無扭矩平衡裝置的研究與應用

喬慧 田祥林 王娜娜

摘 要：我國地域廣闊，地形復雜，各種自然災害、交通事故、等頻繁發生，嚴重威脅人民生命財產安全。目前，國內用于醫療應急救援、通訊指揮、部隊雷達的車輛，由于均裝有精密儀器或設備，在經過惡劣道路條件后設備時常會出現故障問題，從而導致參與救援活動時受到一定的限制。為了更好提高汽車的通過性能和保護車廂及廂內的儀器設備，因此，研究開發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，無扭矩平衡裝置技術在國內首次運用到醫療衛生裝備上，填補了國內空白。該裝置經過參加4·20蘆山地震等醫療救援實際運用和部隊實兵演練，驗證了其在野外復雜惡劣路況條件下能夠很好的保護車廂及內部精密設備，特別適合用于沙漠以及鄉村土路等復雜路況載有精密設備的專用車輛上。

關鍵詞：無扭矩平衡；抗顛簸；模塊化；緩沖保護；高機動

引言

近年來，國內地質災害頻發，人道救援成為國家各級部門特別是應急救援部門和社會各界最關心的問題，而提高救援裝備的高機動性、可靠性顯得十分必要，特別是車廂內精密設備的緩沖保護。通過對陸地車輛上裝設備的振動源進行分析，其主要影響因素有兩個：一是來自車輛行進時的發動機自身振動；二是來自車輛行進時底盤輪胎的跳動振動（特別是坑洼路面）。顯而易見，自身振動相對底盤車架對車廂的振動可以忽略不計。為解決該問題，國內現有的普遍解決方法有二：一是通過提高車內上裝設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。經過對上述兩種方法的分析不難看出，不僅對設備本身提高了要求，而且涉及設備較多。

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），再借助上述兩種現有普遍解決方案，這樣就大大提高了車輛的機動性和對設備的保護能力，甚至部分對精度要求較低的設備不需再逐個對設備本身和固定采用抗顛簸措施。

1 國內外現有連接對上裝的影響

1.1 連接形式

國內傳統汽車載有上裝部分（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。而國外在20世紀80年代初就開始發展這一新技術——無扭矩平衡裝置[3]（Torsion-free-body）。

1.2 影響

國內車輛在行車時（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，增加了大梁的應力，易造成底盤和上裝的疲勞破壞，減少車輛的壽命。同時在顛簸時上裝重心偏移量和離心力較大，影響行車穩定性和車速。而國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。克服傳統剛性連接結構的弊端，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

通過對國外該裝置的研究發現，裝有該裝置可以有效的提高整車機動性（尤其在越野條件下）和緩沖保護車廂及內部設備，但該裝置需要安裝于國內車輛底盤上，無論是從結構、材料、工藝還是其他相關（諸如性能試驗）方面都需進一步研究。

2.1 原理

如圖1，A，B，C三點決定一個平面，為了將車廂的重心落在BC線附近，我們采用二個三角形（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縱梁，當汽車在越野道路上行駛時，縱梁L1和L2會嚴重扭曲，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 結構

無扭矩平衡裝置（Multi-Free-Low）通過特殊設計的模塊化結構組合，采用高強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，克服傳統剛性連接結構的弊端，增加汽車使用壽命，更有效地保護醫療方艙和內部醫療設備，提高行駛速度和安全性。在大梁左右±15°偏轉扭曲時，上裝基本無扭曲，使整車重心更低和重量更輕，性能更優越。其設計結構效果圖見圖2。由于系統是由模塊化的組件構成，車輛底盤、副車架以及裝載平臺之間有明顯的技術分隔點。

圖2 無扭矩平衡裝置結構效果圖

2.3 功能特點

（1）當車輛在越野環境中行駛時，車子的底盤可自由扭轉。（2）所有車輪始終與地面接觸，保證車輛的驅動性能，提高機動性。（3）上裝部分可通過2個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，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動性能。（6）適合多種車體（車體可卸/更換）、系統重量低、重心低等。

2.4 國外現有結構及效果對比

國外早期的無扭矩平衡裝置（Torsion-free-body）采用中央放置的通軸結構和前后鉸接支撐，通過裝載平臺可繞中央通軸轉動來保護上裝設備。而后期的無扭矩平衡裝置（Multi-Free-Low）通過優化結構，取消圓管作為軸，設計為副車架和裝載平臺通過2x3Point連接形式。由圖3可以看出，在同樣路況扭曲條件下達到相同效果的同時，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與應用

3.1 性能試驗

做二個500mm高的跳板，分別置于對角的前后輪下，對汽車底盤的大梁嚴重扭曲變形觀察，當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）和底盤大梁時，經檢查，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 應用領域

由于采用模塊化結構設計，可根據不同車廂長度和載重量較快實現設計和制作，適用于幾乎所有越野和非越野卡車及長度，適應整車最大載重量36噸。運送部隊或軍用物資車輛；燃料運輸，糧食運輸車輛；醫療、通訊、搶險、維修車輛；向災區運送各種救災物資車輛等。

4 結束語

針對國內事故災害頻發，地形復雜等特點，為提高應急條件下車輛機動性及保障車廂和廂內精密設備性能更可靠，該裝置作為國家“十二五”科技支撐計劃項目和重慶市科技攻關計劃項目中關鍵技術的研究。通過系統性能試驗和“4·20”蘆山地震應用結果表明，無扭矩平衡裝置在運輸移動醫療、通訊系統等車輛過程中對于緩沖保護精密儀器設備及廂體起著重要作用。

參考文獻

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

2，Aug 14，2002.

[2]徐達，蔣崇賢.專用汽車結構與設計[M].北京：北京理工大學出版社，1998.

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