輕卡極限貨箱重載車型底盤總布置方案設(shè)計(jì)

李新紅

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 緒論

汽車的發(fā)展已有100多年的發(fā)展歷程，期間凝聚了人類的智慧使汽車不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，隨著信息技術(shù)、機(jī)械設(shè)備、石油、交通、電子商務(wù)、化工等多個(gè)行業(yè)的相互支撐，不斷地推動(dòng)汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，如今汽車的多功能性，多樣性極大地提高了社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的水平，成為當(dāng)今社會(huì)廣泛應(yīng)用的交通運(yùn)輸工具。

中國的汽車工業(yè)從誕生到現(xiàn)在經(jīng)歷了若干發(fā)展階段，如今中國汽車行業(yè)也在汽車領(lǐng)域中贏得了自己的一席之地。我國汽車企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和品牌主要體現(xiàn)在載貨汽車上，面對充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)的市場競爭，我們在汽車結(jié)構(gòu)，汽車使用材料，汽車性能，汽車節(jié)能環(huán)保和安全方面的技術(shù)要不斷地創(chuàng)新，滿足市場需求。

汽車總布置設(shè)計(jì)的原則：對設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行法規(guī)分析，以保證最終設(shè)計(jì)的產(chǎn)品滿足法律、法規(guī)的要求；了解客戶需求并對其進(jìn)行量化分析，提出能夠滿足客戶需求的整車產(chǎn)品概念與方案；保證整車動(dòng)力匹配、電子裝配以及整車主要總成的幾何布置設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)校核，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)；繪制整車總布置圖（2D，3D），協(xié)調(diào)部件安裝，使整車虛擬裝配協(xié)調(diào)完整，完成電子樣車組裝；完成整車各項(xiàng)計(jì)算工作，分析參考車型各項(xiàng)性能以及結(jié)構(gòu)。

本款極限貨箱重載版車型嚴(yán)格按照總布置設(shè)計(jì)原則開展。與競品車相比，性價(jià)比高，有較好的動(dòng)力性、整車爬坡度及承載力，且造價(jià)成本相對較低，滿足西南，西北等山區(qū)區(qū)域的需求。

2 產(chǎn)品開發(fā)需求及總布置方案

2.1 產(chǎn)品開發(fā)需求

開發(fā)滿足國V排放的高性價(jià)比產(chǎn)品，鞏固發(fā)展產(chǎn)品在市場的領(lǐng)先優(yōu)勢，開發(fā)車型軸距 3845mm，最大總質(zhì)量10500kg，采用標(biāo)準(zhǔn)型駕駛室，3.8L發(fā)動(dòng)機(jī)，最大傳遞扭矩為539N·m變速器，增加離合助力、動(dòng)轉(zhuǎn)、排輔，中控鎖，鋁合金油箱，鋁合金儲(chǔ)氣筒，多功能方向盤（帶定速巡航、娛樂控制），ABS，2300mm寬貨箱，LED日間行車燈，加寬倒車鏡。從而提升輕卡產(chǎn)品在西北、西南等山區(qū)區(qū)域的市場競爭力。

2.2 總布置方案

在現(xiàn)有輕卡產(chǎn)品基礎(chǔ)上縮短軸距, 采用最大傳遞扭矩為539N·m變速器，提升整車爬坡度；增加離合助力、動(dòng)轉(zhuǎn)，提高整車的操縱輕便性；采用直通梁車架，采用子午輪胎，2300mm寬貨箱，提升整車承載力；標(biāo)配排氣輔助制動(dòng)，斷氣剎，充分滿足山區(qū)長坡的制動(dòng)可靠性要求；空調(diào)裝置，MP3提高整車的乘坐舒適性；其余主配置保持與基礎(chǔ)車型一致，以提高產(chǎn)品通用性。設(shè)計(jì)中貫徹先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，注重IT信息技術(shù)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。設(shè)計(jì)中應(yīng)貫徹國標(biāo)、行業(yè)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，重視國家發(fā)布的與國際接軌的有關(guān)汽車標(biāo)準(zhǔn)。

3 產(chǎn)品配置相關(guān)參數(shù)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)采用★★型號(hào);

額定功率/轉(zhuǎn)速：115kw/2600rpm;

最大扭矩/轉(zhuǎn)速：500Nm/(1200-1900)rpm;

排量：3.8L發(fā)動(dòng)機(jī)凈質(zhì)量：335kg；

發(fā)動(dòng)機(jī)帶φ350膜片彈簧離合器；

發(fā)動(dòng)機(jī)外形圖如下：

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)正視圖

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)左視圖

3.2 離合器

離合器通常安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間，其主動(dòng)部分與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪相連，從動(dòng)部分與變速器相連。在車輛行駛過程中，車輛掛擋起步時(shí)，左腳逐漸抬起離合器踏板，右腳逐漸踏下加速踏板使發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量增大，才能使車輛緩緩起步。換擋時(shí)，只有將離合器踏板踏下后，才可能避免變速器齒輪打齒沖擊；緊急制動(dòng)時(shí)若來不及踩離合踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)都受到很大沖擊，但發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)件并沒有因此而過載損壞。

