水陸兩用車(chē)可收放前輪懸架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

李千耀 ，于利民

（山東交通學(xué)院船舶與港口工程學(xué)院，山東 威海 264209）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民群眾越來(lái)越懂得享受，休閑垂釣的市場(chǎng)越來(lái)越大。針對(duì)休閑垂釣的人群及功能，適用于休閑垂釣且便于操作的水陸兩用車(chē)將有廣闊的發(fā)展前景。該車(chē)兼具陸地車(chē)輛和水上船舶的功能，同時(shí)具備自行實(shí)施由陸入水、由水登陸的能力。

為了減小水陸兩用車(chē)水上行駛的阻力，提升水上航速，筆者設(shè)計(jì)了一種將前輪下緣收起至與車(chē)底一致的懸架機(jī)構(gòu)。研究顯示，將車(chē)輪收起后可有效減少水上航行時(shí)總阻力的25%[1]左右。因此，在水陸兩用車(chē)的研究中，設(shè)計(jì)收放式懸架系統(tǒng)十分必要。

1 研究現(xiàn)狀

MARCH J DAVI[2]采用了依靠氣缸、氣囊等部件實(shí)現(xiàn)車(chē)輪收放的方法，將減震器和氣缸平行安裝在控制臂與車(chē)架之間，氣囊兩端分別連接減震器和控制臂，依靠氣囊和氣缸的伸縮完成車(chē)輪的收放。或者上下兩個(gè)氣囊、減震器安裝在控制臂和車(chē)架之間，當(dāng)上氣囊收縮且下氣囊膨脹時(shí)，車(chē)輪被提起；當(dāng)上氣囊膨脹且下氣囊收縮時(shí)，車(chē)輪被放下。

孫榮哲[3]提出收放輪結(jié)構(gòu)完全放在車(chē)體外側(cè)，由電機(jī)經(jīng)過(guò)減速箱轉(zhuǎn)動(dòng)搖臂，從而拉起減震器，減震器帶動(dòng)傳動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪的收縮。同時(shí)，設(shè)置了上下限位塊，在上、下止點(diǎn)位置，減震器和搖臂保持平行，此時(shí)的搖臂只受到拉力或壓力。

劇冬梅等[4]設(shè)計(jì)了一種電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的水陸兩用車(chē)的可收放懸架方案，水陸兩用車(chē)四個(gè)車(chē)輪分別安裝輪轂電機(jī)，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。因此，在車(chē)輪提升過(guò)程中，不涉及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)干涉。懸架上橫臂與叉骨連桿連接，叉骨連桿與車(chē)輪鉸接，下橫臂一端與車(chē)輪固定，減振器一端鉸接于下橫臂；設(shè)置了主動(dòng)搖臂，兩端分別與車(chē)體和減振器鉸接，主動(dòng)搖臂上方設(shè)置了限位塊。

2 收放式前懸架的方案設(shè)計(jì)

本水陸兩用車(chē)收放式前輪懸架的設(shè)計(jì)基于麥弗遜式前懸架，為保證前輪的收放過(guò)程中無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉情況的出現(xiàn)，需對(duì)前輪懸架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析及方案設(shè)計(jì)。

2.1 收放式前懸架運(yùn)動(dòng)分析

建立如圖1所示的收放式前懸架運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，旨在分析液壓缸收縮長(zhǎng)度、前輪提起高度、控制臂擺角、驅(qū)動(dòng)軸伸縮及擺角、轉(zhuǎn)向器擺角等之間的關(guān)聯(lián)性。圖中實(shí)線(xiàn)的部分表示前輪未被提起的狀態(tài)，虛線(xiàn)部分表示前輪被提起的狀態(tài)之一。A點(diǎn)代表液壓缸安裝的上止點(diǎn)，B點(diǎn)代表控制臂與副車(chē)架安裝的鉸支點(diǎn)，A到B點(diǎn)的距離用a表示；C點(diǎn)表示前輪提起前的位置，C'點(diǎn)表示前輪提起后的位置，A點(diǎn)到C、C'的距離用lAC、lAC'表示。α表示AB與BC之間的夾角，L表示控制臂的長(zhǎng)度。θ表示控制臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，h為A點(diǎn)到BC'的垂直距離，垂足D將BC'分為BD和DC'，長(zhǎng)度分別為b2和b1。

圖1 前輪收起運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

在車(chē)輪提起高度不高（≤300 mm）的情況下，認(rèn)為控制臂球頭點(diǎn)提升的高度H約等于車(chē)輪提升的高度[5]。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系，得出：

