一種新型除雪車專用底盤的技術(shù)研究

中圖分類號：U463.1 收稿日期：2025-03-08 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.017

Abstract：Thispaperresearchesintroducesadedicatedchassisforanew triple-functionairportsnowremovalvehicle，focusingon itsaplicationscenarios inairportsnowremovaloperations.Bybenchmarkingagainstinternationaladvancedsnowremovalequipment standards，itproposulti-systemcolaborativeotizationtrategMeanhile，tedsignovercomes hicalchallengsofexistingsnowremovaleiclessuchsooroperationalstabilityghenterofgavityndlargetuingdius.ignificantroe mentshavebenchievedinevironmentaladaptabilityrivingsafety，quipmentcompatibility，andsnowremovaleficiencyulti mately providing an efficient and reliable solution for airport snow removal operations.

KeyWords：Airport snow removal vehicle;Dedicated chassis;Collaborative optimization

1前言

積雪會降低機(jī)場道面的摩擦系數(shù)、模糊邊界標(biāo)識并遮擋助航燈光，從而威脅飛機(jī)起降和滑行安全。因此，機(jī)場進(jìn)行除雪作業(yè)必須滿足快速響應(yīng)、高效清除和零殘留的標(biāo)準(zhǔn)，同時還要確保跑道接縫填充劑和非金屬燈具在除雪過程中不受損，這些需求共同推動了冷吹復(fù)合式除雪裝備的研發(fā)應(yīng)用。

國外的冷吹復(fù)合式除雪裝備研究始于20世紀(jì)70＼～80年代，已歷經(jīng)三次技術(shù)迭代，三合一除雪車是其主要代表裝備。我國自20世紀(jì)90年代中期起借鑒國外的復(fù)合式除雪技術(shù)，三合一機(jī)場除雪車也是較早引進(jìn)的裝備之一，集成專用底盤、動力總成、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及推雪、輥雪、吹雪三大核心作業(yè)模塊。通過協(xié)同作業(yè)，推雪模塊破除厚雪層，輥雪模塊清掃殘雪，吹雪模塊完成清場，效率顯著提升。然而，由于專用底盤技術(shù)的瓶頸，國內(nèi)曾面臨高昂進(jìn)口成本與自主研發(fā)基礎(chǔ)薄弱的雙重困境。2010年左右，中國重汽推出采用高位分動箱結(jié)構(gòu)的專用除雪車底盤（圖1），填補(bǔ)了國內(nèi)空白，成為國產(chǎn)三合一除雪車改裝的主流平臺。此后，其他公司也相繼推出過類似產(chǎn)品，但普遍存在傳動軸夾角過大、質(zhì)心偏高以及轉(zhuǎn)彎半徑較大等問題[1]，影響了整車性能，也使得國產(chǎn)大型除雪車始終與國外技術(shù)存在代差。

2專用底盤組成

為更好地適應(yīng)機(jī)場除雪作業(yè)需求、解決現(xiàn)有裝備缺陷，本文專為國內(nèi)三合一機(jī)場除雪車作業(yè)場景進(jìn)行深度研發(fā)，提出了一種新型專用底盤解決方案。該底盤主要由行駛系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、車架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和其他專用裝置等組成，如圖2所示。

3分系統(tǒng)設(shè)計和選型

3.1行駛動力系統(tǒng)

行走動力系統(tǒng)的設(shè)計需考慮低溫、高負(fù)載條件下轉(zhuǎn)速對應(yīng)的功率扭矩輸出問題。

3.1.1行駛發(fā)動機(jī)選型

a.行進(jìn)阻力計算。

因為輥雪模塊與地面間的接觸摩擦力相對較小，吹雪模塊不與地面接觸，這兩個作業(yè)裝置造成的阻力可忽略不計，因此，行進(jìn)方向的阻力主要由推雪模塊的水平推雪阻力和行駛阻力疊加而成[2]。推雪鏟設(shè)計寬度一般在 4.8～6.1m 之間，本文中按 5.6m 核算，作業(yè)時斜擺30^° ，在前進(jìn)方向的投影寬度 ，設(shè)計最大推雪厚度 h 為 0.3m ，機(jī)場跑道用車工作速度一般限制在 20～40km/h 之間，按 40km/h 進(jìn)行核算。 F_x， F_y，F(xiàn)_z 分別為推雪鏟前進(jìn)方向、側(cè)向分力與垂直分力。

