客车轴距优化设计

王华秀，张耀举，肖 越

（东风汽车股份公司 商品研发院，武汉430057）

轴距是汽车前轴中心到后轴中心的距离。对整车而言，轴距是一个很重要的参数，它不仅影响车身结构强度、客车座椅布置，且与整车性能息息相关。轴距的改变会引起前、后桥轴荷分配的变化，对汽车制动性、爬坡性能、操纵性及平顺性都有影响。轴距一旦改变，就必须重新进行总布置设计，重新设计管线、车身结构，同时，还需校核和重新设计前后悬架系统、制动系统、转向系统，如果后轮是驱动轮，还需重新布置传动系。因此，在汽车设计的初期，就应对汽车结构与性能进行分析，确定整车轴距。

本文以前轮驱动轻型客车车型开发为例，对轴距设计进行计算、分析及优化。对于采用独立悬架、标配ABS的汽车，轴距对操纵性、平顺性、制动性能的影响不起决定作用，因此在本文中不进行探讨，本文主要探讨轴距对爬坡度、驻坡度、最小转弯直径、纵向通过半径的影响及如何兼顾这些性能对整车轴距进行优化设计。

1 客车的轴距与整车长度

如图1所示，可将整车长度划分为发动机机仓区、驾驶区和乘客区，对座位数和座位排数已确定的客车，整车长度已基本确定。整车长度又为前悬L1、后悬L2和轴距L0三者之和，受发动机布置、驾驶室车门宽度和驾驶员视野要求的影响，前悬长度调整的空间不大。对一定总长的客车，在前悬已确定的情况下，除了通过总布置来调整整车重量分配外，调整轴荷分配最可行的办法是进行轴距的优化设计。

对于总长和前悬已确定的整车，受整车布置空间限制，整车重量分布已基本确定，整车重心到前轴的距离a和重心高h可以看成定值（见图2），下面以前轮驱动客车为模型，分析汽车在上、下坡路面时轴距与爬坡性能、驻坡性能的关系。

2 轴距的计算分析

2.1 与整车爬坡性能的计算分析

在进行轴距设计时，要根据整车的驱动方式和上下坡时的受力状态及整车定义的最大爬坡度目标值计算设计整车轴距。

对前轮驱动的客车，如果轴距过短，爬坡或急加速时整车重心后移，驱动轮因附着力不足而打滑。下面通过计算来分析轴距对爬坡度的影响。

前轮驱动的汽车应分析满载状态下的整车爬坡性能。

如图3所示，设汽车轴距为L，前轮垂直于地面的反力为Ff，后轮垂直于地面的反力为Fr，路面附着系数为φ，当汽车的驱动力完全用于爬坡时汽车所能爬的最大坡度角为α，则：

汽车匀速爬坡时，以后轴为支点的力矩平衡方程如下：

设汽车的最大驱动力与驱动轮打滑前的临界静摩擦力相等，即：

汽车最大驱动力为：

汽车匀速爬坡时，在不计风阻的情况下，最大驱动力约等于汽车的坡度阻力，即：

由式（1）（2）和（3）可以推出满载时轴距与最大爬坡度的关系如下：

若最大爬坡度的设计目标为tanαm，则最大爬坡度的设计值tanα必须不小于tanαm，即：

由此可以得出轴距L与最大爬坡度tanαm的关系式如下：

2.2 轴距与整车驻坡性能的计算分析

在进行轴距设计时，要根据整车的驱动方式和上下坡时的受力状态及整车定义的最大驻坡度目标值计算设计整车轴距。

汽车一般采用后轮驻坡，驻坡时，最大驻坡力等于坡度阻力，即：F=G×sinα，最大驻坡力与路面附着力的关系为 F≤F×φ，由此推出 sinα≤×φ；也就是

r说，当F=Fr×φ时，最大驻坡角度的正弦值与后轴荷占整车总重的百分比成正比。

与满载相比，汽车空载时，后轴荷占整车总质量的百分比更小，同时，汽车下坡时，重心向前轴移动，后轴荷占整车总质量的百分比较平直路面会减小，因此应分析空载下坡状态下的整车驻坡能力。

设空载状态下的驻坡角度为β、重心高度为h0、后轴荷为Fr0、重心到前轴的距离为α0，最大驻坡力为F，见图4，设汽车的最大驻坡力与后轮打滑前的临界静摩擦力相等，则有以下三个关系式：

