對(duì)車橋概念重定義的探討

馮紹勇

(景德鎮(zhèn)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333400)

0 現(xiàn)有定義及存在的問題

現(xiàn)今對(duì)車橋概念具有代表性的定義見吉林大學(xué)陳家瑞主編的汽車構(gòu)造，其表述如下：車橋(也稱車軸)通過懸架和車架(或承載式車身)相連，它的兩端安裝車輪，其功用是傳遞車架(或承載式車身)與車輪之間各方向的作用力及其力矩。車橋分為整體式和斷開式兩種。當(dāng)采用非獨(dú)立懸架時(shí)，車橋中部是剛性的實(shí)心或空心梁，這種車橋即為整體式車橋；斷開式車橋?yàn)榛顒?dòng)關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，與獨(dú)立懸架配用[1]。

這個(gè)定義存在下述兩個(gè)問題：

0.1 對(duì)斷開式車橋(車軸)的內(nèi)涵沒有表述清楚

這個(gè)車橋定義包含了兩個(gè)子概念，即整體式車橋和斷開式車橋。其中：整體式車橋?yàn)閯傂粤?，斷開式車橋?yàn)殛P(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，這里的“關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)”沒有指出其具體含義，讓學(xué)習(xí)者無從知道斷開式車橋是一種什么樣的構(gòu)件，專業(yè)人士也不能做到對(duì)其認(rèn)識(shí)達(dá)到一致。因?yàn)檐嚇蚺c懸架直接相連，所以試著從書中對(duì)懸架的定義來間接推斷斷開式車橋概念的含義，懸架的定義[1]如下：懸架是車架(或承載式車身)與車橋(或車輪)之間一切傳力連接裝置的總稱[1]。

在這個(gè)懸架定義里面，用并列不同概念(括號(hào)里面的概念)的方式把定義分成幾種情況，其中有一種懸架情況的定義是：懸架是車架(或承載式車身)與車輪之間一切傳力裝置的總稱。在這種情況下，懸架是裝在車輪與車架之間的，而不是裝在車橋與車架之間的，就是說，這種情況下行駛系統(tǒng)中不存在車橋。這是什么情況呢，書中沒有提及。

吉林大學(xué)關(guān)文達(dá)主編的汽車構(gòu)造教材中給車橋以及懸架所下的定義與前述定義基本一致，但是，在車橋概念后面補(bǔ)充到：大部分現(xiàn)代轎車左右車輪之間實(shí)際上沒有車橋，而是通過各自的懸架與車架相連接，然而習(xí)慣上仍將它們稱為斷開式車橋[2]。同樣觀點(diǎn)的教材還有合肥工業(yè)大學(xué)盧劍偉主編的汽車構(gòu)造[3]。

清華大學(xué)徐石安主編的汽車構(gòu)造中不主張斷開式車橋的提法，書中提道：實(shí)際上汽車采用獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)形式后，汽車左右輪之間已經(jīng)不存在車橋，它已和獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)融合在一起，教材中敘述的車橋?qū)Ｖ刚w式車橋，斷開式車橋不再專門提及[4]。

可以看出，從懸架的定義中，不存在車橋的情況應(yīng)該是指車輛采用獨(dú)立懸架時(shí)的情形，認(rèn)為沒有車橋。陳家瑞等主編的教材[1-3]中指出車橋包括斷開式車橋，后面在對(duì)懸架的定義中又否定斷開式車橋的存在，這樣就矛盾了。所以，對(duì)車橋所下的定義，在斷開式車橋的定義上是不明晰的，是矛盾的。

徐石安主編的教材中沒有出現(xiàn)這個(gè)矛盾，明確指出書中所說的車橋就是指整體式車橋，不提斷開式車橋。認(rèn)為獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)的車中，車橋功能已經(jīng)融合到懸架中去了，然而，這本教材在后面的獨(dú)立懸架知識(shí)中并沒有提及其包含車橋的結(jié)構(gòu)和功能，這樣，在整個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)中，找不到關(guān)于斷開式車橋的含義。

綜上所述，在現(xiàn)今的獨(dú)立懸架構(gòu)造的行駛系統(tǒng)里面，斷開式車橋或車軸是被忽略掉了的。然而，對(duì)采用輪系底盤的車輛而言，不論是整體式還是斷開式的，車軸都是一個(gè)客觀存在的、不可缺少的、重要的構(gòu)件，在知識(shí)體系中，是不能漏掉的。

