越野汽车悬架车架及车身扭转刚度匹配的研究／周忠胜，陈建贤
设计・研究
越野汽车悬架车架及车身扭转刚度匹配的研究
周忠胜，陈建贤
（东风汽车公司技术中心，武汉４３００５６）
摘要：从越野汽车大比例扭转使用环境出发，首先分析了整车、悬架、车架、车身扭转变形，继而从提高越野汽车越野通过性、可靠性、轻量化水平角度出发，探讨了悬架、车架、车身（车箱）扭转刚行驶最大平均车速，保证乘员舒适性、度的匹配思路和方法。
关键词：越野汽车；悬架；车架；车身；扭转刚度中图分类号：Ｕ４６２．３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５－２５５０（２００８）Ｓ１－００３５－０４
越野行驶最大平均车速是汽车越野机动性的核心技术指标，越野行驶最大平均车速越高汽车的机动性越高。但是越野路面最大平均车速的提升意味着地面对车辆的冲击载荷的增大，意味着车轮接地性能（车辆通过性）的降低，意味着乘员舒适性的降低。怎样在提升越野行驶最大平均车速，提高越野机动性的前提下，保证乘员的舒适性、车辆行驶安全性、车辆通过性、整车各主要部件可靠性、整车轻量化是越野汽车设计的重要工作。
明确获得用户需求和清晰地确定车辆实际使用环境是汽车研制核心工作。越野汽车与其他车辆最
收稿日期：２００８－０１－１１
大的不同就是大比例地行驶在越野路面上，此时整车扭转变形大、扭转载荷高。对这种大扭转使用环境的设计也反映了越野汽车设计水平的高低。
悬架、车架、车身作为越野汽车主要承载和受力部件，起着承载整车部件和载荷，实现整车行驶和操控性能，吸收地面冲击满足乘员舒适性和货物完好性要求等作用。三者的总质量占越野车总质量的舒适性、通过５０％左右，因此三者对车辆承载能力、性、轻量化和可靠性有着重要的影响。
由于越野汽车大比例越野路面行驶要求，一般越野汽车采用非承载式车身结构，既车架和车身分开，有独立的车架，车架和车身（驾驶室、车箱）通过
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
动＋跳动工况；驱动＋跳动＋转向工况；转向工况。
计算出各工况下最大形变位移和最大应力。判断依据：考虑安全系数和使用要求，结构设计须考虑材料轻量化，由设计师做出判断，最终由台架试验和道路试验验证。
参考文献：
［１］张银保．汽车轮边减速器［Ｊ］．湖北工业大学学报，２００５，２０
（３）：１０３－１０６．
［２］黄松，徐满年．汽车之感悟［Ｍ］．北京：北京理工大学出版
社，２００７．
［３］刘惟信．汽车设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００１．［４］王犹松，平建军．ＥＱ２０５０越野汽车轮边减速器总成台架
疲劳试验方案设计［Ｊ］．汽车科技，２００７，（１）：４４－４７．［５］许铁林．工程机械轮边减速器结构设计研究［Ｊ］．工程机
械，１９９７，２８（６）：２８－３０．
３．３油封的设计
油封：考虑油的介质、工作温度和旋转方向等，
而根据经验采用不同材质和结构。通常采用丁晴橡胶和丙烯酸脂，考虑耐高温、对耐寒性和弹性要求相对低些，可选用丙烯酸脂；考虑橡胶弹性，耐高温性相对低，可选用丁晴橡胶；另现在较广泛采用耐热和耐油性好，但成本稍高的氟橡胶。
ＤｅｓｉｇｎｏｆＷｈｅｅｌＲｅｄｕｃｔｏｒ
ＷＡＮＧＺｈｅｎ－ｘｉａｏ，ＬＩＺｅｎｇ－ｈｕｉ
（ＤＦＭＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｅｎｔｅｒ，Ｗｕｈａｎ４３００５６，Ｃｈｉｎａ）
４结束语
轮边减速器在国内外工程机械驱动桥和军用越