根據(jù)力的相互作用：

F_x+F_y+F_z=F_a+F_c+F_f

式中， F_a 為將積雪沿鏟面拋出時雪對鏟板的作用力，N;F_c 為分離積雪的切雪阻力， N;F_f 為鏟刃與路面間的滑動摩擦阻力， 。推雪鏟的受力如圖3所示。

進(jìn)一步分解受力，得到以下計算公式：

F_z=mg

式中， ?_ρ 為雪的密度，取 130kg/m³;v 為除雪車的最高工作速度， v=40km/h=11.11m/s;θ 為推雪鏟寬度方向與前進(jìn)方向的夾角， θ=60^°;θ_c 為鏟刃與地面的角度， θ_c=43^°;τ 為雪的平均抗剪應(yīng)力，機(jī)場不允許積雪，所除之雪一般為松軟新雪， τ 取 0;μ_f 為鏟刃與路面的系數(shù)，由于鏟刃與路面留有間隙，所以 μ_f=0;m 為推雪鏟的質(zhì)量，取1900kg;g 為重力加速度，取 9.8m/s² 。

代入計算得 F_x=23831.6N，F(xiàn)_y=7265.3N，F(xiàn)_z=18620N F_x 等同于水平推雪阻力，消耗發(fā)動機(jī)功率； F_y 由于推雪鏟的斜擺角而產(chǎn)生，影響除雪車側(cè)向穩(wěn)定性，過大的側(cè)向分力會使車輛側(cè)滑或偏轉(zhuǎn)，因此將推雪鏟的斜擺角控制在 30^° 內(nèi)。 F_y 和 F_z 對除雪車行駛直接影響不大。

行駛阻力可根據(jù)下式計算：

式中， C_D 為空氣阻力系數(shù)，取 0.6;A 為除雪車正面投影面積， A=11.7m²;μ_f 為滾動阻力系數(shù)，取 0.024;M 為除雪車的總質(zhì)量，由各組成部分疊加所得，計算后取 20920kg α 為坡度，正常作業(yè)跑道坡度很小，可忽略不計，取 0^°;a 為加速度，除雪車除雪時是勻速運(yùn)動，取 0m/s² 。

代入相應(yīng)數(shù)據(jù)計算得 F_m=5451N 。

所以，除雪車行進(jìn)方向的阻力：

F_sx=F_x+F_m=23831.6N+5451N=29283N

b.地面附著力校核。

地面能夠提供的摩擦附著力可由下式計算：

F_μ=μ（Mg-F_z）

式中 ，μ 為附著系數(shù)，雪地取 0.25 。

計算得： 。

由上可知， F_μgt;F_sx ，即地面附著力大于行進(jìn)阻力，行駛時不會打滑。

c.動力確定。

除雪車行進(jìn)推雪作業(yè)的功率 P 可通過下式計算：

P=F_sx?v/η

式中， η 為傳動效率， η 取 0.91^[3] 。

代入相應(yīng)數(shù)據(jù)，計算得 P=357.5kW 。

d.發(fā)動機(jī)選型。

除雪作業(yè)的特點要求發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速下保持足夠的功率和扭矩。根據(jù)計算，選用額定功率為 360kW 的柴油發(fā)動機(jī)。

3.1.2燃油供給系統(tǒng)

