军用8×8二类底盘承载能力的提升

2021-04-02王理然庞建中李明文陈勇宋建新

时代汽车 2021年4期

王理然　庞建中　李明文　陈勇　宋建新

摘要：本文对已定型的军用标准宽度（宽度≤2500mm）的8×8底盘（4038A）公路承载能力不足30吨为切入点进行车辆设计工作，围绕着以提升底盘承载能力为的目的，对各项技术指标进行总体设计、分系统设计，经过试验验证，设计完成的5038A进型号底盘符合设计要求。

关键词：军用二类底盘 8×8 承载能力标准宽度

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 绪论

1.1 现有军用8×8标宽车辆承载能力的现状

基于公路、铁路装备运输的需要，军方及国内军工企业对标准宽度（≤2500mm）下承载能力达30吨以上底盘的需求越来越迫切。而现有的军车8×8标准宽度（≤2500mm）底盘4038A的公路承载能力仅为27000吨，已经不能很好的适应这一需求变化。宽体车虽然在承载能力上具备优势，但是底盘超宽（≥2500mm），无法被选用，因此需要开发新产品。

1.2 存在的问题及解决思路

承载能力与悬挂系统、转向系统、车架系统等部件系统的承载能力紧密相连，各系统承载能力的提升必然引发材料、结构的变化，导致底盘外形尺寸增加，引发车辆超高、超重，同时影响了底盘的机动性。

以某研究所提出的公路承载能力为35吨的标宽车“技术协议”作为技术指标输入，围绕着机动性、高载荷等主要技术指标，在已定型的北奔ND2400G53-4038A（8×8）底盘基础上进行总体设计，同时对车架系统、转向驱动桥、悬挂系统、制动系统等进行优化设计，最终形成重型8×8轮式底盘5038A（以下简称“5038A”），满足公路承载能力≥30吨的需求。

2 “5038A”的总体方案设计

2.1 “5038A”的主要技术指标及配置

围绕着机动性、大载荷等主要技术指标，在已定型的北奔ND2400G53-4038A（8×8）底盘基础上，主要进行了整体布局设计，对转向驱动桥、车架系统、悬挂系统、制动系统等进行了优化设计。2017年，委托具有资质的第三方试验机构完成了30000km可靠性试验及各项性能试验，各分系统得到了充分验证。平均故障间隔里程为MTBF整车4000km，远高于GJB1777规定的2000km要求;可靠性指标为5000km，高于设计指标要求;基层级平均修复时间MTTR=0.42613567h=26min，满足基层级平均修复时间不大于30min的要求。

“5038A”在以已定型的4038A为原型车，对由于提升承载而可能引发变化的各项参数进行了规定。主要为：

1、行驶速度：最大行驶速度60～80km/h，最低稳定车速≤4km/h;

2、四级以上公路续驶里程：不小于500km;

3、最大爬坡度不小于40%;

4、最大行驶侧坡不小于36%;

5、总质量48800kg，合理分配质量

2.2 “5038A”参数计算

2.2.1 最高车速计算

以高原5500m以及平原地区两种使用工况进行分别计算：通过发动机功率、转速等条件，同时考虑功率平衡，计算得知非高原良好公路时5038A底盘最大行驶速度为：v=74km/h，海拔5500m时v=60km/h，满足空载时最大行驶速度≥60 km/h、≤80km/h的要求。

2.2.2 四级以上公路续驶里程

通过计算燃油箱的有效使用容积，按照限定条件下燃油消耗量（L/l00km）不大于50L/l00km计算，得到5038A底盘四级以上公路续驶里程为720km/h，满足四级以上公路续驶里程不小于500km的要求。

2.2.3 最低稳定车速

根据桥速比、发动机转速、轮胎滚动半径等数据，计算出5038A底盘最低稳定车速为：，符合最低稳定车速不大于4km/h的要求。

2.2.4 越野载质量48800kg最大爬坡度不小于40%

以高原5500m以及平原地区两种使用工况进行分别计算：

1、进行驱动力—附着条件校核：在选取良好干燥路面下的附着力系数、道路阻力系数，计算底盘最大爬坡度大于40%時，满足驱动力—附着条件。

2、动力条件校核

根据空气阻力、整车总重、变速器速比、滚动半径、发动机扭矩等数据计算出动力因数，再根据根据驱动力条件计算最大坡度角，并进一步计算最大爬坡度，可得最大爬坡度74%，动力条件满足爬坡度40%的要求。

