中置軸車輛運(yùn)輸車底盤降高技術(shù)方案淺析

魏文義

北京福田戴姆勒汽車有限公司 北京 101400

1 前言

隨著GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》的頒布及交通運(yùn)輸部重點(diǎn)治理轎運(yùn)車市場(chǎng)的9.21治超新政嚴(yán)格實(shí)施的推進(jìn)，整個(gè)轎運(yùn)車行業(yè)也將向規(guī)范化方向發(fā)展。筆者公司積極響應(yīng)國家政策法規(guī)號(hào)召，開發(fā)出了完全符合國家法律、法規(guī)的車輛運(yùn)輸車——某型號(hào)中置軸車輛運(yùn)輸車，其整車高度低，裝載量大且行駛穩(wěn)定性高，安全可靠、節(jié)能省油，是未來運(yùn)輸乘用車輛的主要工具。

該車型開發(fā)的最大難點(diǎn)是怎樣降低整車高度。GB 1589-2016對(duì)整車外廓尺寸做了明確規(guī)定，其中車輛運(yùn)輸車整車高度要求小于4 m。交通部《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定（交通運(yùn)輸部令2016年第62號(hào)）》要求：車貨總高度從地面算起不超過4 m[1]。

2 降高技術(shù)方案

中置軸車輛運(yùn)輸車整車結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括牽引貨車和中置軸掛車，兩者通過牽引機(jī)構(gòu)聯(lián)接在一起。牽引貨車上配置貨臺(tái)后可裝載4～5臺(tái)乘用車輛，中置軸掛車上配置貨臺(tái)后也可裝載4～5臺(tái)乘用車輛。

從圖1中可以看出，降低整車高度的途徑有：a.降低牽引貨車駕駛室高度；b.降低牽引貨車車架高度；c.降低中置軸掛車車架高度；d.對(duì)裝載的乘用車采用合理的疊裝方式，以降低裝車高度。其中第a、b項(xiàng)由底盤生產(chǎn)企業(yè)來完成，c、d項(xiàng)由改裝企業(yè)來完成。底盤生產(chǎn)企業(yè)努力將牽引貨車駕駛室高度及車架高度降到最低，以便給改裝企業(yè)留出更多的改裝空間，減小改裝難度。

某型中置軸車輛運(yùn)輸車以普通平板運(yùn)輸車為基礎(chǔ)，通過采用合理的降高改進(jìn)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)整車降高。普通平板運(yùn)輸車在進(jìn)行整車設(shè)計(jì)時(shí)，從節(jié)省空間及降低成本的角度考慮，各零部件之間都設(shè)計(jì)得很緊湊，且安裝位置都較為固定，可調(diào)范圍很有限。要想在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行降高，難度較大。通過對(duì)整車各系統(tǒng)反復(fù)分析研究，從駕駛室高度、車架縱梁高度、前后懸架高度、輪胎高度幾個(gè)環(huán)節(jié)入手，確定了切實(shí)可行的降高技術(shù)方案。

2.1 降低駕駛室高度

中置軸車輛運(yùn)輸車需要在駕駛室頂部加裝一臺(tái)乘用車，所以駕駛室高度必須降低。降低駕駛室高度可采用降低駕駛室懸置高度和降低駕駛室本體高度兩個(gè)方案。降低駕駛室懸置高度簡單易行，成本低、周期短，但降高貢獻(xiàn)小，對(duì)其他系統(tǒng)影響大；降低駕駛室本體高度需要調(diào)整相應(yīng)的模具，工程復(fù)雜、成本高、周期長，但降高貢獻(xiàn)大，對(duì)其他系統(tǒng)影響小。在具體的車型設(shè)計(jì)中，為滿足整車降高要求，這兩個(gè)方案可單獨(dú)采用，也可聯(lián)合采用。該型中置軸車輛運(yùn)輸車從成本和周期角度考慮，采用降低駕駛室懸置高度的方案。

在不變動(dòng)彈性元件的情況下通過對(duì)駕駛室前后懸置結(jié)構(gòu)件的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使駕駛室高度降低60 mm，這樣可使懸置系統(tǒng)的減振性能不受影響。同時(shí)還要保證駕駛室翻轉(zhuǎn)時(shí)不能與其他零部件發(fā)生干涉，保證駕駛室與發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件間留有合理的動(dòng)、靜態(tài)間隙。

