水陸兩用車可收放前輪懸架的結構設計*

李千耀 ，于利民

（山東交通學院船舶與港口工程學院，山東 威海 264209）

0 前言

隨著經濟的快速發展，人民群眾越來越懂得享受，休閑垂釣的市場越來越大。針對休閑垂釣的人群及功能，適用于休閑垂釣且便于操作的水陸兩用車將有廣闊的發展前景。該車兼具陸地車輛和水上船舶的功能，同時具備自行實施由陸入水、由水登陸的能力。

為了減小水陸兩用車水上行駛的阻力，提升水上航速，筆者設計了一種將前輪下緣收起至與車底一致的懸架機構。研究顯示，將車輪收起后可有效減少水上航行時總阻力的25%[1]左右。因此，在水陸兩用車的研究中，設計收放式懸架系統十分必要。

1 研究現狀

MARCH J DAVI[2]采用了依靠氣缸、氣囊等部件實現車輪收放的方法，將減震器和氣缸平行安裝在控制臂與車架之間，氣囊兩端分別連接減震器和控制臂，依靠氣囊和氣缸的伸縮完成車輪的收放。或者上下兩個氣囊、減震器安裝在控制臂和車架之間，當上氣囊收縮且下氣囊膨脹時，車輪被提起；當上氣囊膨脹且下氣囊收縮時，車輪被放下。

孫榮哲[3]提出收放輪結構完全放在車體外側，由電機經過減速箱轉動搖臂，從而拉起減震器，減震器帶動傳動臂轉動，實現對車輪的收縮。同時，設置了上下限位塊，在上、下止點位置，減震器和搖臂保持平行，此時的搖臂只受到拉力或壓力。

劇冬梅等[4]設計了一種電驅動轉向的水陸兩用車的可收放懸架方案，水陸兩用車四個車輪分別安裝輪轂電機，實現差速轉向。因此，在車輪提升過程中，不涉及驅動機構和轉向機構帶來的運動干涉。懸架上橫臂與叉骨連桿連接，叉骨連桿與車輪鉸接，下橫臂一端與車輪固定，減振器一端鉸接于下橫臂；設置了主動搖臂，兩端分別與車體和減振器鉸接，主動搖臂上方設置了限位塊。

2 收放式前懸架的方案設計

本水陸兩用車收放式前輪懸架的設計基于麥弗遜式前懸架，為保證前輪的收放過程中無運動干涉情況的出現，需對前輪懸架進行運動分析及方案設計。

2.1 收放式前懸架運動分析

建立如圖1所示的收放式前懸架運動簡圖，旨在分析液壓缸收縮長度、前輪提起高度、控制臂擺角、驅動軸伸縮及擺角、轉向器擺角等之間的關聯性。圖中實線的部分表示前輪未被提起的狀態，虛線部分表示前輪被提起的狀態之一。A點代表液壓缸安裝的上止點，B點代表控制臂與副車架安裝的鉸支點，A到B點的距離用a表示；C點表示前輪提起前的位置，C'點表示前輪提起后的位置，A點到C、C'的距離用lAC、lAC'表示。α表示AB與BC之間的夾角，L表示控制臂的長度。θ表示控制臂轉動的角度，h為A點到BC'的垂直距離，垂足D將BC'分為BD和DC'，長度分別為b2和b1。

圖1 前輪收起運動簡圖

在車輪提起高度不高（≤300 mm）的情況下，認為控制臂球頭點提升的高度H約等于車輪提升的高度[5]。根據機構運動的幾何關系，得出：

由此可得：

又因b12+h2=lAC'2，將b1、h、θ帶入，得到：

所以液壓缸收縮的距離Δ和前輪提升高度H之間的關系為：

對于本次設計的可收放式懸架各部分尺寸取值為：a=820 mm、lAC=815 mm、α=75°、L=415 mm，設計提升高度H=160 mm，將數值代入得到：

由此得出，要實現前輪提升高度160 mm，至少需要液壓缸的收縮距離為155 mm。

2.2 收放式前懸架的零部件設計

為保證前輪的收放過程中無干涉情況，且滿足強度要求，需對前輪懸架各零部件進行結構設計。

2.2.1 控制臂的設計

為了水陸兩用車前車輪收放功能的實現，基于兩用車密封空間布局設計，前懸架的控制臂設計為近似等邊長三角形的三角擺臂。控制臂內側設計前后兩個襯套，且與副車架相連，并同軸布置，以便前車輪提升時，控制臂繞著襯套軸線轉動。控制臂的前后兩個襯套距離370 mm，保證足夠的穩定性；襯套設計為橡膠空心套，以便減緩各種行駛工況下前懸架的沖擊和振動[6]。控制臂外側設計為球頭，與轉向節總成相連。