由上三式可以导出：

设最大驻坡度的设计目标为tanβm，则最大驻爬坡度的设计值tanβ必须不小于tanβm，即：

由此可以得出轴距与最大驻坡度tanβm的关系式如下：

2.3 轴距与纵向通过半径的计算分析

纵向通过半径越小，汽车被地面凸起物托住的可能性越小，汽车的纵向通过性能就越好。对于整车长度和底盘离地间隙已确定的客车，轴距的长短直接影响整车纵向通过半径。数学模型见图5。

式中：L为轴距；r为车轮滚动半径；H为两轴距中间最小离地高度。

设最小通过半径的设计目标为Rm，最小通过半径的设计值R必须不大于Rm，即：

由此可以得出轴距L与纵向通过半径Rm的关系式如下：

2.4 轴距与最小转弯直径的计算分析

汽车的最小转弯直径可以用下式近似计算 （见图 6）：

式中：L为轴距；θ为前外轮最大转角；k为主销偏置距。

受车架前纵梁等限制，前轮的最大转角不可能无限加大，当前转向轮转角一定时，要减小最小转弯直径，需通过减小轴距来实现。设客车的最小转弯直径的目标值为Dm，满足设计要求的最小转弯直径应不大于目标值，即：

由此可以得出轴距L与最小转弯直径Dm的关系式如下：

3 轴距优化设计

通过上面的计算分析，得出了轴距与爬坡度、驻坡度、纵向通过半径、最小转弯直径间的关系式。根据具体车型目标要求，将相关参数代入式（4）、（5）、（6）、（7）中解不等式，若只能满足其中的某几个式子，则应根据客车的用途和常用行驶路面等情况，对设计目标进行适当调整。在上面这四项要求都满足的前提下，还应考虑车身结构的通用性和乘客座椅布置要求，综合这些方面的需求进行轴距的优化设计，在设计要求都满足的情况下，应将轴距取较大值，以提高整车的行驶平顺性和行驶稳定性。

下面以某轻型客车车型设计为例，叙述轴距优化设计方法。

某车型的整车设计参数和目标参数见表1。

表1 整车设计参数和目标参数

将上述参数代入不等式 （4）、（5）、（6）、（7）中，解不等式，通过计算，可得出轴距与爬坡、轴距与驻坡、轴距与纵向通过半径、轴距与转弯直径的一组数据，将计算数据以轴距为横座标，以不同目标参数为纵座标，作出的关系曲线见图7。

从计算结果知：

1）满足整车最大爬坡度30%≥tanαm≥35%要求的轴距范围为4 233≤L≤4 838 mm。

2）满足整车最大驻坡度20%≥tanβm≥30%要求的轴距范围为4 088≤L≤5 250 mm。

3）满足整车最小纵向通过半径9m～10m要求的轴距范围为3 742≤L≤4 050 mm。

4）满足整车最小转弯直径14m～15m要求的轴距范围为3 811≤L≤4 219mm。

根据整车商品定义，该车型主要用于城间客运，使用道路为国道及以上路面，为此，对整车的纵向通过半径要求可以放低。最大爬坡度同时也代表了整车的最大动力性因素，该项性能是整车必达的目标性能项；最大驻坡度也是用户很关注的性能参数，且与整车安全性能相关。为此，将与轴距相关的四个参数排序，第一需满足的是整车的最大爬坡度和最大驻坡度要求，其次为整车最小转弯直径，最后考虑的是最小纵向通过半径。

在考虑上述因素的同时，还应考虑车身结构与其它同平台多种轴距车型的通用性，以及车身内部座椅布置需求。为了与同平台另一种轴距车型的后悬通用 （另一种轴距的设计计算方法与该车型相同），将整车轴距确定为L=4 200mm。

整车轴距L=4 200mm时，整车最大爬坡度为29.7%，基本满足整车设计目标；整车最大驻坡度为29%，满足设计目标；整车最小通过半径为10.8 m，未满足设计目标，但该项性能可放宽，对该项设计目标进行调整；整车最小转弯直径为15.4 m，与目标值基本接近，在后期的具体设计中，可以通过适当加大前轮最大转角和主销偏置距来进行改善，以达到设计目标。

4 结束语

轴距是一个重要的整车参数，对整车的最大爬坡度、最大驻坡度、最小转弯直径、纵向通过半径都有较大影响。因此，在设计整车轴距时，应进行充分的计算分析和优化设计，兼顾整车的各项性能，在稳定性、爬坡能力、驻坡能力和机动性之间必须作出取舍，找到合适的平衡点，达到最优的整车目标性能。本文通过理论分析，推导出一系列轴距设计计算公式，并通过举例说明整车轴距优化设计方法。

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