軍用8×8二類(lèi)底盤(pán)承載能力的提升

王理然 　龐建中 　李明文 　陳勇 　宋建新

摘 要：本文對(duì)已定型的軍用標(biāo)準(zhǔn)寬度（寬度≤2500mm）的8×8底盤(pán)（4038A）公路承載能力不足30噸為切入點(diǎn)進(jìn)行車(chē)輛設(shè)計(jì)工作，圍繞著以提升底盤(pán)承載能力為的目的，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)完成的5038A進(jìn)型號(hào)底盤(pán)符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：軍用 二類(lèi)底盤(pán) 8×8 承載能力 標(biāo)準(zhǔn)寬度

Improvement of the Load-bearing Capacity of the Military 8×8 Class II Chassis

Wang Liran Pang Jianzhong Li Mingwen Chen Yong Song Jianxin

Abstract：This article takes the finalized military standard width （width ≤2500mm） 8×8 chassis （4038A） with a highway bearing capacity of less than 30 tons as the starting point for vehicle design work， and focuses on the purpose of improving the chassis bearing capacity. The overall design and sub-system design of the technical indicators have been verified by experiments， and the designed 5038A chassis meets the design requirements.

Key words：military， second-class chassis， 8×8， carrying capacity， standard width

1 緒論

1.1 現(xiàn)有軍用8×8標(biāo)寬車(chē)輛承載能力的現(xiàn)狀

基于公路、鐵路裝備運(yùn)輸?shù)男枰?，軍方及?guó)內(nèi)軍工企業(yè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)寬度（≤2500mm）下承載能力達(dá)30噸以上底盤(pán)的需求越來(lái)越迫切。而現(xiàn)有的軍車(chē)8×8標(biāo)準(zhǔn)寬度（≤2500mm）底盤(pán)4038A的公路承載能力僅為27000噸，已經(jīng)不能很好的適應(yīng)這一需求變化。寬體車(chē)雖然在承載能力上具備優(yōu)勢(shì)，但是底盤(pán)超寬（≥2500mm），無(wú)法被選用，因此需要開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。

1.2 存在的問(wèn)題及解決思路

承載能力與懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車(chē)架系統(tǒng)等部件系統(tǒng)的承載能力緊密相連，各系統(tǒng)承載能力的提升必然引發(fā)材料、結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致底盤(pán)外形尺寸增加，引發(fā)車(chē)輛超高、超重，同時(shí)影響了底盤(pán)的機(jī)動(dòng)性。

以某研究所提出的公路承載能力為35噸的標(biāo)寬車(chē)“技術(shù)協(xié)議”作為技術(shù)指標(biāo)輸入，圍繞著機(jī)動(dòng)性、高載荷等主要技術(shù)指標(biāo)，在已定型的北奔ND2400G53-4038A（8×8）底盤(pán)基礎(chǔ)上進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)車(chē)架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋、懸掛系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終形成重型8×8輪式底盤(pán)5038A（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“5038A”），滿(mǎn)足公路承載能力≥30噸的需求。

2 “5038A”的總體方案設(shè)計(jì)

2.1 “5038A”的主要技術(shù)指標(biāo)及配置

圍繞著機(jī)動(dòng)性、大載荷等主要技術(shù)指標(biāo)，在已定型的北奔ND2400G53-4038A（8×8）底盤(pán)基礎(chǔ)上，主要進(jìn)行了整體布局設(shè)計(jì)，對(duì)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋、車(chē)架系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。2017年，委托具有資質(zhì)的第三方試驗(yàn)機(jī)構(gòu)完成了30000km可靠性試驗(yàn)及各項(xiàng)性能試驗(yàn)，各分系統(tǒng)得到了充分驗(yàn)證。平均故障間隔里程為MTBF整車(chē)4000km，遠(yuǎn)高于GJB1777規(guī)定的2000km要求;可靠性指標(biāo)為5000km，高于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求;基層級(jí)平均修復(fù)時(shí)間MTTR=0.42613567h=26min，滿(mǎn)足基層級(jí)平均修復(fù)時(shí)間不大于30min的要求。