由此可得：

又因b12+h2=lAC'2，將b1、h、θ帶入，得到：

所以液壓缸收縮的距離Δ和前輪提升高度H之間的關(guān)系為：

對(duì)于本次設(shè)計(jì)的可收放式懸架各部分尺寸取值為：a=820 mm、lAC=815 mm、α=75°、L=415 mm，設(shè)計(jì)提升高度H=160 mm，將數(shù)值代入得到：

由此得出，要實(shí)現(xiàn)前輪提升高度160 mm，至少需要液壓缸的收縮距離為155 mm。

2.2 收放式前懸架的零部件設(shè)計(jì)

為保證前輪的收放過(guò)程中無(wú)干涉情況，且滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，需對(duì)前輪懸架各零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2.1 控制臂的設(shè)計(jì)

為了水陸兩用車(chē)前車(chē)輪收放功能的實(shí)現(xiàn)，基于兩用車(chē)密封空間布局設(shè)計(jì)，前懸架的控制臂設(shè)計(jì)為近似等邊長(zhǎng)三角形的三角擺臂?？刂票蹆?nèi)側(cè)設(shè)計(jì)前后兩個(gè)襯套，且與副車(chē)架相連，并同軸布置，以便前車(chē)輪提升時(shí)，控制臂繞著襯套軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。控制臂的前后兩個(gè)襯套距離370 mm，保證足夠的穩(wěn)定性；襯套設(shè)計(jì)為橡膠空心套，以便減緩各種行駛工況下前懸架的沖擊和振動(dòng)[6]?？刂票弁鈧?cè)設(shè)計(jì)為球頭，與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

采用球籠式等速萬(wàn)向節(jié)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，其中與差速器相連的筒形殼與驅(qū)動(dòng)軸之間有0～20 mm的軸向伸縮量，以適應(yīng)前輪收起時(shí)帶給驅(qū)動(dòng)軸長(zhǎng)度的變化[7]。前輪未被提起時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸在水平面以下-8°的狀態(tài)。在前輪收起的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)軸與筒形殼的距離先變小后變大，過(guò)長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)軸在此過(guò)程中將與筒形殼發(fā)生干涉。因此，為了滿(mǎn)足前懸架的收放功能，本設(shè)計(jì)采用1 650 mm的驅(qū)動(dòng)軸長(zhǎng)度。

2.2.3 減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

減振系統(tǒng)主要包括阻尼器與彈簧，具體設(shè)計(jì)如下所示：

1）阻尼器下支點(diǎn)的位置決定了轉(zhuǎn)向節(jié)總成的定位，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)首先要保證尺寸的合理性，以免與其他零部件產(chǎn)生干涉。

2）隨著陸地行駛時(shí)的顛簸或由陸地行駛狀態(tài)收起前輪至最高點(diǎn)的過(guò)程中，前懸架主銷(xiāo)軸線(xiàn)（減振器上支點(diǎn)中心與控制臂球頭的球心連線(xiàn)）繞著減振器上支點(diǎn)中心變化，主銷(xiāo)內(nèi)傾角（主銷(xiāo)軸線(xiàn)與過(guò)控制臂球頭球心垂直線(xiàn)的夾角）會(huì)隨之變化。根據(jù)陸地行駛車(chē)輛主銷(xiāo)內(nèi)傾角取值范圍為7°～13°[8]，本次設(shè)計(jì)主銷(xiāo)內(nèi)傾角為9°。

3）為保證前輪收起的高度，合理設(shè)計(jì)彈簧。選用在汽車(chē)懸架上應(yīng)用廣泛的壓縮型螺旋彈簧，且根據(jù)彈簧所受載荷P=4 900 N，選用的材料為60Si2MnA彈簧鋼絲冷卷制成[9]。彈簧鋼絲剪應(yīng)力τ表示為：

由此可得彈簧鋼絲直徑d：

查得彈簧鋼絲許用剪應(yīng)力[τ]=590 MPa，取纏繞比C=7，曲度系數(shù)K=1.21，則求得d≥13.4 mm，取彈簧鋼絲直徑d=14 mm。根據(jù)阻尼器外徑尺寸大小，取彈簧中徑Dm=98 mm，彈簧其他參數(shù)如表1所示[10]。

表1 彈簧的其他參數(shù)

