圖7。

從計(jì)算結(jié)果知：

1）滿足整車最大爬坡度30%≥tanαm≥35%要求的軸距范圍為4 233≤L≤4 838 mm。

2）滿足整車最大駐坡度20%≥tanβm≥30%要求的軸距范圍為4 088≤L≤5 250 mm。

3）滿足整車最小縱向通過(guò)半徑9m～10m要求的軸距范圍為3 742≤L≤4 050 mm。

4）滿足整車最小轉(zhuǎn)彎直徑14m～15m要求的軸距范圍為3 811≤L≤4 219mm。

根據(jù)整車商品定義，該車型主要用于城間客運(yùn)，使用道路為國(guó)道及以上路面，為此，對(duì)整車的縱向通過(guò)半徑要求可以放低。最大爬坡度同時(shí)也代表了整車的最大動(dòng)力性因素，該項(xiàng)性能是整車必達(dá)的目標(biāo)性能項(xiàng)；最大駐坡度也是用戶很關(guān)注的性能參數(shù)，且與整車安全性能相關(guān)。為此，將與軸距相關(guān)的四個(gè)參數(shù)排序，第一需滿足的是整車的最大爬坡度和最大駐坡度要求，其次為整車最小轉(zhuǎn)彎直徑，最后考慮的是最小縱向通過(guò)半徑。

在考慮上述因素的同時(shí)，還應(yīng)考慮車身結(jié)構(gòu)與其它同平臺(tái)多種軸距車型的通用性，以及車身內(nèi)部座椅布置需求。為了與同平臺(tái)另一種軸距車型的后懸通用 （另一種軸距的設(shè)計(jì)計(jì)算方法與該車型相同），將整車軸距確定為L(zhǎng)=4 200mm。

整車軸距L=4 200mm時(shí)，整車最大爬坡度為29.7%，基本滿足整車設(shè)計(jì)目標(biāo)；整車最大駐坡度為29%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)；整車最小通過(guò)半徑為10.8 m，未滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，但該項(xiàng)性能可放寬，對(duì)該項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整；整車最小轉(zhuǎn)彎直徑為15.4 m，與目標(biāo)值基本接近，在后期的具體設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)適當(dāng)加大前輪最大轉(zhuǎn)角和主銷偏置距來(lái)進(jìn)行改善，以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

軸距是一個(gè)重要的整車參數(shù)，對(duì)整車的最大爬坡度、最大駐坡度、最小轉(zhuǎn)彎直徑、縱向通過(guò)半徑都有較大影響。因此，在設(shè)計(jì)整車軸距時(shí)，應(yīng)進(jìn)行充分的計(jì)算分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，兼顧整車的各項(xiàng)性能，在穩(wěn)定性、爬坡能力、駐坡能力和機(jī)動(dòng)性之間必須作出取舍，找到合適的平衡點(diǎn)，達(dá)到最優(yōu)的整車目標(biāo)性能。本文通過(guò)理論分析，推導(dǎo)出一系列軸距設(shè)計(jì)計(jì)算公式，并通過(guò)舉例說(shuō)明整車軸距優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

［1］ 余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］王霄峰.汽車底盤(pán)設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［3］四冬軍.山區(qū)公路縱坡度合理值的實(shí)驗(yàn)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，3.

［4］石飛榮.公路車輛下行最大縱坡及坡長(zhǎng)限制分析［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2001，2.

［5］ JTG B01［S］.公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，2003.