除雪車的行駛與作業(yè)發(fā)動機(jī)均從主油箱取油，在作業(yè)速度 40km/h. 積雪厚度 0.3m 、三種作業(yè)模塊同時工作，且行駛與作業(yè)發(fā)動機(jī)全功率輸出的極限工況下，百公里油耗約為 300L ?；谶B續(xù)工作時間不小于 ^4h 的設(shè)計指標(biāo)，燃油箱總?cè)萘坎荒苄∮?500L 。本方案設(shè)計對稱式雙油箱系統(tǒng)：兩個 300L 油箱分別沿車架縱梁布置于駕駛室后方，通過底部聯(lián)通管實現(xiàn)動態(tài)油量平衡。質(zhì)量分布更均勻，油箱與發(fā)動機(jī)之間的管路較短，有利于保障持續(xù)穩(wěn)定供油。

3.1.3冷卻系統(tǒng)

行駛發(fā)動機(jī)、作業(yè)發(fā)動機(jī)與液壓裝置的冷卻系統(tǒng)采用一體化設(shè)計。行駛發(fā)動機(jī)前部配置吸風(fēng)式散熱風(fēng)扇，

散熱器位于風(fēng)扇與駕駛室前格柵之間。散熱器的水箱 和中冷器并列安裝，再疊加變速箱水箱，結(jié)合水泵、冷卻 管路等形成完整循環(huán)水冷系統(tǒng)。

3.1.4預(yù)熱系統(tǒng)

預(yù)熱系統(tǒng)可確保低溫環(huán)境下蓄電池和發(fā)動機(jī)的正常使用，并維持駕駛室的適宜溫度。利用燃油加熱器水泵循環(huán)加熱發(fā)動機(jī)冷卻液，使缸體、潤滑油迅速升溫；同時通過風(fēng)機(jī)將管路余熱導(dǎo)人駕駛室實現(xiàn)采暖。針對蓄電池箱配置獨立燃油加熱器，保障電池充放電性能。

3.2傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)主要由行駛變速箱、前后分動箱、傳動軸及前后車橋構(gòu)成。變速箱根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速切換擋位，動力首先通過一級傳動軸傳遞到前分動箱，經(jīng)中間傳動軸傳遞到后分動箱，兩個分動箱再通過二級傳動軸分別將動力傳到前后橋，實現(xiàn)四輪驅(qū)動（圖4）。

3.2.1行駛變速箱

為簡化操作同時提升作業(yè)專注度，底盤選用自動變速箱。依據(jù)行駛發(fā)動機(jī)扭矩、功率特性、設(shè)計最高車速以及爬坡能力等，對自動變速箱進(jìn)行匹配性計算。發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩可用下式計算[4]：

T_emax=9549×αP_emax/n_p=2144N?m

式中， α 為轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)，取 1.3;P_emax 為發(fā)動機(jī)最大功率，取 360kW;n_p 為最大功率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，取 2100r/min 。

當(dāng)變速器擋位處在1擋時，最大的驅(qū)動力 F_max 應(yīng)能克服除雪阻力、輪胎與路面間的行駛阻力：

式中， i₁ 為變速箱1擋的傳動比； i₀ 為減速器的主傳動比，取 8.88;η_T 為傳動系統(tǒng)的傳動效率，取 0.95;R 為輪胎半徑，取 687.5mm;v 為除雪車1擋的工作速度，取20km/h;α 為 30% 爬坡度，取 16.76^° 。

計算得變速箱1擋傳動比 i₁≥3.28 。選用1擋傳動比為3.51的6速液力自動變速箱。

3.2.2分動箱和傳動軸

輥雪模塊布置于前后軸之間，輥刷上方傳動軸需抬高設(shè)計，為保證傳動平穩(wěn)，本方案設(shè)計兩個分動箱，分別安裝在大梁之間。動力經(jīng)變速箱輸出至分動箱后，由分動箱分配給前后驅(qū)動橋并進(jìn)一步增大扭矩。通過雙分動箱過渡、多軸傳遞的方式，所有傳動軸的夾角均被控制在 0～4^° 的范圍內(nèi)（圖5），保證行駛作業(yè)的平順性。

3.2.3車橋選型

通過選型計算，前后車橋載荷量均是 13t ，均選用帶輪邊減速的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，速比均為8.88，增大扭矩的同時減小主減速器尺寸，使車輛具備較高的通過性和自主脫困能力。