“5038A”在以已定型的4038A為原型車(chē)，對(duì)由于提升承載而可能引發(fā)變化的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。主要為：

1、行駛速度：最大行駛速度60～80km/h，最低穩(wěn)定車(chē)速≤4km/h;

2、四級(jí)以上公路續(xù)駛里程：不小于500km;

3、最大爬坡度不小于40%;

4、最大行駛側(cè)坡不小于36%;

5、總質(zhì)量48800kg，合理分配質(zhì)量

2.2 “5038A”參數(shù)計(jì)算

2.2.1 最高車(chē)速計(jì)算

以高原5500m以及平原地區(qū)兩種使用工況進(jìn)行分別計(jì)算：通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)速等條件，同時(shí)考慮功率平衡，計(jì)算得知非高原良好公路時(shí)5038A底盤(pán)最大行駛速度為：v=74km/h，海拔5500m時(shí)v=60km/h，滿(mǎn)足空載時(shí)最大行駛速度≥60 km/h、≤80km/h的要求。

2.2.2 四級(jí)以上公路續(xù)駛里程

通過(guò)計(jì)算燃油箱的有效使用容積，按照限定條件下燃油消耗量（L/l00km）不大于50L/l00km計(jì)算，得到5038A底盤(pán)四級(jí)以上公路續(xù)駛里程為720km/h，滿(mǎn)足四級(jí)以上公路續(xù)駛里程不小于500km的要求。

2.2.3 最低穩(wěn)定車(chē)速

根據(jù)橋速比、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輪胎滾動(dòng)半徑等數(shù)據(jù)，計(jì)算出5038A底盤(pán)最低穩(wěn)定車(chē)速為：，符合最低穩(wěn)定車(chē)速不大于4km/h的要求。

2.2.4 越野載質(zhì)量48800kg最大爬坡度不小于40%

以高原5500m以及平原地區(qū)兩種使用工況進(jìn)行分別計(jì)算：

1、進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力—附著條件校核：在選取良好干燥路面下的附著力系數(shù)、道路阻力系數(shù)，計(jì)算底盤(pán)最大爬坡度大于40%時(shí)，滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)力—附著條件。

2、動(dòng)力條件校核

根據(jù)空氣阻力、整車(chē)總重、變速器速比、滾動(dòng)半徑、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩等數(shù)據(jù)計(jì)算出動(dòng)力因數(shù)，再根據(jù)根據(jù)驅(qū)動(dòng)力條件計(jì)算最大坡度角，并進(jìn)一步計(jì)算最大爬坡度，可得最大爬坡度74%，動(dòng)力條件滿(mǎn)足爬坡度40%的要求。

2.2.5 最大行駛側(cè)坡不小于36%

結(jié)合輪距、中心距地高等數(shù)據(jù)，最大行駛側(cè)坡的計(jì)算按圖1計(jì)算：計(jì)算得到底盤(pán)最大行駛側(cè)坡為：=45°，滿(mǎn)足最大行駛側(cè)坡不小于36%的要求。

2.2.6 整車(chē)質(zhì)量分配

為滿(mǎn)足整車(chē)雙前橋16800kg、雙后橋32000kg的承載（空載時(shí)雙前橋軸荷7960kg、雙后橋軸荷6140kg）需要，匹配懸架、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：

1、按裝載荷均布的原則，匹配雙前橋滿(mǎn)載承載16800kg、空載時(shí)雙前橋空載軸荷7960kg，則單個(gè)前橋滿(mǎn)載承載8000kg、空載時(shí)雙前橋空載軸荷3980kg。經(jīng)計(jì)算，懸架系統(tǒng)的承載能力符合該要求。

2、原4038A底盤(pán)空載雙前/后橋中心處車(chē)架上平面離地高度為1210±15、1240±15，已經(jīng)符合要求;按均勻滿(mǎn)載進(jìn)行計(jì)算，可達(dá)到≤1220mm。