本設(shè)計(jì)采用膜片彈簧離合器，為了使離合器接合柔和，啟動(dòng)平穩(wěn)，從動(dòng)盤鋼片通常采用薄彈簧鋼板制成，單片離合器從動(dòng)盤鋼片具有軸向彈性結(jié)構(gòu)，摩擦襯片應(yīng)有較大的摩擦因數(shù)、良好的耐磨性和耐熱性。摩擦襯片做成塊狀，使飛輪和壓盤表面更多的暴露在空氣中，提高散熱能力，而且塊狀摩擦片不易變形，降低從動(dòng)盤翹曲的傾向，容易做到分離徹底。同時(shí)也提高了使用壽命。

采用膜片彈簧離合器，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）膜片彈簧兼起壓緊彈簧及分離杠桿的雙重作用，從而使離合器結(jié)構(gòu)有很大的簡化，而且縮短了離合器的軸間距；

（2）膜片彈簧在高速下不會(huì)因離心力產(chǎn)生彎曲而導(dǎo)致彈簧壓緊力下降，即高速時(shí)壓緊力穩(wěn)定；

（3）膜片彈簧離合器結(jié)構(gòu)簡單，軸向尺寸小，彈性特性好、操縱輕便；

（4）膜片彈簧與壓盤的整個(gè)圓周接觸，從而使壓緊力均勻分布、摩擦襯片磨損均勻、彈力不受離心力影響；

離合器主要基本性能參數(shù)確定：

摩擦系數(shù)f的確定，影響離合器摩擦系數(shù)的因素很多，很復(fù)雜，本設(shè)計(jì)不詳細(xì)討論，通過查閱文獻(xiàn)資料并與企業(yè)咨詢后確定取f=0.25。

離合器后備系數(shù)β的確定，后備系數(shù)是膜片彈簧離合器選取的一個(gè)重要參數(shù)，它最能體現(xiàn)離合器傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩的可靠度。

以下用φ300，φ350膜片彈簧離合器的后備系數(shù)計(jì)算比較：

表1

φ350離合器后備系數(shù) β=1.55，滿足設(shè)計(jì)要求，φ300離合器后備系數(shù)β=0.84，不滿足設(shè)計(jì)要求，通過計(jì)算比較選擇φ350離合器。

3.3 變速箱

變速器使車輛在行駛過程中遇到復(fù)雜道路時(shí)，能夠使汽車驅(qū)動(dòng)力和車速能在相當(dāng)大的范圍變化，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在功率較高而油耗較低的工況下工作，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的情況下，用倒擋使汽車反方向行駛；在發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火情況下，用空擋中斷動(dòng)力傳遞，便于汽車起動(dòng)、怠速、換擋以及動(dòng)力輸出。

變速箱采用兩軸是變速箱，倒擋為常嚙合齒輪并用同步器換擋；同步器多裝在輸出軸，因?yàn)橐粰n主動(dòng)齒輪尺寸小，同步器裝在輸出軸上有困難，而高擋同步器可以裝在輸入軸后端。

這樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，輪廓尺寸小，布置方便中間檔位傳動(dòng)軸效率高和噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)選擇兩款變速器作對比，后橋主減速比選取4.875；A型：許用最大輸入扭矩539Nm，各檔速比如下：

表2

變速器Ⅰ型扭矩校核：

Ⅰ型變速器最大允許輸入扭矩為Tt=539N?m，后備系數(shù)

滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)Ⅰ型變速器扭矩較富裕。

B型：許用最大輸入扭矩450Nm，各檔速比如下：

表3

變速器Ⅱ型扭矩校核：

Ⅱ型變速器最大允許輸入扭矩為Tt=450N?m，后備系數(shù)

通過設(shè)計(jì)計(jì)算選用Ⅱ型變速器后備系數(shù)偏小，不能夠傳遞大的轉(zhuǎn)矩，使離合器因滑磨而使磨損加快，縮短離合器使用壽命。

兩個(gè)變速箱通過計(jì)算并進(jìn)行對比分析，最終選擇選擇變速器A型。

3.4 傳動(dòng)軸

此極限重載版貨車采用兩節(jié)傳動(dòng)軸雙聯(lián)機(jī)構(gòu)；

根據(jù)設(shè)計(jì)開發(fā)要求傳動(dòng)軸軸管管徑為Φ90×3，對該車傳動(dòng)系校核是否滿足設(shè)計(jì)要求。

扭轉(zhuǎn)應(yīng)力校核：

表4

據(jù)上述計(jì)算，傳動(dòng)軸軸管的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為88.27MPa，小于180MPa的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