3.2.4懸掛系統(tǒng)

選用油氣懸掛結(jié)構(gòu)，可有效吸收沖擊，提高整車穩(wěn)定性和舒適性。蓄能器通過調(diào)節(jié)充氣壓力匹配軸荷需求，左側(cè)油缸有桿腔與右側(cè)油缸無桿腔、左側(cè)油缸無桿腔與右側(cè)油缸有桿腔相互聯(lián)通，利用手動閥實現(xiàn)行駛模式切換：在手動閥打開的柔性模式下可保持良好的減震性能；當(dāng)手動閥鎖止、進(jìn)入剛性模式后，系統(tǒng)抗側(cè)傾能力顯著增強(qiáng)，可有效減小轉(zhuǎn)彎時的側(cè)傾角度（圖6）。

3.3車架

車架將底盤主要總成和部件連接成剛性整體，承受發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)以及除雪裝置等所有簧上質(zhì)量產(chǎn)生的載荷和力矩。

商用車底盤縱梁截面多為“C”形，通過沖孔、壓型、切割、合梁及鉆孔等工藝加工而成[5]。對于負(fù)載較大的車型，傳統(tǒng)方案采用前段單層梁、中后段雙層梁的組合結(jié)構(gòu)，但是，單層梁因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，難以承載推雪模塊，而雙層梁通過鉚接固定，其表面突出的鉚釘帽體影響各種支架和除雪裝置安裝，且重載下內(nèi)外梁存在相對滑移風(fēng)險。本方案選用BS700材質(zhì) ?12mm 厚度的高強(qiáng)度熱軋鋼板單層梁結(jié)構(gòu)（圖7），減輕車架重量，簡化制作工藝，有效提升結(jié)構(gòu)安全性與裝配便利性。

大梁采用\"幾\"字形創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過局部抬升輥雪模塊掛接區(qū)域，替代傳統(tǒng)大梁整體抬高的方案，該設(shè)計在確保大直徑輥刷安裝空間的同時，實現(xiàn)關(guān)鍵部件科學(xué)布局：駕駛室位于上拱區(qū)域前部，作業(yè)發(fā)動機(jī)、作業(yè)分動箱與液壓泵等上裝設(shè)備集成于上拱區(qū)域后部。隨著“幾\"字形大梁前后高度降低，各組件安裝位置同步下移。且大梁左右間距比普通底盤加寬 100mm 以上，有利于上裝設(shè)備在梁間下沉式安裝。經(jīng)對比，該結(jié)構(gòu)可使整車重心降低約 300mm ，大幅提升了行駛穩(wěn)定性。

大梁上拱部位是車架水平方向撓度最大的部位，還需掛接輥雪模塊，可通過優(yōu)化焊接參數(shù)及順序控制變形量，并在關(guān)鍵受力部位增設(shè)加強(qiáng)板提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

車架上從前到后依次加裝推雪模塊及其掛接支架（2495kg） 、車廂及前風(fēng)機(jī)（ 650kg） 、輥雪模塊（ （2500kg） 、中間風(fēng)道及安裝支架（ 105kg ）、副發(fā)動機(jī)（ 750kg） 以及后風(fēng)道及安裝支架（ 750kg 。車架下翼面前后安裝板通過懸架連接車橋，將車架視作簡支梁，前后連接點為固定約束，上述載荷施加位置如圖8所示。對車架做靜態(tài)受力分析，結(jié)果如圖9、圖10所示。

從車架的等效應(yīng)力云圖可以看出，車架所受最大應(yīng)力在推雪模塊及其掛接支架與縱梁連接處，最大的應(yīng)力值為 120.7MPa ，車架使用的材料屈服強(qiáng)度為 700MPa ，強(qiáng)度安全系數(shù)為5.79，最大的變形量為 1.7mm ，滿足使用剛度和安全性要求。