2.2.2 驅動軸的設計

采用球籠式等速萬向節實現動力傳遞，其中與差速器相連的筒形殼與驅動軸之間有0～20 mm的軸向伸縮量，以適應前輪收起時帶給驅動軸長度的變化[7]。前輪未被提起時，驅動軸在水平面以下-8°的狀態。在前輪收起的過程中，驅動軸與筒形殼的距離先變小后變大，過長的驅動軸在此過程中將與筒形殼發生干涉。因此，為了滿足前懸架的收放功能，本設計采用1 650 mm的驅動軸長度。

2.2.3 減振系統的設計

減振系統主要包括阻尼器與彈簧，具體設計如下所示：

1）阻尼器下支點的位置決定了轉向節總成的定位，因此，在設計時首先要保證尺寸的合理性，以免與其他零部件產生干涉。

2）隨著陸地行駛時的顛簸或由陸地行駛狀態收起前輪至最高點的過程中，前懸架主銷軸線（減振器上支點中心與控制臂球頭的球心連線）繞著減振器上支點中心變化，主銷內傾角（主銷軸線與過控制臂球頭球心垂直線的夾角）會隨之變化。根據陸地行駛車輛主銷內傾角取值范圍為7°～13°[8]，本次設計主銷內傾角為9°。

3）為保證前輪收起的高度，合理設計彈簧。選用在汽車懸架上應用廣泛的壓縮型螺旋彈簧，且根據彈簧所受載荷P=4 900 N，選用的材料為60Si2MnA彈簧鋼絲冷卷制成[9]。彈簧鋼絲剪應力τ表示為：

由此可得彈簧鋼絲直徑d：

查得彈簧鋼絲許用剪應力[τ]=590 MPa，取纏繞比C=7，曲度系數K=1.21，則求得d≥13.4 mm，取彈簧鋼絲直徑d=14 mm。根據阻尼器外徑尺寸大小，取彈簧中徑Dm=98 mm，彈簧其他參數如表1所示[10]。

表1 彈簧的其他參數

根據車輛重量、收起高度等因素，本設計彈簧上、下安裝座的距離為384 mm。

2.2.4 液壓缸的安裝定位

在水陸兩用車前橋有限的空間內，為保證滿足車輪收起的160 mm高度、液壓缸的收縮至少155 mm距離要求，選取行程為200 mm的液壓缸。根據所選取液壓缸的型號尺寸，為了使結構更加緊湊，液壓缸下支點應在合理范圍內盡量靠下布置。本設計采用液壓缸下支點的固定連接件與阻尼器下支點使用相同的螺栓固定。為保證前輪收起時，液壓缸的拉力盡可能多地作用在減振系統上，應使液壓缸與減振系統的軸線平行[11]。

2.3 可收放前懸架的結構方案

可收放前懸架以液壓缸作為主動元件，通過壓縮減振系統，實現收放前輪的功能。可收放前懸架機構，如圖2所示。

圖2 左側收放式懸架結構圖

收起前輪的具體方式如下：

所設計的懸架為獨立前懸架，其中，前輪既是驅動輪也是轉向輪，轉向節總成3通過剎車盤、輪轂等與前輪相連，驅動軸總成9包括驅動軸和內、外球籠萬向節總成，外球籠萬向節總成與轉向節總成相連接，內球籠萬向節總成與差速器相連。轉向節總成下端通過球頭銷4與控制臂5相連，控制臂內側兩個襯套通過螺栓與前副車架上的鉸鏈座7連接，控制臂可以沿著襯套軸線8相對副車架6轉動。液壓減振系統由液壓缸10、螺旋彈簧2、L形連接件11、阻尼器1構成。阻尼器1上端通過軸承、橡膠襯套固定在車身上，下端與轉向節總成3通過螺栓固定連接。液壓缸10上支點固定在車身上，下端通過帶有柱銷的L形連接件11與阻尼器1及轉向節總成3相連。轉向機構包括轉向器14、轉向橫拉桿13、轉向節總成3。轉向器14通過螺栓固定在前副車架上，其內部通過齒輪與齒條配合可使轉向橫拉桿13相對于轉向器直線移動，轉向器14兩端通過球鉸鏈15與轉向橫拉桿13相連，轉向橫拉桿13通過球頭銷12與轉向節總成3相連。

當液壓缸10收縮時，阻尼器1和彈簧2壓縮，液壓缸下支點帶動阻尼器1下支點及轉向節總成3上移，此時，控制臂5通過球頭銷4隨著轉向節總成3繞襯套軸線8向上擺動；驅動軸總成9的球籠萬向節為適應前輪提升而發生角度偏移，驅動軸相對副車架6向上轉動；轉向拉桿通過球頭銷12與球鉸鏈15跟隨轉向節總成3相對副車架6向上轉動，前輪被提起。

3 結論

研究小組設計了一種基于麥弗遜式懸架的可收放前輪懸架結構，通過對收放式前懸架進行運動分析并對其零部件進行結構設計，實現水陸兩用車前車輪收起至下緣與車底一致的功能，從而達到水陸兩用車水上行駛時減阻提速的目的。