無扭矩平衡裝置的研究與應(yīng)用

喬慧 田祥林 王娜娜

摘 要：我國(guó)地域廣闊，地形復(fù)雜，各種自然災(zāi)害、交通事故、等頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。目前，國(guó)內(nèi)用于醫(yī)療應(yīng)急救援、通訊指揮、部隊(duì)雷達(dá)的車輛，由于均裝有精密儀器或設(shè)備，在經(jīng)過惡劣道路條件后設(shè)備時(shí)常會(huì)出現(xiàn)故障問題，從而導(dǎo)致參與救援活動(dòng)時(shí)受到一定的限制。為了更好提高汽車的通過性能和保護(hù)車廂及廂內(nèi)的儀器設(shè)備，因此，研究開發(fā)具有抗顛簸功能的無扭矩平衡裝置顯得十分必要。通過科技攻關(guān)，無扭矩平衡裝置技術(shù)在國(guó)內(nèi)首次運(yùn)用到醫(yī)療衛(wèi)生裝備上，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。該裝置經(jīng)過參加4·20蘆山地震等醫(yī)療救援實(shí)際運(yùn)用和部隊(duì)實(shí)兵演練，驗(yàn)證了其在野外復(fù)雜惡劣路況條件下能夠很好的保護(hù)車廂及內(nèi)部精密設(shè)備，特別適合用于沙漠以及鄉(xiāng)村土路等復(fù)雜路況載有精密設(shè)備的專用車輛上。

關(guān)鍵詞：無扭矩平衡；抗顛簸；模塊化；緩沖保護(hù)；高機(jī)動(dòng)

引言

近年來，國(guó)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，人道救援成為國(guó)家各級(jí)部門特別是應(yīng)急救援部門和社會(huì)各界最關(guān)心的問題，而提高救援裝備的高機(jī)動(dòng)性、可靠性顯得十分必要，特別是車廂內(nèi)精密設(shè)備的緩沖保護(hù)。通過對(duì)陸地車輛上裝設(shè)備的振動(dòng)源進(jìn)行分析，其主要影響因素有兩個(gè)：一是來自車輛行進(jìn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)自身振動(dòng)；二是來自車輛行進(jìn)時(shí)底盤輪胎的跳動(dòng)振動(dòng)（特別是坑洼路面）。顯而易見，自身振動(dòng)相對(duì)底盤車架對(duì)車廂的振動(dòng)可以忽略不計(jì)。為解決該問題，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的普遍解決方法有二：一是通過提高車內(nèi)上裝設(shè)備自身的抗顛簸能力；二是通過采用諸如減震器、緩沖橡膠墊等作為中間緩沖后再加以固定來降低顛簸。經(jīng)過對(duì)上述兩種方法的分析不難看出，不僅對(duì)設(shè)備本身提高了要求，而且涉及設(shè)備較多。

基于以上分析，提出了新的研究思路，通過在汽車底盤和車廂之間安裝具有抗顛簸能力的無扭矩平衡裝置[1]（Multi-Free-Low），再借助上述兩種現(xiàn)有普遍解決方案，這樣就大大提高了車輛的機(jī)動(dòng)性和對(duì)設(shè)備的保護(hù)能力，甚至部分對(duì)精度要求較低的設(shè)備不需再逐個(gè)對(duì)設(shè)備本身和固定采用抗顛簸措施。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有連接對(duì)上裝的影響

1.1 連接形式

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)汽車載有上裝部分（貨箱、車廂、方艙、油罐等）的副車架與主車架（底盤大梁）采用止推連接板、連接支架、U型夾緊螺栓[2]等剛性連接方式。雖然連接面采用膠墊或墊木，但緩沖減振能力有限，底盤與上裝形成剛性整體。而國(guó)外在20世紀(jì)80年代初就開始發(fā)展這一新技術(shù)——無扭矩平衡裝置[3]（Torsion-free-body）。

1.2 影響

國(guó)內(nèi)車輛在行車時(shí)（尤其是越野），底盤的較大扭力和顛簸可直接傳遞到上裝，上裝也約束底盤大梁正常的自由扭曲，降低了越野通過性，增加了大梁的應(yīng)力，易造成底盤和上裝的疲勞破壞，減少車輛的壽命。同時(shí)在顛簸時(shí)上裝重心偏移量和離心力較大，影響行車穩(wěn)定性和車速。而國(guó)外安裝了該平衡裝置的車輛在大梁和上裝之間形成柔性連接。克服傳統(tǒng)剛性連接結(jié)構(gòu)的弊端，增加汽車（尤其在越野條件下）使用壽命，提高行駛速度和安全性。

2 無扭矩平衡裝置研究

通過對(duì)國(guó)外該裝置的研究發(fā)現(xiàn)，裝有該裝置可以有效的提高整車機(jī)動(dòng)性（尤其在越野條件下）和緩沖保護(hù)車廂及內(nèi)部設(shè)備，但該裝置需要安裝于國(guó)內(nèi)車輛底盤上，無論是從結(jié)構(gòu)、材料、工藝還是其他相關(guān)（諸如性能試驗(yàn)）方面都需進(jìn)一步研究。