3.4轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

本方案采用前后橋獨立轉(zhuǎn)向設(shè)計（圖11）。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具備兩種模式：低速工況下，前后輪反向偏轉(zhuǎn)，可有效減小轉(zhuǎn)彎半徑，從而顯著提升車輛機(jī)動性、縮短調(diào)頭時間并增加作業(yè)擺角；中高速工況下，前后輪同向偏轉(zhuǎn)，能有效減小離心力，進(jìn)而降低側(cè)翻風(fēng)險，提升操縱穩(wěn)定性。

3.5制動系統(tǒng)

選用鼓式制動器，其摩擦面位于制動鼓內(nèi)部，可有效避免泥漿和除冰劑的侵蝕。制動能量取自發(fā)動機(jī)空氣壓縮機(jī)，經(jīng)干燥處理后進(jìn)入四回路閥，四回路閥分別聯(lián)通三個儲氣罐以及外用氣源。其中，1號和2號儲氣罐作為行車制動的儲能器，提供雙重保障。駐車制動為斷氣式儲能彈簧助力制動，由3號儲氣罐單獨供氣。系統(tǒng)配備ABS防抱死裝置，在緊急制動時可維持車輛穩(wěn)定與方向可控，最大限度利用路面附著力以縮短制動距離。制動系統(tǒng)管路如圖12所示。

3.6車輪選型

輪胎選用具有優(yōu)良防滑抓地性能、耐低溫的全鋼絲子午線無內(nèi)胎載重型雪地胎。胎面膠可在低溫下保持一定柔軟度，全深槽塊狀花紋在防滑同時具備一定自潔能力，更適合雪泥地行駛。

4結(jié)語

本文介紹了一款為三合一機(jī)場除雪車設(shè)計的專用底盤及其設(shè)計理念，圍繞機(jī)場除雪應(yīng)用場景，提出了多系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的解決方案，旨在與國際先進(jìn)的第三代除雪設(shè)備技術(shù)水平接軌。其主要技術(shù)特點包括：

a.傳動系統(tǒng)：采用前后雙分動箱與多級傳動的組合，優(yōu)化了傳動軸夾角，以確保動力傳輸平穩(wěn)性。

b.車架設(shè)計：創(chuàng)新采用輕量化的C型單層“幾\"字形縱梁結(jié)構(gòu)，車架中部上拱設(shè)計不僅為作業(yè)裝置提供了穩(wěn)定的掛載基礎(chǔ)和充足的安裝空間，還降低了整車質(zhì)心高度，從而提高了行駛穩(wěn)定性。

c.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：前后車橋均配備了帶輪邊減速的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋和油氣懸掛系統(tǒng)，實現(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向功能，顯著減小了轉(zhuǎn)彎半徑。

d.動力源：匹配行駛與作業(yè)的發(fā)動機(jī)，配備循環(huán)水冷和燃油加熱系統(tǒng)，確保在各種氣候條件下的適應(yīng)性。底盤采用前置發(fā)動機(jī)與自動變速箱作為行走動力，結(jié)構(gòu)更緊湊、操作更方便。

e.安全性能：配備雪地胎，結(jié)合雙回路鼓式行車制動與斷氣駐車制動系統(tǒng)，并配備ABS防抱死系統(tǒng)，全面提升了冰雪路面的行駛安全性。

通過科學(xué)布局和系統(tǒng)優(yōu)化，這款專用底盤顯著提升了除雪車的綜合性能，為機(jī)場除雪作業(yè)提供了高效可靠的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]李喜付，陳美蓉，王照魯.多功能除雪車底盤設(shè)計開發(fā)[J].重型汽車，2024（4）：21-22.

[2]徐曉芬，過學(xué)迅，何波勇.新型道路鏟雪除冰車設(shè)計[J].專用汽車，2010（8）：44-46.

[3]馬文星，鄧洪超.筑路與養(yǎng)護(hù)路機(jī)械——原理、結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]王望予.汽車設(shè)計[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5]孫云生，張揚(yáng)敏，張博，等.縱梁點焊應(yīng)用及常見缺陷分析[J].汽車實用技術(shù)，2019（14）：160-162.

作者簡介：

金佳白，女，1987年生，高級工程師，研究方向為特種車輛改裝。