低位型重型越野汽車底盤的總體布置研究

龐建中 史全勝 宋建新 文

隨著空運能力的提升和現代戰爭跨域快速反應的需求，部分軍用重型汽車需要搭載運輸機進行遠程投放。

C-130運輸機是由美國洛克希德公司在20世紀50年代研制的多用途戰術運輸機，是世界上設計最成功、使用時間最長、服役國家最多的運輸機之一，全球總產量超過2 300架。C-130運輸機機艙段有效全長12.19 m，機艙高度2 590 mm，寬度2 717 mm，機艙承載能力1萬5 400 kg，如圖1所示。

目前國內常見的重型越野汽車底盤整車高度均超過3 m，底盤整備質量超過1萬kg，無法滿足C-130運輸機的要求?，F已成功開發出當今國內最輕、載質量最大的符合C-130運輸機載運的6×6重型越野車底盤。下面，基于該車型成功開發的經驗，介紹一下該款降高、重載、輕量化的越野底盤的布置和設計方法。

1 總布置及相關系統設計

總布置需要綜合考慮總體單位要求所提出的整車高度、接近角、上裝可利用長度等尺寸參數，底盤整備質量、軸荷等質量參數和各項通過性參數，車架、轉向系統、動力傳動系統、冷卻系統等安裝空間和性能的實現，確?？偛贾玫暮侠砘妥顑灮?。最終確定底盤的總布置方案為在已有定型底盤基礎上將駕駛室前置設計，動力系統后移，動力輔助系統上置到駕駛室后部的車架上面，懸架系統采用成熟模塊降高[1]。底盤外形圖如圖2、3所示。

圖1 C-130運輸機結構簡圖

底盤總布置設計分為降高設計、總體布置設計、相關系統設計和輕量化設計。

1.1 降高設計

根據總體單位要求給定的整車高度指標，基于車輛上下飛機時傾斜的可能性，確定底盤高度不高于2 550 mm，選擇高度合適的駕駛室并將駕駛室前置、懸架采用少片簧結構降高等措施，使底盤高度滿足設計要求。

1.1.1駕駛室前置低位布置

為滿足底盤高度要求，在設計之初首先選擇一款成熟的駕駛室，并根據駕駛室的外形尺寸，結合設計要求(例如駕乘人數，接近角等)，將駕駛室安裝位置進行前置并降低其高度，以實現整車高度降低。

與原基型平臺車型相比，底盤前懸位置前置840 mm，設計指標為2 250 mm，如圖4。

1.1.2車架

為實現駕駛室前置的布置實施方案，在成熟車架基礎上進行前懸加長并降低原平臺車型設計高度。

設計下沉式前接梁，與現有車架前懸部分采用螺栓聯接，加長車架前部(如圖5)，在確保接近角的前提下，實現駕駛室的前置和降低。由于底盤總體姿態的降低，出現了分動器到前驅動軸之間傳動軸與車架元寶梁、發動機飛輪殼、離合器殼等的干涉問題，為了滿足總布置要求，將元寶梁取消，增加一處橫梁(CAE分析剛度、強度均滿足要求)，既起到車架加強的作用，又起到傳動系中間支撐的作用，并限制了傳動軸跳動，消除了與發動機飛輪殼、離合器殼的干涉隱患(如圖6)。

1.1.3 懸架

基于底盤高度的要求，確定車架高度，底盤前懸架采用少片簧結構，后懸架采用斷開式平衡懸架結構(如圖7～8)。

少片簧與多片簧相比，應力分布更為合理，同時片數減少，片間摩擦減少，運動噪聲也隨之減少。

斷開式平衡懸架消除了傳統的懸架結構中平衡軸和傳動軸、推力桿之間的干涉點，使得驅動橋的上跳空間變大，在合理保證車橋跳動的情況下，有效降低了車架高度。分體懸架采用V型推力桿，由于三角形的穩定性好，使得V型推力桿具有良好的橫向定位作用，驅動橋的橫向竄動距離減小，可以提高懸架平衡軸的使用壽命，也可減少驅動橋輪胎的磨損，提高車輛橫向穩定性。為了確保整車的操縱穩定性，前后懸架均設計有穩定桿。

1.2 其他系統設計

由于采用駕駛室前置降高設計，導致目前主流的動力系統布置在駕駛室底盤下方的布置方式無法滿足設計要求，因此將動力總成后移、動力輔助系統調整到駕駛室后部的車架上面，轉向系統適應性設計，動力傳動系統也作出相應調整，以保證底盤高度滿足設計要求。

1.2.1 動力系統布置設計

圖2 2634A底盤側視圖

圖3 2634A底盤俯視圖

圖4 底盤駕駛室前置和原平臺車型駕駛室位置對比

圖5 前懸加長示意圖

圖6 傳動系中間支撐

圖7 前懸架結構

將發動機機體后移至駕駛室后部的車架內側，這一部分的上部空間，正好布置散熱系統和進排氣系統，將發動機進排氣系統布置于發動機左側上方，散熱系統布置在發動機右側上方(如圖9)，既滿足總布置要求，又可確保整車的通過性和涉水性能要求。