注：材料屈服極限 300MPa，考慮到快速連接沖擊等因素，取安全系數(shù)為2.5，則許用應(yīng)力為180 MPa。

傳動(dòng)軸長度校核：

因整車相對于基礎(chǔ)車型軸距發(fā)生變化，傳動(dòng)軸長度要做相應(yīng)調(diào)整。傳動(dòng)軸尺寸校核圖如下：

圖3 傳動(dòng)軸尺寸校圖

經(jīng)過傳動(dòng)系尺寸鏈校核，傳動(dòng)軸裝置出專用，在現(xiàn)有傳動(dòng)軸裝置的基礎(chǔ)上傳動(dòng)軸長度縮短855mm；

臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算：

在選擇傳動(dòng)軸長度和斷面尺寸時(shí)，應(yīng)考慮使傳動(dòng)軸有足夠高的臨界轉(zhuǎn)速。假設(shè)斷面均勻一致，兩端自由支撐的彈性橫梁，由機(jī)械振動(dòng)理論可知，對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為：

傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速為：

式中，nk為傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速(r／min)；LC為傳動(dòng)軸長度(mm)，即兩萬向節(jié)中心之間的距離；dc和Dc分別為傳動(dòng)軸軸管的內(nèi)、外徑(mm)。

在設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸時(shí)，取安全系數(shù) K=nk／nmax=1.2～2.0，K=1.2用于精確動(dòng)平衡、高精度的伸縮花鍵及萬向節(jié)間隙比較小時(shí)，nmax為傳動(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速(r／min)。

安全系數(shù)校核：

表5

傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速安全系數(shù)為3.28＞1.5，滿足要求。

傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角校核：

結(jié)果如下：

表6

說明： 應(yīng)使?jié)M載和空載兩種工況下的當(dāng)量夾角盡量不大于3°，另外，應(yīng)該使萬向節(jié)傳動(dòng)兩端的夾角盡量相等，其數(shù)值在滿載靜止時(shí)不應(yīng)大于4°，空載最大不應(yīng)超過7°。傳動(dòng)軸長1915mm，傳動(dòng)軸相位采用+-+，當(dāng)量夾角計(jì)算滿足要求。

3.5 前橋

借用，工字梁，額定軸荷3500kg，前輪距：1660mm, 板簧距：860m。

3.6 后橋

借用，軸管梁，額定軸荷 7500kg，后輪距：1728mm，板簧距：1015mm，最大輸出扭矩：14200N.m；

所選的后橋速比應(yīng)保證汽車最佳的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性；工作平穩(wěn)，噪聲小，傳動(dòng)效率高，具有必要的離地間隙；在保證足夠的強(qiáng)度和剛度的條件下力求質(zhì)量小，拆裝調(diào)整方便；

后橋扭矩校核：

后橋最大輸出扭矩Tr=14200N?m，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩500N·m，變速器1檔速比6.091，傳動(dòng)系機(jī)械效率為0.9，后橋主減速比與基礎(chǔ)車型保持一致即4.875；

則后橋輸出扭矩：

T=500×6.091×4.875×0.9=13362.13N?m＜Tr=14200N?m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.7 車架

在基礎(chǔ)車型車架基礎(chǔ)上，車架縱梁調(diào)整為貫通式雙層大梁，由于軸距縮短，第四橫梁出專用，取消第六橫梁，車架相關(guān)參數(shù)如下：

軸距：3845mm，車架斷面尺寸：235mm×75mm×6mm；

3.8 油箱

油箱裝置分組專用，采用 210L鋁合金油箱，滿足開發(fā)需求。

3.9 輪胎

標(biāo)配 8.25R20 14PR，選配8.25R20 16PR。

3.10 駕駛室

借用分組標(biāo)準(zhǔn)型駕駛室，非承載式車身，承載人數(shù)3人。

3.11 專用分組變動(dòng)說明

表7

3.12 總布置設(shè)計(jì)草圖

圖4 總布置設(shè)計(jì)草圖

4 結(jié)論

通過對此款車型的設(shè)計(jì)，對整車進(jìn)行可行性分析，盈利能力分析以及法規(guī)符合性分析，保證整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、整車爬坡度及承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足市場需求，使此款車在市場中有較高的競爭力。

[1] 王望予.汽車設(shè)計(jì)（第四版）北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004,8.

[2] 臧杰,閻巖.汽車構(gòu)造（下冊）北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005,8.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004,5.

[4] 余志生.汽車?yán)碚摚跰］.第4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006,5.

[5] 殷玉楓.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006,6.

[6] 盧秉恒主編,機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ),北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.