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｗｈｅｅｌｒｅｄｕｃｔｏｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｌａｎ，ｄｅｓｉｇｎｏｆｂａｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｃｈｅｃｋｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈ，ＣＡＥａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｓ，ｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｇａｐｓｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｗｈｅｅｌｒｅｄａｃｔｏｒｉｓｆｉｌｌｅｄ，ａｎｄａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄｆｏｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｄｕｃｔｓｉｎｆｕｔｕｒｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｈｅｅｌｒｅｄｕｃｔｏｒ；ｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ；ＣＡＥａｎａｌｙｓｉｓ
野车驱动桥上广泛使用，本文探讨了轮边减速器的一般设计流程，从结构选型，基本参数设计计算，齿轮强度校核，轴承寿命计算，壳体ＣＡＥ分析等一一加以介绍，为轮边减速器的设计开发提供参考。
・３５・
设计・研究
悬置或支架连接。
本文从分析越野汽车扭转变形出发，探讨悬架、车架、车身（驾驶室、车箱）扭转刚度的设计思路和方法。
１整车及各系统扭转变形分析
当汽车处于越野路面上或在这种路面上低速行
驶时，车轴车轮、悬架、车架及车身等各种部件会出现扭转变形。这种情况都可以简化为图１所示情况。即两个后轮及较低的一个前轮处于同一平面内，另一前轮高出该平面构成夹角! 。这时处于高点的车轮垂直载荷增大，同轴另一侧车轮垂直载荷必相应减小。左右车轮的载荷转移形成扭转力矩。在扭转力矩作用下车轴车轮系统、悬架系统、车架及车身等部件会同时产生扭转变形。
#２" ２
$%１" １
!
图１汽车及各系统扭转变形
车轴车轮系统扭转指前后轴绕汽车纵向轴线的相对扭转，其变形主要来自轮胎。前后轴的扭转角分别为" １、" ２。悬架系统扭转指前后悬架绕汽车纵向轴线的相对扭转。前后悬架的扭转角分别为
#１和#２。车轴车轮系统和悬架系统的扭转互相串
联，车轴车轮系统和悬架系统串联后的刚度称为悬架系统（含车轮）扭转刚度。根据分析，由于悬架形式的不同，一般车辆车轴车轮系统扭转变形占悬架系统扭转变形的５％￣１５％。简化起见可用悬架系统扭转刚度代替悬架系统（含车轮）扭转刚度。必要时可用系数修正。
假设悬架系统扭转刚度为Ｃｓ，车架扭转刚度为
Ｃｊ，则车架扭角$可用式（１）计算；车架扭矩用式（２）
计算。
$＝Ｃｓ
! ＝１
! （１）
ｊｓ
１＋ｊｓ
Ｍ＝ＣｊＣｓ!
（２）
ｊｓ
从以上车架扭角公式（１）及车架扭矩公式（２）可以看出，它们不仅取决于道路因素，也取决于悬架系・３６・
汽车科技增刊２００８年２月
统和车架的扭转刚度。
实际上! 是以角度表示的前后车轮处道路的不平度，必要时可将其转换为路面相对高度，即车轮相对抬起高度。
２悬架和车架（整车）扭转刚度分析
在车架上安装发动机、前后轴、车身（驾驶室、车
箱），甚至油箱、储气筒、备胎等部件后，车架在扭转时这些部件也随车架一起扭转，作用相当于车架横梁。车架受这些部件影响，其扭转刚度必有提高。为了把整车状态下车架扭转刚度与光车架扭转刚度区别开来，分别称之为车架（整车）扭转刚度和光车架扭转刚度。前面在分析汽车扭转变形时所涉及的车架扭转刚度Ｃｊ，显然应是车架（整车）扭转刚度，而不是光车架扭转刚度。
根据公式（１）可知，汽车处在扭角为! 的道路上，车架的扭角是Ｃｓ、Ｃｊ的函数。即车架扭角不仅与车架（整车）扭转刚度有关，还和悬架系统扭转刚度有关。增大车架（整车）扭转刚度和减小悬架系统扭转刚度都可减小车架扭角。
根据公式（２）可知，在一定道路条件下，既扭角!