駕駛室懸置降低后影響的系統(tǒng)主要有：前保險(xiǎn)杠、護(hù)輪罩、發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.1.1 對(duì)前保險(xiǎn)杠的影響

駕駛室懸置高度降低時(shí)，前保險(xiǎn)杠應(yīng)一同下移，盡量保持其駕駛室相對(duì)位置關(guān)系不變，以保證車身翻轉(zhuǎn)時(shí)不與其他零部件發(fā)生干涉，同時(shí)保持駕駛室整體視覺效果不變。

前保險(xiǎn)杠一般是通過螺栓固定在車架前橫梁垂直腹面上的，如圖2所示，其能否隨駕駛室一起下移，取決于前橫梁結(jié)構(gòu)尺寸及前橫梁與車架的聯(lián)接方式。

前橫梁與車架的聯(lián)接方式一般有3種：

a. 直聯(lián)式。如圖2所示，前橫梁與左右縱梁通過螺栓或鉚釘直接聯(lián)接在一起。

b. Z型前接梁形式。如圖3所示，前橫梁與左右縱梁通過Z形前接梁，再用螺栓聯(lián)接在一起。

c. 鑄造前接梁形式。如圖4所示，前橫梁與左右縱梁通過鑄造前接梁，再用螺栓聯(lián)接在一起。

圖2 前保險(xiǎn)杠固定位置示意圖

圖3 前保險(xiǎn)杠固定位置示意圖（Z型前接梁）

圖4 前保險(xiǎn)杠固定位置示意圖（鑄造前接梁）

如圖2～4所示，普通平板車受前橫梁結(jié)構(gòu)尺寸限制，保險(xiǎn)杠下移空間有限。如下移量較大，其在前橫梁上的螺栓固定點(diǎn)就會(huì)移出前橫梁下端面，導(dǎo)致無法固定。此問題可通過改變保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)或前橫梁結(jié)構(gòu)來解決，但保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的更改涉及模具變動(dòng)，成本高、周期長。因此考慮采用改變前橫梁結(jié)構(gòu)的方案，對(duì)于Z型前接梁和鑄造前接梁結(jié)構(gòu)的前橫梁進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，前接梁也要做相應(yīng)的調(diào)整，這樣也存在變化大、成本高、周期長的問題。相對(duì)而言，在圖2所示的直聯(lián)式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)要簡單許多。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 前保險(xiǎn)杠下移后前橫梁改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5所示結(jié)構(gòu)僅在原前橫梁的內(nèi)側(cè)下部增加2個(gè)倒U型支架，其底部與前橫梁焊接在一起，頂部與左右縱梁下部貼合，并通過螺栓聯(lián)接固定。此結(jié)構(gòu)僅對(duì)前橫梁進(jìn)行了簡單改動(dòng)，左右縱梁等其他部分均不變，加工簡單，成本低，周期短，效果好。同時(shí)前橫梁截面增大后，應(yīng)在其上增加相應(yīng)的通風(fēng)孔，以保證冷卻水箱通風(fēng)良好。

2.1.2 對(duì)護(hù)輪罩的影響

護(hù)輪罩須隨駕駛室一同下移，下移后應(yīng)作轉(zhuǎn)向輪跳動(dòng)圖，確定轉(zhuǎn)向輪跳至最高位置并同時(shí)向左、向右轉(zhuǎn)至極限位置時(shí)其與護(hù)輪罩之間留有20 mm左右的間隙，若此間隙過小，可通過以下方案解決：

a. 選用小直徑輪胎。輪胎直徑的選用時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮其承載能力。

b. 改變護(hù)輪罩選形。改變護(hù)輪罩選形,涉及到模具變動(dòng)，成本高、周期長。

c. 減小駕駛室下移量。上述兩個(gè)方案不可行時(shí)，可適當(dāng)減小駕駛室下移量。

開發(fā)車型選用無內(nèi)胎低扁平輪胎315/60R22.5，直徑小，但寬度大。經(jīng)做轉(zhuǎn)向輪跳動(dòng)圖檢查，極限位置時(shí)其與下移后的護(hù)輪罩間隙為20 mm，滿足要求。