0.2 對(duì)車橋的認(rèn)識(shí)容易產(chǎn)生歧義

我們認(rèn)識(shí)事物是通過對(duì)其特有屬性的把握來實(shí)現(xiàn)的，或者通過對(duì)某個(gè)事物特有屬性的把握將它與其他事物區(qū)分開來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)事物的認(rèn)識(shí)。特有屬性有兩種，一種是一般特有屬性，另一種是本質(zhì)屬性，他們都能把客觀對(duì)象與其他對(duì)象區(qū)別開來，然而本質(zhì)屬性相較一般特有屬性更具體更深刻[5]。

對(duì)機(jī)械中的構(gòu)件，也是通過把握其特有屬性來認(rèn)識(shí)的，機(jī)械零件中，機(jī)械構(gòu)件的特有屬性一般包括構(gòu)件的形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、構(gòu)件與其他構(gòu)件的連接關(guān)系、構(gòu)件的功能和受力情況等，也就是說要認(rèn)識(shí)某種構(gòu)件，必須知道這個(gè)構(gòu)件的形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如何，其在機(jī)械裝置中與哪些構(gòu)件相連接，以及如何連接，其在機(jī)器中起什么作用，受力情況如何。那么在對(duì)某構(gòu)件的定義中就必須對(duì)這些特有屬性加以反映，才算是對(duì)某構(gòu)件做了比較準(zhǔn)確的定義。只有這樣，對(duì)這個(gè)構(gòu)件才能有正確的認(rèn)識(shí)，專業(yè)人士才能對(duì)這個(gè)構(gòu)件的認(rèn)識(shí)達(dá)到一致。

在上述車橋的定義中，指出了它與懸架相連接，與車輪相連接，明確了其傳遞車輪與車架之間作用力的功能，但是沒有指出車橋的結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)，而且在表述其與車輪的連接關(guān)系時(shí)，只是說“它的兩端安裝車輪”，車輪跟車橋是如何相結(jié)合的沒有述及。定義中這樣的表述不夠明晰，容易帶來歧義，歧義具體表現(xiàn)在對(duì)整體式驅(qū)動(dòng)橋的認(rèn)識(shí)上。

整體式驅(qū)動(dòng)橋有全浮式和半浮式半軸支撐結(jié)構(gòu)，如圖1所示，全浮式支撐結(jié)構(gòu)，車輪輪轂是通過軸承裝在橋殼(半軸套管)上的，這跟定義相符，也就是定義中所指出的“車橋兩端安裝車輪”。但是，半浮式支撐結(jié)構(gòu)，如圖2所示，車輪不是直接裝在橋殼上的，而是跟半軸剛性連接，然后半軸通過軸承跟橋殼的內(nèi)圓柱面連在一起的，車架上的力也是通過橋殼傳到半軸，然后由半軸傳到車輪上的。如此說來，半軸似乎也符合車橋定義中的特有屬性，即端頭安裝車輪，傳遞車架與車輪之間各方向的作用力及其力矩。那么這種情況下，車橋指的是哪個(gè)呢？我們都知道，半軸不屬于行駛系統(tǒng)，而是傳動(dòng)系統(tǒng)中的構(gòu)件，它不是車橋，橋殼(半軸套管)才是車橋。這個(gè)定義比較難把車橋和半軸區(qū)分開來，很容易讓人以為半軸就是車橋(車軸)。

根據(jù)定義中表述的特有屬性來分辨事物，其結(jié)果應(yīng)該是唯一的，如果會(huì)產(chǎn)生歧義，說明定義中闡述的屬性不是構(gòu)件所特有的，或者說特有屬性沒有闡述清楚。

圖1 全浮式半軸支承結(jié)構(gòu)

圖2 半浮式半軸支承結(jié)構(gòu)

1 車軸的特有屬性

1.1 輪和軸的發(fā)明

車輪和輪軸的發(fā)明，是人類繼火的使用后又一重大發(fā)明[6]，人類的很多發(fā)明都源自自然的啟示，風(fēng)滾草之類的圓盤狀自然物在地面上可以滾很遠(yuǎn)的距離，人類為何沒有更早地受到這些啟示發(fā)明車輪，而是在公元前3500年左右美索不達(dá)米亞地區(qū)的人們才發(fā)明車輛[7]？這應(yīng)該與人類的加工技術(shù)水平有關(guān)，車輪和輪軸的發(fā)明至少應(yīng)該在圓柱面加工技術(shù)誕生之后才有可能出現(xiàn)。