一定时，车架扭矩大小与车架（整车）扭转刚度和悬架系统扭转刚度有关，二者的增大都将使车架及车架上的车身等部件扭矩相应增大、应力变大。作用于车架的扭矩是由左右车轮载荷转移形成的，车架扭矩越大，左右车轮载荷转移也越大。对于驱动轴来说，意味着其车轮接地性能的下降，甚至出现单侧车轮悬空情况，降低了越野汽车通过性。
因此从提高越野汽车的通过性、舒适性，降低车架及车箱等部件扭转变形及应力角度出发，应该尽可能地降低悬架的扭转刚度。
轿车主要设计目的是长时间大比例高速行驶在路面不平度很小的铺装路面上，为了提高乘员乘坐舒适性和高水平的ＮＶＨ水平，一般将大扭转刚度车身作为车身的主要设计目标。我们经常会看到报道某某车型的车身扭转刚度比上一代提高百分之多少，质量降低百分之多少等等。这种大扭转刚度车身和软刚度独立悬架的匹配非常适合轿车的实际使用环境。
但是对于经常行驶在越野路面上的越野车这种设计思路是否合适就不一定了。我们分析一下车架
（整车）扭转刚度与悬架系统的扭转刚度之比Ｃｊ／Ｃｓ
对车架扭角的影响关系。公路用卡车的Ｃｊ／Ｃｓ比值通常为１左右，轿车则可能大到１０。Ｃｊ／Ｃｓ在０～１０的范围内$／! 与Ｃｊ／Ｃｓ依赖关系如图２所示。当道路情
越野汽车悬架车架及车身扭转刚度匹配的研究／周忠胜，陈建贤
设计・研究
况和悬架系统结构不变时，即Ｃｓ及! 都为常数，则此曲线表示车架（整车）扭转刚度Ｃｊ与车架扭转变形
" 的关系。在此范围内Ｃｊ对" 的影响并不太显著。
随着Ｃｊ的提高，其影响程度也越来越小。当Ｃｊ较大时，其影响甚至可忽略不计。
０．５
!
／" ０
２
４
Ｃ６
８
１０
ｊ／Ｃｓ
图２车架（整车）扭转刚度与扭角的关系
根据上面的论述，对于经常低速行驶在大扭转越野路面的越野汽车来说，没有必要过分地追求车架和车身的大扭转刚度。从提高越野车通过性的角度出发，在降低悬架系统刚度前提下，应该充分利用车架和车身自身的扭转。当然此结论仅在整车的其他性能满足实际使用要求的范围内成立。同时要注意车架上车身及各部件的安装设计，避免这些部件产生扭转损坏。
３悬架系统（含车轮）扭转刚度分析
悬架弹簧的压缩刚度愈大，悬架系统扭转刚度
也愈大。采用独立悬架时，弹簧的压缩刚度一般较小，故其扭转刚度也较小。
采用变刚度弹簧或辅助副簧时，满载时悬架系统的扭转刚度比空载时高。悬架系统的扭转刚度可以用式（３）计算。其中Ｃｔ１、Ｃｔ２分别表示前后轴弹簧的压缩刚度，Ｂｔ１、Ｂｔ２分别表示前后轴弹簧左右中心距。
Ｃｓ＝
１（３）
＋
ｔ１ｔ１ｔ２ｔ２
因此采取独立悬架布置结构、减小弹簧刚度、加大悬架上下动行程可以降低悬架系统扭转刚度。
为了保证越野汽车车轮接地性能还应该注意悬架接地性能设计。国际上一般用车轮动态垂直载荷与静态车轮垂直载荷的百分比值，即车轮接地性指数来评价。欧洲减振器制造协会（ＥＵＳＡＭＡ）推荐的评价车轮接地性指数的参考标准如表１所示。ＧＢ１８５６５－２００１《
营运车辆综合性能要求和检验方法》也规定：对于最大设计车速大于１００ｋｍ／ｈ、轴载质量小于１５００ｋｇ的载客汽车，应用悬架试验台检测悬架特性，车轮接地性指数应不小于４０％，同轴
左右轮车轮接地性指数之差不得大于１５％。为了保证越野汽车的行驶性能和高速越野能力，车辆接地性能指数应不低于３０％。
表１
车轮接地性指数参考标准
车轮接地性车轮接地状态
车轮接地性指数／％
指数／％
车轮接地状态
６０～１００优２０～３０差４５～６０良１～２０很差３０～４５
一般
０
车轮与路面脱离
轮胎的尺寸（接地面积）和气压愈大，车桥上的轮胎愈多，则其压缩刚度必愈大，因此车轴车轮系统