根據(jù)車(chē)輛重量、收起高度等因素，本設(shè)計(jì)彈簧上、下安裝座的距離為384 mm。

2.2.4 液壓缸的安裝定位

在水陸兩用車(chē)前橋有限的空間內(nèi)，為保證滿(mǎn)足車(chē)輪收起的160 mm高度、液壓缸的收縮至少155 mm距離要求，選取行程為200 mm的液壓缸。根據(jù)所選取液壓缸的型號(hào)尺寸，為了使結(jié)構(gòu)更加緊湊，液壓缸下支點(diǎn)應(yīng)在合理范圍內(nèi)盡量靠下布置。本設(shè)計(jì)采用液壓缸下支點(diǎn)的固定連接件與阻尼器下支點(diǎn)使用相同的螺栓固定。為保證前輪收起時(shí)，液壓缸的拉力盡可能多地作用在減振系統(tǒng)上，應(yīng)使液壓缸與減振系統(tǒng)的軸線(xiàn)平行[11]。

2.3 可收放前懸架的結(jié)構(gòu)方案

可收放前懸架以液壓缸作為主動(dòng)元件，通過(guò)壓縮減振系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)收放前輪的功能?？墒辗徘皯壹軝C(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 左側(cè)收放式懸架結(jié)構(gòu)圖

收起前輪的具體方式如下：

所設(shè)計(jì)的懸架為獨(dú)立前懸架，其中，前輪既是驅(qū)動(dòng)輪也是轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向節(jié)總成3通過(guò)剎車(chē)盤(pán)、輪轂等與前輪相連，驅(qū)動(dòng)軸總成9包括驅(qū)動(dòng)軸和內(nèi)、外球籠萬(wàn)向節(jié)總成，外球籠萬(wàn)向節(jié)總成與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連接，內(nèi)球籠萬(wàn)向節(jié)總成與差速器相連。轉(zhuǎn)向節(jié)總成下端通過(guò)球頭銷(xiāo)4與控制臂5相連，控制臂內(nèi)側(cè)兩個(gè)襯套通過(guò)螺栓與前副車(chē)架上的鉸鏈座7連接，控制臂可以沿著襯套軸線(xiàn)8相對(duì)副車(chē)架6轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓減振系統(tǒng)由液壓缸10、螺旋彈簧2、L形連接件11、阻尼器1構(gòu)成。阻尼器1上端通過(guò)軸承、橡膠襯套固定在車(chē)身上，下端與轉(zhuǎn)向節(jié)總成3通過(guò)螺栓固定連接。液壓缸10上支點(diǎn)固定在車(chē)身上，下端通過(guò)帶有柱銷(xiāo)的L形連接件11與阻尼器1及轉(zhuǎn)向節(jié)總成3相連。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向器14、轉(zhuǎn)向橫拉桿13、轉(zhuǎn)向節(jié)總成3。轉(zhuǎn)向器14通過(guò)螺栓固定在前副車(chē)架上，其內(nèi)部通過(guò)齒輪與齒條配合可使轉(zhuǎn)向橫拉桿13相對(duì)于轉(zhuǎn)向器直線(xiàn)移動(dòng)，轉(zhuǎn)向器14兩端通過(guò)球鉸鏈15與轉(zhuǎn)向橫拉桿13相連，轉(zhuǎn)向橫拉桿13通過(guò)球頭銷(xiāo)12與轉(zhuǎn)向節(jié)總成3相連。

當(dāng)液壓缸10收縮時(shí)，阻尼器1和彈簧2壓縮，液壓缸下支點(diǎn)帶動(dòng)阻尼器1下支點(diǎn)及轉(zhuǎn)向節(jié)總成3上移，此時(shí)，控制臂5通過(guò)球頭銷(xiāo)4隨著轉(zhuǎn)向節(jié)總成3繞襯套軸線(xiàn)8向上擺動(dòng)；驅(qū)動(dòng)軸總成9的球籠萬(wàn)向節(jié)為適應(yīng)前輪提升而發(fā)生角度偏移，驅(qū)動(dòng)軸相對(duì)副車(chē)架6向上轉(zhuǎn)動(dòng)；轉(zhuǎn)向拉桿通過(guò)球頭銷(xiāo)12與球鉸鏈15跟隨轉(zhuǎn)向節(jié)總成3相對(duì)副車(chē)架6向上轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪被提起。

3 結(jié)論

研究小組設(shè)計(jì)了一種基于麥弗遜式懸架的可收放前輪懸架結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)收放式前懸架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析并對(duì)其零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水陸兩用車(chē)前車(chē)輪收起至下緣與車(chē)底一致的功能，從而達(dá)到水陸兩用車(chē)水上行駛時(shí)減阻提速的目的。