輪子要載物前行，負(fù)重的最佳作用位置應(yīng)該在輪心處，如圖3所示，因?yàn)檫@個(gè)位置是最容易做到被載物不隨輪子一起回轉(zhuǎn)的地方。早期的做法是在輪心處加工一個(gè)具有圓柱面的孔，與輪相連接的構(gòu)件加工出一個(gè)外圓柱面，這個(gè)構(gòu)件稱之為車軸，如圖4所示，這樣，車軸與車輪以轉(zhuǎn)動(dòng)副相接，負(fù)載部分?jǐn)R在車軸上，就可以只隨車輪做平動(dòng)而不隨車輪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，車軸負(fù)擔(dān)重物，然后把承載物的重力作用在車輪上，輪就可以載著重物前進(jìn)。對(duì)于輪系底盤的車輛而言，輪和軸是最重要的兩個(gè)構(gòu)件，缺一不可。所以，車輛的發(fā)明必須在圓柱面的加工技術(shù)出現(xiàn)之后，否則輪和軸上的圓柱面結(jié)構(gòu)就不能形成，也就沒有構(gòu)件之間的這種轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，車輪就不可能負(fù)重前行。

圖3 車輪中心負(fù)重

后面又出現(xiàn)如圖5所示的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，即在車輪中間做一個(gè)凸出的圓柱體，而把車軸做成一個(gè)具有內(nèi)圓柱面結(jié)構(gòu)的環(huán)狀構(gòu)件，這樣的車輪和車軸構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。重物作用在這種環(huán)狀車軸上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)副把重力作用在車輪上，這樣的結(jié)構(gòu)讓車輪負(fù)重前行。

圖4 外圓柱面車軸

圖5 內(nèi)圓柱面車軸

1.2 車軸的特有屬性

車軸結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是跟車輪在中心區(qū)域構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，所以必須具有圓柱面結(jié)構(gòu)，這種圓柱面構(gòu)件可以是圖4中的外圓柱面結(jié)構(gòu)，也可以是圖5中的內(nèi)圓柱面結(jié)構(gòu)。

“車軸”應(yīng)該是車輛工程中的一個(gè)專業(yè)術(shù)語，這個(gè)術(shù)語與機(jī)械零件中的術(shù)語“軸”是不同的，機(jī)械零件中軸的結(jié)構(gòu)具有軸向尺寸遠(yuǎn)大于徑向尺寸的特點(diǎn)，而且一般是一個(gè)柱體結(jié)構(gòu)。而車軸是具有外圓柱面的柱體構(gòu)件，也可以是具有內(nèi)圓柱面的構(gòu)件，它的軸向尺寸可以很短而無須遠(yuǎn)大于徑向尺寸。

要理解車軸的概念，應(yīng)該廢除對(duì)其必須是細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的固有認(rèn)識(shí)，把其與通常的軸區(qū)分開來。車軸只要有圓柱面，與單個(gè)車輪形成轉(zhuǎn)動(dòng)副這種可動(dòng)連接，就是車軸，當(dāng)然，兩端都有車輪繞其旋轉(zhuǎn)的細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件也是車軸。

這樣，從車軸和車輪工作的原理出發(fā)總結(jié)車軸的特有屬性應(yīng)該是：⑴具有與車輪組成轉(zhuǎn)動(dòng)副的圓柱面結(jié)構(gòu)；⑵處于車輪和懸架之間，通過懸架與車架(或承載式車身)連接；⑶功用是傳遞車架(或承載式車身)與車輪之間各方向的作用力及其力矩。

這里總結(jié)的特有屬性，相比傳統(tǒng)對(duì)車橋定義中的特有屬性增加對(duì)車橋結(jié)構(gòu)形狀的描述，即具有圓柱面結(jié)構(gòu)(包括內(nèi)、外圓柱面)，同時(shí)增加對(duì)車軸與車輪之間這種轉(zhuǎn)動(dòng)副連接關(guān)系的表述；去掉“兩端安裝車輪”這一表述，原因如前所述。