1.2.2 冷卻系統

由于駕駛室低位布置，冷卻系統原有空間被占用，導致發動機本體與冷卻系統分離，冷卻系統風扇所需的動力采用了液壓驅動形式，由發動機取力帶動液壓泵，油泵驅動馬達帶動風扇實現對冷卻系的散熱。液壓驅動裝置主要由驅動軸、液壓泵、液壓馬達、液壓油壺、油冷器等組成。由于總布置的限制，發動機的取力器位于后部，與上裝干涉，無法利用動力輸出，故采用發動機前端曲軸動力輸出，液壓泵布置于發動機前端，采用驅動軸輸出動力到液壓泵(如圖10)，液壓馬達、油冷器和液壓油壺布置在組合框架上方。液壓驅動機構簡圖如圖11所示。

1.2.3 傳動系統布置

為適應動力總成后移并提高底盤通過性，對分動器布置位置進行了相應調整。調整完畢后，為了消除前橋極限跳動時，分動器到前橋的傳動軸與發動機飛輪殼和離合器殼干涉，在前橋與分動器之間車架部位設計了橫梁，既可提升車架的剛度和強度，又可在橫梁上設計傳動系統中間支撐(見圖6)，以限制傳動軸的跳動，從而消除了運動干涉。

1.2.4 轉向系統

由于駕駛室前置以及底盤降高，在保證操縱輕便性和行駛安全性的基礎上，依據選用成熟零部件以及保證系統結構緊湊的設計原則，采取轉向機后移、臥式布置方式[2]，如圖12。

1.3 輕量化設計

由于C-130運輸機承載質量有限，受上裝承載質量的限制，設計輸入提出了明確的底盤整備質量指標要求，因此底盤要在確保汽車綜合性能指標不降低的基礎上對底盤結構進行輕量化設計，這樣不僅可以提升底盤的燃油經濟性能，還能夠改善底盤動力性能、制動性能。提高底盤可靠性和使用壽命主要圍繞新材料、新結構和新技術3個方面展開[3]。

圖8 后懸架結構

圖9 動力模塊布置

圖10 液壓泵安裝位置

圖11 風扇液壓驅動簡圖

圖12 轉向系統示意圖

1.3.1 新材料

新材料選擇鋁合金材質進行降重。鋁合金是一種輕質金屬，是底盤輕量化的理想材料，主要特點為密度小，比強度和比剛度高，還具有彈性和抗沖擊性能好、耐腐蝕、耐磨、高導電、高導熱等特點。

底盤變速器、油箱、壓縮空氣儲氣瓶和車輪等均采用鋁合金材質，通過采用鋁合金材料，相對于基礎車型來說，可減輕280 kg左右。

1.3.2 新結構

1.3.2.1 懸架

底盤前后懸架鋼板彈簧全部選擇少片簧(4片簧)，與多片簧相比質量可減輕約40%。同時，后懸架選用斷開式平衡懸架，相比整體式平衡懸架質量約降低210 kg，合計降低質量約270 kg。

1.3.2.2 駕駛室

駕駛室白車身也進行了輕量化設計。駕駛室白車身采用了輕量化的雙層復合結構與強度高的骨架蒙皮結構進行結合。駕駛室頂蓋在使用中會受到較強沖擊，因此需要有較高強度，頂蓋采用了橫縱梁骨架，外加1 mm厚蒙皮結構。底板的縱梁與懸置連接，行駛中受力較大，如果使用單一厚板成形，至少需要4～5 mm厚的材料；為了降重而不降低強度，設計時采用了1.75+1.75 mm雙層復合成形，使其整體的料厚減薄，自質量減少，但強度相當。駕駛室后圍和前圍，受力主要為顛簸時的扭轉力，為控制自質量采用內外板復合結構，內外板形成空腔，增大橫截面積，提高車身的抗扭。通過以上措施將駕駛室質量降低了100 kg。

1.3.2.3 輪胎

為同時滿足整車高度及承載的需求，底盤選型365/85R20-20PR輪胎，輪胎直徑與12.00R20相同，斷面寬度、承載能力與14.00R20相同，花紋為越野花紋，兼具了降高、承載能力和輕量化的要求，速度級別G(90 km/h)，滿足四級公路運輸要求。通過輪胎的選型應用，底盤相對于原車型降重520 kg。