3、通過(guò)對(duì)制動(dòng)力矩理論計(jì)算，整車(chē)氣壓在10bar條件下前橋、后橋及整車(chē)?yán)碚撃軌蛱峁┑闹苿?dòng)力矩都大于車(chē)輛制動(dòng)時(shí)所需制動(dòng)力矩，滿(mǎn)足車(chē)輛使用要求。同時(shí)，匹配的制動(dòng)零部件也可以滿(mǎn)足10bar工作氣壓。

3 “5038A”的分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 車(chē)架的設(shè)計(jì)

使用CAE分析方法對(duì)4038A的車(chē)架進(jìn)行加載30噸受力分析，發(fā)現(xiàn)在扭轉(zhuǎn)工況及垂直彎曲工況下，縱梁、襯梁最大應(yīng)力值均超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，不滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，見(jiàn)圖2、圖3。

根據(jù)分析結(jié)果找出車(chē)架受力時(shí)強(qiáng)度薄弱處，最終對(duì)大梁外側(cè)進(jìn)行局部加強(qiáng)。同時(shí)，按承載35噸受力進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果表明，加強(qiáng)后的車(chē)架能夠滿(mǎn)足承載受力要求，見(jiàn)圖4、圖5

開(kāi)發(fā)完成的底盤(pán)車(chē)架，滿(mǎn)足對(duì)重型8X8輪式底盤(pán)（5038A）車(chē)架承載強(qiáng)度和上裝裝載尺寸的需求。整車(chē)進(jìn)行了30000km可靠性行駛試驗(yàn)，車(chē)架強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。

3.2 車(chē)橋的設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足總質(zhì)量48800kg的承載需求，解決整車(chē)質(zhì)量增加導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)橋負(fù)載能力不夠、驅(qū)動(dòng)橋齒輪強(qiáng)度不足無(wú)法滿(mǎn)足動(dòng)力傳動(dòng)要求的問(wèn)題，需要在現(xiàn)有7噸級(jí)第一、二驅(qū)動(dòng)前橋的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)10噸級(jí)第一、二驅(qū)動(dòng)前橋。

3.2.1 提升向節(jié)支撐座性能

由于驅(qū)動(dòng)橋的受力薄弱處集中在橋殼總成兩端的轉(zhuǎn)向節(jié)支承座上，因此將7噸橋殼的轉(zhuǎn)向節(jié)支撐座材料由20Cr改為30Mn2，同時(shí)采用調(diào)質(zhì)處理。處理完畢后，硬度提升37%-53%，抗拉強(qiáng)度提升32%-48%，橋殼承載能力將提高，可滿(mǎn)足軸荷10噸的承載需求。

3.2.2 提升齒輪承受載荷能力

驅(qū)動(dòng)前橋輸入扭矩可達(dá)到4500Nm，現(xiàn)有齒輪材料使用20CrMnMo，材料性能強(qiáng)度偏低，齒輪承受載荷能力將不能滿(mǎn)足扭矩強(qiáng)度要求。齒輪材料更改為12Cr2Ni4A，齒輪的承載能力滿(mǎn)足承載10000kg要求。第一、第二驅(qū)動(dòng)前橋已經(jīng)完成了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3 懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)匹配

為滿(mǎn)足第一、第二軸荷分別為8400kg的承載，并滿(mǎn)足車(chē)架高度的限制，開(kāi)發(fā)新的前懸架。前懸架第一、第二鋼板彈簧所用材料為50CrVA，材料屈服點(diǎn)為1128MPa，最大許用應(yīng)676.8MPa。前懸架第一、第二鋼板彈簧剛度520N/mm，滿(mǎn)載時(shí)前板簧的應(yīng)力為412MPa，滿(mǎn)足板簧最大許用應(yīng)力676.8MPa的要求。

通過(guò)計(jì)算校核，懸架系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的前懸架，可滿(mǎn)足第一、第二軸荷分別為8400kg的承載，并滿(mǎn)足滿(mǎn)載車(chē)架高度不超過(guò)1220mm的限制，且中后橋匹配北奔重汽公司現(xiàn)有后懸架，開(kāi)發(fā)要求。

