邊防巡邏車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱思琦 和鳳枝 王夢(mèng)輝

（黃河交通學(xué)院，武陟 454950）

1 研究目的及意義

邊防巡邏車車身是保障其他零部件安裝的基體，可以保障乘員的生命安全。因此，邊防巡邏車車身的強(qiáng)度性、穩(wěn)定性、安全性及輕量化均需滿足要求。設(shè)計(jì)過程中，僅對(duì)汽車基底框架性能進(jìn)行評(píng)測(cè)、分析結(jié)構(gòu)是否合理是不夠的，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章設(shè)計(jì)邊防巡邏車車身結(jié)構(gòu)，基于造型、布置要求和設(shè)計(jì)構(gòu)想，研究和優(yōu)化車身基礎(chǔ)性能[1]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國最新型的邊防巡邏車型是陜西寶雞汽車有限公司研發(fā)的新型方艙邊防巡邏車。該車使用的是SX2150KB 型的越野車底盤，裝備了6 缸渦輪增壓柴油機(jī)，采用骨架式的方艙車身。車上裝備了機(jī)槍支撐平臺(tái)、圖像傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通信裝備、警示裝置、空調(diào)、采暖裝置、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、車載供氧裝置和執(zhí)勤平臺(tái)等裝置[2]。車身左部備有50 L 的水桶。車內(nèi)可以乘坐17 位人員，附帶300 L 的飲用水，且?guī)в熊囕d衛(wèi)生間和廚房。

發(fā)達(dá)國家的機(jī)械結(jié)構(gòu)和技術(shù)應(yīng)用相對(duì)于我國更為成熟，在滿足高性能的同時(shí)兼顧輕量化開發(fā)[3]。例如：英國當(dāng)前服役的邊防巡邏車車型-陸地漫游者輪式裝甲車，車體為全鋼板焊接，能抵擋7.62 mm 和5.56 mm的步槍子彈；美國使用新型的復(fù)合材料生產(chǎn)巡邏車，以減輕車輛的質(zhì)量、增強(qiáng)車身的強(qiáng)度并加強(qiáng)對(duì)車輛底盤的控制，提升底盤的耐久性。

文章在分析邊防巡邏車車身結(jié)構(gòu)的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)等基礎(chǔ)上，確定邊防巡邏車車身的結(jié)構(gòu)形式及各部件尺寸，計(jì)算及校核邊防巡邏車的主要性能參數(shù)，有效提升其性能。

3 邊防巡邏車專業(yè)性、自我防護(hù)性及車身結(jié)構(gòu)的確定

3.1 邊防巡邏車專業(yè)性能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)參考了大量國內(nèi)同類車型的設(shè)計(jì)，主要參考的車型有北汽邊防巡邏車、滬陵CXL02 型邊防巡邏車、東風(fēng)邊防巡邏車以及依維柯邊防巡邏車等。

根據(jù)我國現(xiàn)有巡邏車的情況，對(duì)邊防巡邏車車身的設(shè)計(jì)提出9 點(diǎn)需求。

第一，齊全的邊防巡邏和就地戰(zhàn)備功能。第二，應(yīng)急保障功能，邊防工作多在人煙稀少之地，因此車上要有水箱和醫(yī)療箱。第三，運(yùn)載功能，考慮邊防的特殊性，巡邏車至少要能容納8 名人員。第四，乘坐舒適性，由于邊防工作多崎嶇的山路，要保證乘坐的舒適性。第五，定位系統(tǒng)，巡邏車需裝載北斗衛(wèi)星，進(jìn)行精確定位。第六，通信功能，具備強(qiáng)大通信功能和抗電子波干擾的能力，確保信號(hào)穩(wěn)定。第七，記錄功能，要能準(zhǔn)確記錄邊防巡邏的過程。第八，夜間觀察功能，要有足夠亮的近遠(yuǎn)光系統(tǒng)、紅外攝像裝置以及光電穩(wěn)像裝置。第九，指揮功能，具有擴(kuò)音器和警報(bào)喊話器。