2.1 原理

如圖1，A，B，C三點(diǎn)決定一個(gè)平面，為了將車廂的重心落在BC線附近，我們采用二個(gè)三角形（2x3Point）來放置車廂底平面。圖中L1和L2分別代表汽車底盤的二個(gè)縱梁，當(dāng)汽車在越野道路上行駛時(shí)，縱梁L1和L2會(huì)嚴(yán)重扭曲，但是由于底盤中心線AA和三角形BC邊的微弱變化，使得二個(gè)三角形幾乎沒有扭曲，保持了車廂底平面的無扭曲，這樣就保證了車廂底平面的無扭矩。

2.2 結(jié)構(gòu)

無扭矩平衡裝置（Multi-Free-Low）通過特殊設(shè)計(jì)的模塊化結(jié)構(gòu)組合，采用高強(qiáng)度材料和特殊緩沖減震裝置、專用方艙鎖具等制造而形成高強(qiáng)度抗顛簸無扭矩車架，在大梁和上裝之間形成柔性連接，克服傳統(tǒng)剛性連接結(jié)構(gòu)的弊端，增加汽車使用壽命，更有效地保護(hù)醫(yī)療方艙和內(nèi)部醫(yī)療設(shè)備，提高行駛速度和安全性。在大梁左右±15°偏轉(zhuǎn)扭曲時(shí)，上裝基本無扭曲，使整車重心更低和重量更輕，性能更優(yōu)越。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)效果圖見圖2。由于系統(tǒng)是由模塊化的組件構(gòu)成，車輛底盤、副車架以及裝載平臺(tái)之間有明顯的技術(shù)分隔點(diǎn)。

圖2 無扭矩平衡裝置結(jié)構(gòu)效果圖

2.3 功能特點(diǎn)

（1）當(dāng)車輛在越野環(huán)境中行駛時(shí)，車子的底盤可自由扭轉(zhuǎn)。（2）所有車輪始終與地面接觸，保證車輛的驅(qū)動(dòng)性能，提高機(jī)動(dòng)性。（3）上裝部分可通過2個(gè)三角形的彈性軸承吸收扭矩力。（4）汽車上裝部分得到緩沖保護(hù)，減少顛簸。（5）正常路況及越野條件下通用，并能給車輛帶來無限機(jī)動(dòng)性能。（6）適合多種車體（車體可卸/更換）、系統(tǒng)重量低、重心低等。

2.4 國(guó)外現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及效果對(duì)比

國(guó)外早期的無扭矩平衡裝置（Torsion-free-body）采用中央放置的通軸結(jié)構(gòu)和前后鉸接支撐，通過裝載平臺(tái)可繞中央通軸轉(zhuǎn)動(dòng)來保護(hù)上裝設(shè)備。而后期的無扭矩平衡裝置（Multi-Free-Low）通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，取消圓管作為軸，設(shè)計(jì)為副車架和裝載平臺(tái)通過2x3Point連接形式。由圖3可以看出，在同樣路況扭曲條件下達(dá)到相同效果的同時(shí)，既減輕了重量，降低了成本，又可將上裝高度降低100mm高度。

3 無扭矩平衡裝置的試驗(yàn)與應(yīng)用

3.1 性能試驗(yàn)

做二個(gè)500mm高的跳板，分別置于對(duì)角的前后輪下，對(duì)汽車底盤的大梁嚴(yán)重扭曲變形觀察，當(dāng)我們把目光聚焦到車子的廂體底平面（即無扭矩平衡裝載平臺(tái)）和底盤大梁時(shí)，經(jīng)檢查，通過裝有無扭矩平衡裝置的廂體，即使大梁隨顛簸路面任意扭曲，而上裝車廂變形程度很小，基本無扭曲。

3.2 應(yīng)用領(lǐng)域

由于采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同車廂長(zhǎng)度和載重量較快實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制作，適用于幾乎所有越野和非越野卡車及長(zhǎng)度，適應(yīng)整車最大載重量36噸。運(yùn)送部隊(duì)或軍用物資車輛；燃料運(yùn)輸，糧食運(yùn)輸車輛；醫(yī)療、通訊、搶險(xiǎn)、維修車輛；向?yàn)?zāi)區(qū)運(yùn)送各種救災(zāi)物資車輛等。

4 結(jié)束語

針對(duì)國(guó)內(nèi)事故災(zāi)害頻發(fā)，地形復(fù)雜等特點(diǎn)，為提高應(yīng)急條件下車輛機(jī)動(dòng)性及保障車廂和廂內(nèi)精密設(shè)備性能更可靠，該裝置作為國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目和重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目中關(guān)鍵技術(shù)的研究。通過系統(tǒng)性能試驗(yàn)和“4·20”蘆山地震應(yīng)用結(jié)果表明，無扭矩平衡裝置在運(yùn)輸移動(dòng)醫(yī)療、通訊系統(tǒng)等車輛過程中對(duì)于緩沖保護(hù)精密儀器設(shè)備及廂體起著重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]Crossmobil GmbH.Heavy Goods Vehicle [P].GermanyEP1231129A

2，Aug 14，2002.

[2]徐達(dá)，蔣崇賢.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[3]Zeppelin-Systemtechnik GmbH.Truck [P].Germany EP0583750A2， May 27，1997.