2.1.3 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

如圖6所示，駕駛室下移后，發(fā)動(dòng)機(jī)也應(yīng)一同下移，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水箱與駕駛室底板間留有合理的間隙A（一般取50 mm），以防止兩者動(dòng)態(tài)干涉，同時(shí)有利于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱，避免過多熱量傳遞到駕駛室。發(fā)動(dòng)機(jī)下移導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)重新布置，同時(shí)油底殼與前橋工字梁的間隙B變小，為解決此問題，工字梁需采用二級(jí)下沉結(jié)構(gòu)，以增大此間隙。此間隙應(yīng)大于前橋懸架的動(dòng)撓度，以防止兩者動(dòng)態(tài)干涉。工字梁下沉還應(yīng)考慮其離地間隙不能過小，以提高其通過性。GB/T 26774-2016規(guī)定，空載狀態(tài)下，車輛運(yùn)輸車的最小離地間隙應(yīng)不小于150 mm[2]。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)布置示意圖

圖6所示發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇中心與曲軸中心偏心布置，因此冷卻水箱頂部高出發(fā)動(dòng)機(jī)頂部。為了能使車身高度進(jìn)一步降低，可將發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇與曲軸同心布置，這樣可明顯降低水箱高度，為駕駛室降低留出更多空間。但這種方式會(huì)使水箱的離地間隙變小，在車輛行駛過程中易使水箱受損。

2.2 降低車架縱梁截面高度

降低車架縱梁截面高度，不僅可以降低駕駛室離地高度，還可降低車架離地高度，有效增大上裝改裝空間。縱梁截面高度降低后，可采用增加其厚度或采用雙層梁的方法來提高其強(qiáng)度。車架強(qiáng)度應(yīng)通過CAE分析計(jì)算，并安排可靠性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)車型采用了250 mm高的雙層車架，較平板通用286 mm單層車架降高36 mm。

車架強(qiáng)度CAE分析采用Radioss13.0軟件作為解算器，建立車架分析模型如圖7所示。

圖7 整車有限元模型

圖8 扭轉(zhuǎn)工況車架應(yīng)力云圖

計(jì)算分彎曲、沖擊、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、扭轉(zhuǎn)5個(gè)工況進(jìn)行，其中扭轉(zhuǎn)工況下初始設(shè)計(jì)狀態(tài)車架最大應(yīng)力發(fā)生在縱梁前橋后吊耳（左右基本一致）安裝位置，最大應(yīng)力值為1 163.4 MPa；設(shè)計(jì)更改后最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱梁前橋后吊耳處，主要是右側(cè)較大，最大應(yīng)力值為462.5 MPa。應(yīng)力云圖如圖8所示。

各工況計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 各工況下車架應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.3 降低底盤懸架高度

降低底盤懸架高度時(shí)應(yīng)考慮前懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)干涉問題以及整車姿態(tài)、前后懸架偏頻匹配。為此，前后懸架采用了少片簧結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整板簧與前橋間墊板的高度，實(shí)現(xiàn)降高7 mm，通過降低二級(jí)落差橋板簧支承面高度，實(shí)現(xiàn)降高13 mm。《汽車設(shè)計(jì)》給出了圖9所示的校核圖[3]。根據(jù)重卡設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)懸架系統(tǒng)靜撓度fc和動(dòng)撓度fd取值100 mm時(shí),轉(zhuǎn)向拉桿與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉量HG和H1G1應(yīng)小于5 mm，則兩者的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性是良好的，如果干涉量大于5 mm，就需要對(duì)墊板高度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，必要時(shí)也可通過轉(zhuǎn)向桿系的調(diào)整來減小干涉量，若調(diào)整桿系，還要做如下校核：

a.檢查向左、向右轉(zhuǎn)向的極限范圍內(nèi)桿件的運(yùn)動(dòng)是否存在死點(diǎn)或死角；

b.檢查側(cè)傾轉(zhuǎn)向不足性。車輛在任何工況，包括側(cè)傾時(shí)，應(yīng)有適度的不足轉(zhuǎn)向，若側(cè)傾時(shí)存在過度轉(zhuǎn)向，應(yīng)將轉(zhuǎn)向搖臂球鉸中心A高度適當(dāng)調(diào)整，使轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心在側(cè)傾運(yùn)動(dòng)時(shí)直拉桿對(duì)其產(chǎn)生一定的與轉(zhuǎn)向方向相反的補(bǔ)償量，從而使不足轉(zhuǎn)向度在0°～1.0°之間；

c.檢查制動(dòng)工況下，前板簧發(fā)生S變形時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干涉情況。并通過提高板簧剛度或降低轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心O的辦法來減小干涉量。