3.2 邊防巡邏車自我防護(hù)性能

邊防巡邏車使用環(huán)境特殊，需要具有較高的自身防護(hù)能力，尤其是防彈能力。根據(jù)我國《防暴車身抗彈條件》（GA 668—2010）要求制定的3 種防彈的級(jí)別：能防住Ump45 式4.5 mm 輕型沖鋒槍和普通手槍的一級(jí)防彈能力；防51B 式7.62 mm 輕型沖鋒槍、56 式7.62 mm輕型步槍彈的二級(jí)防彈能力；防87 式5.8 mm 普通彈、95 式5.8 mm 的步槍彈的三級(jí)防彈能力。防暴邊防車以5 ～8 m 長的二類底盤為基礎(chǔ)，按照GA 668—2010 A 級(jí)進(jìn)行改裝后，車輛的整備質(zhì)量在5 ～6 t，按照B 級(jí)進(jìn)行改裝后在7 ～8 t。由于采用了新型材料，它的質(zhì)量大致可以保持不變。

3.3 車身結(jié)構(gòu)形式的確定

3.3.1 車型的確定

根據(jù)《特種車輛類型劃分》（JT/T 325—2010），設(shè)計(jì)的邊防巡邏車屬于邊防輕型載重汽車，因此在進(jìn)行各部件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守邊防特種車輛的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

3.3.2 軸數(shù)和驅(qū)動(dòng)形式

在搜集資料階段，參考同類車型及選定的底盤，結(jié)合汽車的總質(zhì)量、輪胎的負(fù)荷能力以及汽車的結(jié)構(gòu)等，確定設(shè)計(jì)的邊防巡邏車車軸數(shù)為4 軸，采用8×8的驅(qū)動(dòng)形式。

3.3.3 布置形式

輕型載重貨車的一般布置形式有長頭和平頭兩種。長頭布置的優(yōu)勢(shì)是車身的重量減輕、車輛空間大、駕駛視野好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及保養(yǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)方便等。作為小批量使用的邊防巡邏車輛，本次采用長頭布置形式，在工藝上、結(jié)構(gòu)上都比較簡(jiǎn)便。

3.3.4 車身結(jié)構(gòu)的選擇

設(shè)計(jì)首先要保證車內(nèi)乘員的有效生存空間，將車內(nèi)乘員艙設(shè)計(jì)成整個(gè)車身骨架結(jié)構(gòu)中最強(qiáng)的區(qū)域[4]。因此，本車采用的是非承載式車身，可以大大提高車身的強(qiáng)度，保障車內(nèi)人員的安全。懸架可極大地減少路面顛簸反饋到車身內(nèi)部時(shí)的能量，提升乘坐舒適性。非承載式車身的車身和底盤能夠分開裝配，更有利于簡(jiǎn)化工藝，也便于后期的改裝需要。車身與底架用螺栓或焊接進(jìn)行連接，可以加強(qiáng)車身和底架的牢固性。例如，懸架和發(fā)動(dòng)機(jī)可以安裝在加固的車身底架上，使車身和底架融為一體，共同承受車輛的載荷，同時(shí)方便拆卸與維修。

4 邊防巡邏車總布置設(shè)計(jì)、制造工藝、材料選擇

4.1 車身布置設(shè)計(jì)

4.1.1 前圍設(shè)計(jì)

前圍是儀表板、前燈具、雨刮器、前風(fēng)窗以及保險(xiǎn)杠等的安裝位置。在此次邊防巡邏車總布置設(shè)計(jì)中，依據(jù)實(shí)用性理念，整體車身用簡(jiǎn)單、流暢的線條勾勒，以保持汽車整體的架構(gòu)和零件的連貫性[5]，提升汽車的可靠性。在前發(fā)動(dòng)機(jī)艙門處開設(shè)散熱格柵，以保障車輛在邊防高溫條件下運(yùn)行時(shí)有良好的散熱性能。汽車的前圍造型如圖1 所示。

圖1 前圍造型

4.1.2 后圍設(shè)計(jì)