2 車軸定義

把反映車軸概念本質(zhì)屬性的定義概括如下：車軸是行駛系統(tǒng)中的一個(gè)構(gòu)件，具有與車輪組成轉(zhuǎn)動(dòng)副連接關(guān)系的圓柱面結(jié)構(gòu)，它處于車輪和懸架之間，通過懸架與車架(或承載式車身)連接，其功用是傳遞車架(或承載式車身)與車輪之間各方向的作用力及其力矩。當(dāng)與兩側(cè)車輪相連接的車軸連成一根整體結(jié)構(gòu)時(shí)，稱為車橋，或整體式車橋，當(dāng)兩側(cè)車軸不相連時(shí)，也稱為斷開式車橋。

這樣定義車橋(車軸)，使前面提出的兩個(gè)問題不復(fù)存在。

2.1 對(duì)半浮式車橋的歧義問題的解決

圖6 全浮式結(jié)構(gòu)

圖7 半浮式結(jié)構(gòu)

在車軸概念的新定義中，把車軸概念的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)反映出來了，也就是其具有圓柱面結(jié)構(gòu)；車軸與周圍構(gòu)件的連接關(guān)系也更明確，就是其與車輪用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接。這樣一來，整體式車橋的概念就很明確了，在全浮式驅(qū)動(dòng)橋中，如圖6所示，橋殼以外圓柱面跟車輪的內(nèi)圓柱面形成轉(zhuǎn)動(dòng)副；在半浮式驅(qū)動(dòng)車橋中，如圖7所示，半軸跟車輪輪轂是剛性連接的，實(shí)際上半軸與車輪成了同一個(gè)構(gòu)件，半軸的外圓柱面相當(dāng)于車輪中心處的外圓柱面，此時(shí)相當(dāng)于圖5的連接方式，半軸的外圓柱面與橋殼的內(nèi)圓柱面形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。這樣，對(duì)半浮式車橋的理解就不會(huì)有歧義，即全浮式車橋以橋殼的外圓柱面跟車輪中心處的內(nèi)圓柱面(輪轂中心孔)形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，而半浮式車橋是以橋殼的內(nèi)圓柱面與車輪中心處的外圓柱面(即半軸的外圓柱面)形成轉(zhuǎn)動(dòng)副的。根據(jù)這個(gè)新的定義，無論是全浮式車橋還是半浮式車橋，很容易判斷橋殼就是車軸，而不容易把半軸誤認(rèn)為是車軸。

2.2 明確了斷開式車橋的概念

從給出的車軸新定義中可見，車軸的本質(zhì)屬性應(yīng)該是具有圓柱面結(jié)構(gòu)，與車輪形成轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。當(dāng)兩側(cè)的車軸連成一根梁時(shí)，就稱其為整體式車橋，或者整體式車軸，否則就是車軸，或者稱斷開式車橋。

圖8 外圓柱面結(jié)構(gòu)的前車軸

圖9 內(nèi)圓柱面結(jié)構(gòu)的前車軸

在采用獨(dú)立懸架的車輛中，轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)際上就是車軸，或者叫斷開式車橋，如圖8所示，車軸上有一段小圓柱體，它的外圓柱面和輪轂的內(nèi)圓柱面組成轉(zhuǎn)動(dòng)副，當(dāng)然，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副為了減少摩擦，之間裝有滾動(dòng)軸承，在機(jī)械原理中，軸承是不參與轉(zhuǎn)動(dòng)副分析的。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于圖4中的轉(zhuǎn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)；圖9所示的是一個(gè)與驅(qū)動(dòng)輪形成轉(zhuǎn)動(dòng)副的車軸，它提供內(nèi)圓柱面，與輪轂的外圓柱面形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于圖5中的轉(zhuǎn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)，半軸穿入輪轂的中心孔，其外花鍵和輪轂內(nèi)孔中的內(nèi)花鍵相嚙合，從而帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖10和圖11所示的是與后輪相連的車軸結(jié)構(gòu)，分別與圖8、圖9中的連接結(jié)構(gòu)相似，圖10所示的是與非驅(qū)動(dòng)輪相連的車軸結(jié)構(gòu)，圖11所示的是與驅(qū)動(dòng)輪相連的車軸結(jié)構(gòu)。