3.4 制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于需要滿(mǎn)足總重48800kg的車(chē)輛制動(dòng)需求、滿(mǎn)足48800kg駐坡40%，30000kg下駐坡60%的技術(shù)指標(biāo)，需要重新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)底盤(pán)制動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)制動(dòng)性能的計(jì)算校核找出制動(dòng)性能的不足處，進(jìn)行制動(dòng)能力的提升：

3.4.1 系統(tǒng)壓力提高為10bar，提高車(chē)輛行車(chē)制動(dòng)力

使用APU模塊將制動(dòng)系的壓縮空氣壓力由8.5bar提高到10bar（10bar在整車(chē)氣路的正常工作壓力范圍內(nèi)，氣管、氣閥等均能承受10bar壓力），使整車(chē)制動(dòng)力矩、理論制動(dòng)減速度、制動(dòng)距離均可滿(mǎn)足法規(guī)和使用要求。

3.4.2 提升制動(dòng)力矩

合理選用復(fù)合制動(dòng)氣室，加寬第一前橋、第二前橋的蹄片寬度，提升制動(dòng)器制動(dòng)力矩提，使車(chē)輛能夠滿(mǎn)足坡道駐坡制動(dòng)的要求;滿(mǎn)載時(shí)初速度30km/h的制動(dòng)距離為9.68m（技術(shù)要求11.4m），且滿(mǎn)足40%駐坡制動(dòng)。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，行車(chē)制動(dòng)性能滿(mǎn)足GB12676-2014要求（以30Km/h的初速度行駛，車(chē)輛進(jìn)行一腳制動(dòng)，制動(dòng)距離≦11.4m），駐坡性能滿(mǎn)足60%的駐坡要求。

3.5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)和接口與4038A底盤(pán)一致，通過(guò)計(jì)算分析對(duì)底盤(pán)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行校核計(jì)算，將壓力由15MPa提升至使用17MPa。同時(shí)，增設(shè)后橋穩(wěn)定桿優(yōu)化操縱穩(wěn)定性。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)總計(jì)分87.6（其中，轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)綜合評(píng)定分?jǐn)?shù)100分、轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)綜合評(píng)定分?jǐn)?shù)79.4分，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)綜合評(píng)定分?jǐn)?shù)83.5分），符合QC/T 480-1999《汽車(chē)操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限制與評(píng)價(jià)方法》規(guī)定的指標(biāo)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 可靠性行駛及性能試驗(yàn)

依據(jù)GJB 4527-2002《軍用越野汽車(chē)設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)規(guī)程》編制了《定型試驗(yàn)大綱》，大綱中明確了底盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)特性參數(shù)的測(cè)定，以及動(dòng)力性、機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性、平順性、操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性能及30000km可靠性行駛試驗(yàn)等試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)方法。試驗(yàn)內(nèi)容有：底盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)特性參數(shù)的測(cè)定，動(dòng)力性試驗(yàn)、機(jī)動(dòng)性試驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)、平順性試驗(yàn)、操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)、制動(dòng)性能試驗(yàn)及30000km可靠性行駛試驗(yàn)。

4.2 環(huán)境試驗(yàn)情況

濕熱地區(qū)適應(yīng)性試驗(yàn)：對(duì)底盤(pán)零部件進(jìn)行分類(lèi)，選取各類(lèi)別中具有代表性的底盤(pán)零部件進(jìn)行了濕熱、霉菌、鹽霧試驗(yàn)，濕熱試驗(yàn)執(zhí)行GJB150.9A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第11部分：濕熱試驗(yàn)》，霉菌試驗(yàn)執(zhí)行GJB150.10A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第10部分：霉菌試驗(yàn)》，鹽霧試驗(yàn)執(zhí)行GJB150.11A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第11部分：鹽霧試驗(yàn)》。試驗(yàn)結(jié)果表明重型8X8輪式底盤(pán)（5038A）滿(mǎn)足技術(shù)協(xié)議中使用環(huán)境對(duì)霉菌、鹽霧、濕熱要求的規(guī)定。

4.3 低溫起動(dòng)試驗(yàn)