后圍綜合后部造型、實(shí)用性、安全性等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。后圍的布置主要包括車廂門、后保險(xiǎn)杠、后燈的布置。后風(fēng)窗玻璃為鋼化玻璃。在車廂后部開設(shè)車廂門，能夠有效利用車廂尾部空間。車頂部的貨架能夠滿足貨物較多時(shí)的空間需求。后燈位于后圍兩側(cè)，采用突出設(shè)計(jì)，使后方來車能夠及時(shí)注意到前車，增加了夜間行駛的安全性。汽車的后圍造型，如圖2 所示。

圖2 后圍造型

4.1.3 側(cè)圍設(shè)計(jì)

巡邏車的側(cè)圍從前向后看主要包括照明警示燈具、菱形的車門、下部的腳踏板、側(cè)邊的保護(hù)杠、加油口、車廂通風(fēng)裝置、觀察車窗和顯闊燈。側(cè)圍主要用于承載這些構(gòu)件。車輛的前圍、后圍、頂蓋都與側(cè)圍相連接。在設(shè)計(jì)邊防巡邏車側(cè)圍各部件時(shí)，要全盤考慮局部造型對(duì)于整車的實(shí)用性，兼顧安裝的便利性。側(cè)圍造型如圖3 所示。

圖3 側(cè)圍造型

此邊防巡邏車采用全封閉式車廂。在車廂側(cè)面留下幾扇鋼化玻璃舷窗，以便及時(shí)觀察車外環(huán)境。由于本車需要較高的通過性，駕駛室采用平頭設(shè)計(jì)原則，利于提高車輛接近角。通過查閱有關(guān)特種中型載重汽車設(shè)計(jì)方面的資料，參考解放牌EQ2110HD5DJ 型側(cè)圍艙門的具體設(shè)計(jì)，確定了車輛側(cè)圍的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。

4.1.4 頂蓋設(shè)計(jì)

由于巡邏車頂蓋的特殊性，根據(jù)擬定的邊防巡邏車的能力，為保障邊防巡邏車的偵察能力，實(shí)現(xiàn)通信、警示、定位等功能，對(duì)邊防車頂部進(jìn)行了規(guī)劃。車頂設(shè)計(jì)機(jī)槍裝置平臺(tái)、警示裝置、通信定位一體化信號(hào)天線、進(jìn)出口裝置以及觀察窗口等。為抵抗行駛過程中頂蓋受到的剪切變形，采用軍用復(fù)合材料為其加固，提高抗剪剛度，使巡邏車頂蓋與巡邏車側(cè)圍的剛度更為契合，增大車身的扭轉(zhuǎn)剛度。頂蓋造型如圖4 所示。

4.2 汽車車身制造工藝與材料選擇

4.2.1 車身的制造工藝

汽車制造工藝是較為特殊的生產(chǎn)工藝，以汽車覆蓋件加工薄鋼板為主，用模塑方式包覆零部件，工件使用焊接設(shè)備焊接。為滿足碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求，使用涂裝設(shè)備對(duì)覆蓋部分進(jìn)行表面處理，以得到結(jié)實(shí)、耐用、美觀的車身。采用成形技術(shù)制造車身，在保證車身鍛造工作質(zhì)量時(shí)提高工作效率[6]。加工工藝總體上包括沖壓、焊接、涂裝和總裝。

4.2.2 汽車車身沖壓材料的選擇

邊防巡邏車采用材料以WP390 號(hào)含磷冷軋鋼板、薄壁管件和軍用復(fù)合材料為主，可焊接性能良好。采用科技復(fù)合材料，可有效減輕車身質(zhì)量，增加裝備質(zhì)量。

5 汽車穩(wěn)定性、視野、進(jìn)出方便性校核

5.1 汽車穩(wěn)定性的條件核算

5.1.1 汽車橫向翻倒的條件核算

汽車橫向翻倒的條件核算需滿足B/h≥φ。其中：B為輪距，取值為2 500 mm；h為質(zhì)心高度，取值為957 mm；φ為附著系數(shù)，取值為0.7。于是，可得B/h為2.61，大于φ，滿足條件。