圖10 外圓柱面結(jié)構(gòu)的后車軸

圖11 內(nèi)圓柱面結(jié)構(gòu)的后車軸

當(dāng)前，教科書中未見到對(duì)以上這些車軸結(jié)構(gòu)的稱呼，相關(guān)企業(yè)對(duì)這些結(jié)構(gòu)也未見把它們叫作車軸的，經(jīng)對(duì)教科書以外的資料查閱，前車軸一般叫轉(zhuǎn)向節(jié)，對(duì)后車軸的叫法比較混亂，例如利亞納轎車維修手冊(cè)上稱后車軸為“叉形節(jié)”[8]；例如奧迪A4轎車在其維修手冊(cè)中把后軸稱為車輪承載機(jī)構(gòu)[9]；又例如蒙迪歐轎車在其維修手冊(cè)中，前車軸叫轉(zhuǎn)向節(jié)，而且后車軸也叫“轉(zhuǎn)向節(jié)”[10]，分明沒有轉(zhuǎn)向功能，也稱其為轉(zhuǎn)向節(jié)，可見對(duì)車軸構(gòu)件的稱呼很隨意，完全沒有理論根據(jù)；有些專業(yè)車評(píng)人把車軸叫“軸承殼”，有些叫“車輪架”。在汽車維修手冊(cè)中都是把車軸放在懸架中來介紹的，但是沒有統(tǒng)一的名稱。這些都應(yīng)該是當(dāng)前知識(shí)界對(duì)車橋概念的定義不夠明確所導(dǎo)致的。

這些所謂的轉(zhuǎn)向節(jié)、叉形節(jié)、車輪承載機(jī)構(gòu)、車輪架、軸承殼，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、與周圍構(gòu)件的連接關(guān)系和其功能都跟這里對(duì)車軸新定義中的特有屬性相符，所以它們都應(yīng)該是車軸。同時(shí)也說明這個(gè)新定義反映的車軸本質(zhì)屬性是準(zhǔn)確的。

3 關(guān)于車橋

車橋應(yīng)該是車軸的一個(gè)通俗叫法，也是國(guó)外的一種比喻叫法，在我國(guó)古代的車輛中，就叫車軸，沒有車橋這一說法。我們國(guó)家的汽車工程先驅(qū)何乃民先生編著了中國(guó)最早的一批汽車工程書籍，在1937年編寫的《英法中文汽車名詞》[11]中，英文的Rear axle與法文的Essieu arrière，或者與法文的pont arrière相對(duì)應(yīng)，法文里面Essieu 是軸的意思，arrière是后面的意思，pont是法文“橋”的意思，說明在法文里面，后橋(pont arrière)是后軸(Essieu arrière)的比喻通俗叫法。

何乃民在1936年編著的《高等汽車學(xué)》[12]中寫道：后橋(Rear bridge)之名詞，除指言自主動(dòng)錐齒輪至驅(qū)動(dòng)輪間諸傳動(dòng)機(jī)件，及安置諸機(jī)件之箱管外，兼含擔(dān)任重量之意義。

把車軸比喻成橋，這應(yīng)該是一個(gè)不甚貼切的比喻，因?yàn)樗粡?qiáng)調(diào)了其承載功能，其具有的圓柱面結(jié)構(gòu)和與車輪構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副這一可動(dòng)連接特性是沒有被表達(dá)出來的，而且對(duì)于兩側(cè)車軸不連成一個(gè)整體的情況，稱“車橋”就更不合適了。我國(guó)知識(shí)界比較流行使用“車橋”這一名稱，在英語世界里是不用這一比喻稱呼的，稱車軸為“axle”。車軸概念自遠(yuǎn)古第一輛車的出現(xiàn)就有了，而且其具有的主要特有屬性至今都沒有什么變化，所以為了知識(shí)的傳承，繼續(xù)采用“車軸”這一叫法是合理且有歷史意義的，而且應(yīng)該作為主要的名稱來使用，只有當(dāng)兩側(cè)車軸連接成一個(gè)整體的時(shí)候，可以稱其為“車橋”，建議廢除“斷開式車橋”這一叫法。

4 結(jié)語

把車軸的定義整理如下：車軸是行駛系統(tǒng)中的一個(gè)構(gòu)件，具有與車輪組成轉(zhuǎn)動(dòng)副連接關(guān)系的圓柱面結(jié)構(gòu)，它處于車輪和懸架之間，通過懸架與車架(或承載式車身)連接，其功用是傳遞車架(或承載式車身)與車輪之間各方向的作用力及其力矩。當(dāng)兩側(cè)車軸連成一根整體結(jié)構(gòu)時(shí)，也可稱其為車橋。