1.3.3 新技術

新技術主要是通過應用CAE有限元分析技術，優化制造工藝，主要是對車架襯梁進行輕量化設計。

襯梁在幅高以及翼面不變的情況下，參照有限元分析結果，在幅面開多個不規則的減重孔，孔的橫向距離不大于1 000 mm，孔與孔之間的筋不小于80 mm，孔與上下翼面間距不小于60 mm，傳遞力的部位保持整體設計，如圖13。該輕量化車架雖為襯梁結構，仍可保證車架的扭轉剛度以及彎曲剛度，能滿足惡劣路況使用。

2 技術難點及解決

由于底盤的高度、整備質量和載質量的限制及高要求，在底盤設計中有以下難點并得以解決。

2.1 冷卻系統液壓泵的布置

由于駕駛室低位布置，冷卻系統原有空間被占用，導致發動機本體與冷卻系統分離，按照總布置設計要求，冷卻系統布置于發動機右側上方。冷卻系統風扇由液壓驅動，發動機取力帶動液壓泵，液壓泵驅動液壓馬達帶動風扇實現對冷卻系的散熱。

由于總體總布置對底盤的限制，當從發動機后部取力時，液壓泵本體與上裝干涉，為了獲取動力，確定采用發動機前端曲軸輸出動力，通過傳動軸和聯軸器實現動力輸出，驅動液壓泵(如圖10)，實現冷卻系統的工作。該布置方式在保證了總布置設計要求的基礎上，既實現了動力輸入，又減少了發動機后取力輸出口，同時還降低了發動機成本(發動機成本降低約為1萬元 )。

圖13 襯梁輕量化示意圖

2.2 分動器到前驅動橋傳動軸與發動機飛輪殼離合器殼干涉解決

為了保證駕駛室內部駕乘空間，發動機后移，相對于原平臺車型，發動機后移了221.7 mm。前驅動橋在極限上跳的情況下，分動器到前驅動橋的傳動軸和發動機飛輪殼、離合器殼產生干涉。為了消除干涉，在發動機底部車架上增加了下橫梁(見本文1.2.3)，從而解決了運動干涉等問題。

2.3 冷卻系統滿足高溫性能與噪聲控制的解決

由于發動機后移出駕駛室，駕駛室對發動機降噪的作用減小，按照總布置設計，進氣系統、排氣系統和散熱系統集成設計，進氣系統、排氣系統布置于發動機左上側，散熱系統布置于發動機右上側。主要噪聲源全部暴露在駕駛室外側，增大了噪聲控制的難度。

同時總體單位要求底盤最高工作環境溫度為+55℃，這就要求在對發動機及散熱系統進行降噪的同時，還要考慮預留足夠的通風空間。因此，增加散熱系統散熱量和降低噪聲成為了設計的主要矛盾。

通過理論建模和多輪試驗驗證，最終確定的方案為：

a.發動機上方、左右側增加隔音罩，但后部不安裝護罩，既可降低整車噪聲，又可確保底盤的高溫環境適應性；

b.匹配電子風扇，根據發動機出水溫度，自動控制風扇轉速，有效降低風扇無效功，并同時降低噪聲功率，有效改善車外噪聲；

c.進氣系統、排氣系統和散熱系統集成框架護罩設計為長條散熱孔，以提高散熱效率。

經過試驗驗證，底盤順利通過了汽車加速行駛車外噪聲測試和+55℃有載高溫熱平衡臺架試驗。

2.4 底盤輕量化與大承載矛盾的解決

由于C-130運輸機承載質量有限，總體單位提出了明確的底盤整備質量指標要求，同時還提出了越野載質量的要求。底盤越野載質量相對于原平臺車型的越野軸載質量增加了6 000 kg。

為了解決底盤輕量化設計和大承載的矛盾，對車架、懸架進行了多輪CAE有限元分析，車架部分對應力較大區域進行了局部調整，增加下橫梁，延長襯梁長度，采用高承載少片簧懸架，在滿足輕量化設計的同時有效保證了底盤的承載能力。

3 驗證情況

按照GJB 4527-2002《軍用越野汽車設計定型試驗規程》要求，底盤完成了各項性能試驗和3萬km可靠性試驗，試驗結果達到技術要求，具體關鍵技術參數試驗驗證結果如表1所示。

表1 低位型底盤技術參數試驗驗證與原平臺車型技術參數比較

4 總結

本文基于某低位重型越野底盤成功設計開發的經驗，介紹了一種滿足降高、輕量化、大承載需求的低位型重型越野底盤的總布置設計方法；在參照同類車型總布置的基礎上進行了重要的設計改進，在保證設計要求的基礎上提高了底盤的越野性能、動力性能和燃油經濟性，以滿足用戶對重型越野車輛的空運需求。底盤嚴格按照基型車狀態定型要求完成了性能和可靠性試驗，充分驗證了總體設計方案的合理性、可行性，完全滿足用戶需求。

上述方法和經驗可為行業中解決車輛特殊需求提供參考。通過對不同用途底盤總布置的不斷探索，逐步提升重型越野底盤的總體布置設計能力。