調(diào)整轉(zhuǎn)向懸架系統(tǒng)后，應(yīng)在試制車輛上安排性能試驗(yàn)及主觀評(píng)價(jià)，檢驗(yàn)其轉(zhuǎn)向操控性是否良好，是否存在轉(zhuǎn)向卡滯，是否存在被動(dòng)轉(zhuǎn)向、過度轉(zhuǎn)向、制動(dòng)跑偏、制動(dòng)點(diǎn)頭等問題。

圖9 轉(zhuǎn)向拉桿與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)校核圖

前懸架高度確定后，根據(jù)整車姿態(tài)要求和前后懸架偏頻匹配要求，對(duì)后懸架進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。后懸架高度的調(diào)整可通過調(diào)整后懸架與后橋間墊板高度來實(shí)現(xiàn)。偏頻匹配可通過調(diào)整懸架剛度來實(shí)現(xiàn)。

2.4 選用直徑輪胎

選用直徑小、承載高的無內(nèi)胎低扁平輪胎可有效降低整車高度。常用載重汽車輪胎直徑較大，部分輪胎廠最新推出的315/60R22.5和295/60R22.5是較為合適的選項(xiàng)。該輪胎直徑小、寬度大、承載能力高、在降高同時(shí)還能提高整車抗側(cè)傾能力。

選用小直徑輪胎以及降低懸架高度后，車架上燃油箱、電瓶箱、排氣EGP、尿素罐等零部件的布置位置不能太低，以防離地間隙太小，影響整車通過性。同時(shí)這些零部件布置時(shí)又不能高出車架上平面，否則會(huì)影響上裝的布置。因此部分高度尺寸較大的零部件需要結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

2.5 其他系統(tǒng)的變動(dòng)

駕駛室高度降低后，還會(huì)影響到以下系統(tǒng)：

a.轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的聯(lián)接花鍵行程發(fā)生了變化，需要重新進(jìn)行校核。

b.對(duì)于布置于駕駛室下方的進(jìn)氣系統(tǒng)空濾器，也應(yīng)隨一同下移。

c.駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)一般在底盤前懸架右側(cè)板簧支座上，該翻轉(zhuǎn)點(diǎn)應(yīng)隨駕駛室一同下移，為使翻機(jī)構(gòu)能采用現(xiàn)有零部件，此板簧支座結(jié)構(gòu)需進(jìn)行調(diào)整。

d.后視鏡、補(bǔ)盲鏡的視野范圍進(jìn)行校核，并根據(jù)校核結(jié)果做相應(yīng)的調(diào)整。

e.發(fā)動(dòng)機(jī)隨駕駛室下移后，變速器、傳動(dòng)軸也應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整。

通過采用上述降高技術(shù)措施，該中置軸車輛運(yùn)輸車底盤高度在原平板車底盤高度上降低了165 mm，滿載高度達(dá)到了2 670 mm，為目前國內(nèi)同類產(chǎn)品最低高度。底盤高度的降低，不僅有利裝載更多品牌型號(hào)的乘用車，同時(shí)還使整車質(zhì)心降低，有利于提高其行駛穩(wěn)定性，也能降低風(fēng)阻，減少油耗。

3 結(jié)語

隨著GB 1589-2016的頒布及交通運(yùn)輸部重點(diǎn)治理轎運(yùn)車市場(chǎng)的9.21治超新政的嚴(yán)格實(shí)施，車輛運(yùn)輸車降高勢(shì)在必行。本文從運(yùn)輸車輛整車結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了相關(guān)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了合理的降高技術(shù)途徑及技術(shù)方案，以供廣大同行借鑒。