扭转刚度也必愈大。当前后轮都为单胎且其气压接近时，前后轮距相等或接近时，可认为前轴前轮系统和后轴后轮系统的扭转刚度相等。车轴车轮系统的扭转刚度Ｃｌ可以用式（４）计算。其中Ｃｌ１、Ｃｌ２分别表示前后轴每侧车轮压缩刚度，Ｂｌ１、Ｂｌ２分别表示前后轴左右车轮中心距。
Ｃ１ｌ＝
（４）
＋ｌ１Ｃｌ２ｌ１Ｃｌ２
美军轻型高机动性越野汽车Ｈｕｍｖｅｅ和中型高机动性越野车ＭＴＶＲ前后悬架均采用独立悬架、低气压轮胎均证明了这种分析。
４车架扭转刚度和车身扭转刚度匹配分析
车架扭转刚度包含了车架及安装在车架上的各
种部件的扭转刚度，各个部件对车架扭转刚度的提升依赖于自身的扭转刚度和连接件所构成的串联系统的扭转刚度。相对于其它部件由于车箱自身扭转刚度很大，且几乎占据车架长度的三分之二以上，因此车箱对车架扭转刚度的提升也最大。
对于设计目的为装载货物的越野车来说，乘员乘坐的驾驶室和装载货物的车箱一般是分离的。一般通过采用悬浮式三点或菱形悬置来提高乘员舒适性，因此驾驶室占车架扭转刚度的比例相对较小。装载货物的车箱一般和车架采用多点硬性或有限弹性连接，因此对车架扭转刚度贡献非常大，通常会达到车架的３～４倍。因此此类型的车架扭转刚度可较小，充分利用车箱的扭转刚度。
对于主要用途为乘坐的越野吉普车来说，驾驶室和车箱为一体结构，乘员的舒适性是主要的，车身和车架一般采用多点软性支撑来连接。同时由于车身一般同时要求有敞篷车身、软顶车身、硬顶车身等多种型式。车身自身扭转刚度差别很大，敞篷车身、软顶车身相比硬顶车身，其扭转刚度很小。同时由于
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设计・研究
汽车科技增刊２００８年２月
一种越野汽车风扇传动机构的设计
汪振晓
（东风汽车公司技术中心，武汉４３００５６）
摘要：介绍了一种越野汽车风扇传动机构的设计方法，包括方案选择、基本参数选取、强度校核、部件轻量化等。该越野车的风扇传动机构是为解决发动机冷却性自主开发的，解决了国外类似车型没有解决的冷却能力不足问题。关键词：发动机冷却；设计方案；弧齿轮；扭转减振器；联轴器中图分类号：Ｕ４６４．１３８＋．４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５－２５５０（２００８）Ｓ１－００３８－０４
风扇传动机构是为解决某越野车发动机冷却性而自主开发的，没有可借用的国外技术。国外的越野车上采用的散热结构是将风扇直接连接在发动机的一个输出轴上，再利用导风管，将风导向水箱散热器。这种结构具有较好的散热冷却效果，但它只适用于普通温度环境；在较为恶劣的温度环境下，如热带沙漠地区，由于温度高，风扇的风量有限，这种车辆在使用时常出现“开锅”现象。而由于车辆中的空间有限，这种结构的散热装置中的风扇不可能采用较大尺寸。因此，现有的结构无法解决上述问题。
收稿日期：２００７－１１－１０
根据整车性能和工况等设计和使用要求，最有效的方案是将风扇直径加大，由于散热器相对发动机安装面只能是倾斜布置，原风扇安装在发动机凸轮轴的皮带轮上，只能垂直于发动机安装面布置，通过风道给散热器散热，直径只能做到４９５ｍｍ，简称直风扇，不能满足整车性能要求。通过不断试验将风扇直径加大到６００ｍｍ，风扇平行于散热器，简称斜风扇，发动机的功率可以满足整车要求，冷却效果明显，在最大功率点和最大扭矩点转鼓试验和热区性能均能达到指标要求。现采用斜风扇不能直接安装在发动机上，需要设计一套动力传动机构，由于动力
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