委托具有資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，依據(jù)GB/T 12535-2007 《汽車(chē)起動(dòng)性能試驗(yàn)方法》，完成了試驗(yàn)室低溫條件下（-30℃、-5℃）的車(chē)輛低溫起動(dòng)試驗(yàn)。底盤(pán)在-30℃/-5℃一次起動(dòng)成功，滿(mǎn)足低溫環(huán)境使用要求。

對(duì)于-41℃低溫起動(dòng)：由于“5038A”的動(dòng)力系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)、分動(dòng)箱等）、加熱系統(tǒng)與4038A相同，因此采信4038A車(chē)在環(huán)境溫度-41°的試驗(yàn)數(shù)據(jù)：在采用輔助裝置（液體燃油加熱器）后，預(yù)熱15分鐘后一次啟動(dòng)成功。

4.4 高原試驗(yàn)

“5038A”采用與北奔4038A底盤(pán)相同的動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)報(bào)告D000035578《WD615.38柴油機(jī)高原性能預(yù)測(cè)計(jì)算報(bào)告》中發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)，計(jì)算出海拔5500m時(shí)，底盤(pán)最高車(chē)速60km/h，滿(mǎn)載總質(zhì)量48800kg時(shí)最大爬坡度大于40%。隨整車(chē)成功完成了高原行駛試驗(yàn)。

4.5 試驗(yàn)結(jié)果

“5038A”進(jìn)行了參數(shù)測(cè)量、動(dòng)力性能試驗(yàn)、通過(guò)性試驗(yàn)、安全性試驗(yàn)、燃油消耗量試驗(yàn)、平順性試驗(yàn)、行駛可靠性試驗(yàn)、低溫起動(dòng)試驗(yàn)、操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到試驗(yàn)大綱要求。

5 結(jié)論

1、“5038A”底盤(pán)實(shí)現(xiàn)了公路工況下35270kg、越野工況下26500kg的高承載能力，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)軍用標(biāo)寬底盤(pán)的空白;

2、采用CAE優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，改進(jìn)材料及工藝，重點(diǎn)提高了轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)及齒輪強(qiáng)度，設(shè)計(jì)出10噸級(jí)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋，滿(mǎn)足了車(chē)輛高承載時(shí)轉(zhuǎn)向橋負(fù)載與轉(zhuǎn)向操縱需求;

3、通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)分析、材料性能提升和沖壓回彈工藝控制，提高了車(chē)架、懸架的承載能力;

4、通過(guò)提高制動(dòng)系統(tǒng)壓力、加寬驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋制動(dòng)蹄片、合理選用制動(dòng)氣室等方法，使整車(chē)在總重48800kg下滿(mǎn)足制動(dòng)效能法規(guī)，滿(mǎn)足公路滿(mǎn)載48800kg駐40%坡度、越野滿(mǎn)載40000kg駐60%坡度用戶(hù)的特殊要求，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛的安全性。

5、優(yōu)化匹配了底盤(pán)系統(tǒng)的抗扭特性，增設(shè)了后橋穩(wěn)定桿，保障了車(chē)輛在48800kg重載荷下優(yōu)異的操縱穩(wěn)定性。

該項(xiàng)目技術(shù)復(fù)雜，創(chuàng)新性較強(qiáng)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，總體技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

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[2]GB/T 12534-1990 《汽車(chē)道路試驗(yàn)方法通則》[S].

[3]GB/T 12677-1990 《汽車(chē)技術(shù)狀況行駛檢查方法》[S].

[4]GJB 1380-1992 《軍用越野汽車(chē)機(jī)動(dòng)性要求》[S].

[5]GJB 1473-1992 《軍用汽車(chē)安全性標(biāo)準(zhǔn)》[S].

[6]GJB 1777-1993 《軍用專(zhuān)用汽車(chē)通用規(guī)范》[S].

[7]GJB 4527-2002 《軍用越野汽車(chē)設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)規(guī)程》[S].

[8]GB 1589-2016 《汽車(chē)、掛車(chē)及汽車(chē)列車(chē)外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》[S].

[9]GB 7258-2012 《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》[S].