5.1.2 汽車縱向翻倒的條件核算

汽車縱向翻倒的條件核算需滿足B/(2hmin)≥φ。其中：hmin為最小離地間隙，取值為668 mm。于是，可得B/(2hmin)為1.87，大于φ，滿足條件。

5.2 汽車視野方便性的校核

5.2.1 前方視野校核

前方視野校核參照《汽車駕駛員前方視野要求及測(cè)量方法》（GB 11562—2014）中駕駛員前方180°范圍內(nèi)直接視野測(cè)量的要求和方法。假人V點(diǎn)前方的射線和前擋風(fēng)玻璃上6 個(gè)相交的點(diǎn)圍住的區(qū)域全部在無遮擋透明清晰的區(qū)域內(nèi)，符合規(guī)范要求。風(fēng)窗玻璃視野校核如圖5 所示。根據(jù)規(guī)范要求，在A 柱上做兩個(gè)水平面S1和S2，并將其斷面設(shè)置投影在假人的Pm點(diǎn)內(nèi)。在該平面內(nèi)校核駕駛不能看到障礙點(diǎn)，接著做E1和E2兩條線圍繞P1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。E1轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)和S2平面做一條切線，同時(shí)E2和S1的平面做平行線，E1與E2相交的線會(huì)形成平面的視野角度為駕駛員側(cè)面的A 柱的障礙角，測(cè)得駕駛側(cè)雙目障礙角為1.13°，符合規(guī)范中6°內(nèi)的要求。從圖6 可以看出，駕駛員視野180°內(nèi)無規(guī)范允許范圍內(nèi)的其他障礙，符合要求。其中：V點(diǎn)在乘員艙內(nèi)通過前排外側(cè)乘坐位置中心線的縱向鉛垂平面，與R點(diǎn)及設(shè)計(jì)座椅靠背角有關(guān)；R點(diǎn)是由車輛制造商為每一乘坐位置規(guī)定的設(shè)計(jì)點(diǎn)，相對(duì)于三維坐標(biāo)系來確定；風(fēng)窗玻璃基準(zhǔn)點(diǎn)為從V點(diǎn)向前的射線與風(fēng)窗玻璃外表面的交點(diǎn)；Pm點(diǎn)為通過R點(diǎn)的縱向鉛垂面與P1、P2連線的交點(diǎn)；E點(diǎn)為駕駛員眼睛中心的點(diǎn)，用于評(píng)價(jià)A 柱視野障礙。理論上，H點(diǎn)與R點(diǎn)一致。

圖6 雙目障礙角校核

5.2.2 后方視野校核

本車無內(nèi)后視鏡，故無須校核。按要求將車輛左右兩側(cè)外后視鏡安裝到位后，駕駛員位置假人上放置H點(diǎn)（理論上H點(diǎn)與R點(diǎn)一致）。光束通過后視鏡反射后，后視鏡中心經(jīng)H點(diǎn)中心連線與側(cè)向基準(zhǔn)面的夾角為33.6°，滿足規(guī)范中外后視鏡不大于55°的要求。

5.3 汽車人體進(jìn)出方便性的校核

人體進(jìn)出方便的實(shí)驗(yàn)采用男女各50 名仿真人體模型，參照德國DIN334402 人體表面尺寸的比例關(guān)系。一方面，車門立柱傾斜度校核。本車型B 柱傾斜角為5°43′，符合規(guī)范中不大于6°的要求。另一方面，上下車通道寬度校核。校核中采用駕駛員側(cè)車門最大開合角度82°，并在此情況下校核車輛上下車方便性，測(cè)得車門最大開合角度時(shí)的下部通道寬為370 mm，大于規(guī)范中250 mm 的要求。

6 結(jié)語

文章主要對(duì)邊防巡邏車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括巡邏車專業(yè)性、車輛部件、車身尺寸、車身的總體布置、制造工藝、材料選擇等內(nèi)容，并顯著提升了安全性、乘坐舒適性，滿足輕量化要求和現(xiàn)代邊防要求。