车身悬置软垫的弹性，车身和车架的连接刚度也很小，因此车身对车架扭转刚度的贡献较小。采用独立悬架时驱动桥相应采用分体结构，悬架、前后轴对车架扭转刚度的提升也非常有限，因此应该使车架扭转刚度保持在相当高的水平。
独立悬架的安装与非独立悬架完全不同，要特别注意独立悬架控制臂和弹簧安装处的车架纵梁及横梁设计，保证此处车架的局部扭转刚度。从保证整车操控性能，同时充分利用车架扭转变形的双重设计目标出发，应该将车架前后悬架处的局部扭转刚度设计较大一些，车架中部的局部扭转刚度设计相对较弱一些。
虽然本文主要论述车架扭转刚度，由于独立悬架弹簧安装点处的负荷相对非独立悬架提高１倍，因此一定要注意前后独立悬架处车架的强度设计。
立悬架，根据不同设计用途合理匹配车架和车身（驾驶室、车箱）的扭转刚度，来解决越野汽车在大扭转越野路面行驶时的通过性、舒适性、可靠性等难题。参考文献：
［１］陈传颖．汽车车架设计理论研究［Ｄ］．湖北：东风汽车工程
研究院，２００１．
［２］尹文杰，陈思忠，刘臣亚．高速越野性车辆悬架系统分析
［Ｊ］．专用汽车，２００２，（２）：１２～１５．
［３］ＧＢ１８５６５－２００１，营运车辆综合性能要求和检验方法［Ｓ］．
ＴｈｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，Ｆｒａｍｅ，
ＢｏｄｙＴｏｒｓｉｏｎａｌＳｔｉｆｆｎｅｓｓ
ＺＨＯＵＺｈｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ，ＣＨＥＮＪｉａｎ－ｘｉａｎ
（ＤＦＭＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｅｎｔｅｒ，Ｗｕｈａｎ４３００５６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｉｓｔａｎａｌｙｚｅｓｖｅｈｉｃｌｅ，ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，ｆｒａｍｅａｎｄｂｏｄｙｔｏｒｓｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｎｆｒｏｍｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｆ－ｒｏａｄｄｒｉｖｉｎｇｍａｘｉｍｕｍａｖｅｒａｇｅｓｐｅｅｄ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇｃｏｍｆｏｒｔ，ｍｏｂｉｌ－ｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｈｏｗｔｏｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｔｈｅｔｏｒ－ｓｉｏｎａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，ｆｒａｍｅ，ｂｏｄｙ（ｃａｒｒｉａｇｅ）．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｆｆ－ｒｏａｄｖｅｈｉｃｌｅ；ｓｕｓｐｅｓｉｏｎ；ｃｈａｓｓｉｓ；ｂｏｄｙ；ｔｏｒｓｉｏｎａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓ
５结论
根据越野汽车大比例越野路面的实际使用情
况，分析了越野汽车的扭转变形，提出采用大行程独・３８・