2.2.5 最大行驶侧坡不小于36%

结合轮距、中心距地高等数据，最大行驶侧坡的计算按图1计算：计算得到底盘最大行驶侧坡为：=45°，满足最大行驶侧坡不小于36%的要求。

2.2.6 整车质量分配

为满足整车双前桥16800kg、双后桥32000kg的承载（空载时双前桥轴荷7960kg、双后桥轴荷6140kg）需要，匹配悬架、制动系统、转向系统：

1、按装载荷均布的原则，匹配双前桥满载承载16800kg、空载时双前桥空载轴荷7960kg，则单个前桥满载承载8000kg、空载时双前桥空载轴荷3980kg。经计算，悬架系统的承载能力符合该要求。

2、原4038A底盘空载双前/后桥中心处车架上平面离地高度为1210±15、1240±15，已经符合要求;按均匀满载进行计算，可达到≤1220mm。

3、通过对制动力矩理论计算，整车气压在10bar条件下前桥、后桥及整车理论能够提供的制动力矩都大于车辆制动时所需制动力矩，满足车辆使用要求。同时，匹配的制动零部件也可以满足10bar工作气压。

3 “5038A”的分系统方案设计

3.1 车架的设计

使用CAE分析方法对4038A的车架进行加载30吨受力分析，发现在扭转工况及垂直弯曲工况下，纵梁、衬梁最大应力值均超过材料的屈服强度，不满足强度要求，见图2、图3。

根据分析结果找出车架受力时强度薄弱处，最终对大梁外侧进行局部加强。同时，按承载35吨受力进行分析计算，结果表明，加强后的车架能够满足承载受力要求，见图4、图5

开发完成的底盘车架，满足对重型8X8轮式底盘（5038A）车架承载强度和上装装载尺寸的需求。整车进行了30000km可靠性行驶试验，车架强度满足使用要求。

3.2 车桥的设计

为满足总质量48800kg的承载需求，解决整车质量增加导致的驱动桥负载能力不够、驱动桥齿轮强度不足无法满足动力传动要求的问题，需要在现有7吨级第一、二驱动前桥的基础上设计开发10吨级第一、二驱动前桥。

3.2.1 提升向节支撑座性能

由于驱动桥的受力薄弱处集中在桥壳总成两端的转向节支承座上，因此将7吨桥壳的转向节支撑座材料由20Cr改为30Mn2，同时采用调质处理。处理完毕后，硬度提升37%-53%，抗拉强度提升32%-48%，桥壳承载能力将提高，可满足轴荷10吨的承载需求。

3.2.2 提升齿轮承受载荷能力

驱动前桥输入扭矩可达到4500Nm，现有齿轮材料使用20CrMnMo，材料性能强度偏低，齿轮承受载荷能力将不能满足扭矩强度要求。齿轮材料更改为12Cr2Ni4A，齿轮的承载能力满足承载10000kg要求。第一、第二驱动前桥已经完成了台架试验验证。

3.3 悬架系统的设计匹配

为满足第一、第二轴荷分别为8400kg的承载，并满足车架高度的限制，开发新的前悬架。前悬架第一、第二钢板弹簧所用材料为50CrVA，材料屈服点为1128MPa，最大许用应676.8MPa。前悬架第一、第二钢板弹簧刚度520N/mm，满载时前板簧的应力为412MPa，满足板簧最大许用应力676.8MPa的要求。

通过计算校核，悬架系统开发的前悬架，可满足第一、第二轴荷分别为8400kg的承载，并满足满载车架高度不超过1220mm的限制，且中后桥匹配北奔重汽公司现有后悬架，开发要求。

3.4 制动系统的设计

由于需要满足总重48800kg的车辆制动需求、满足48800kg驻坡40%，30000kg下驻坡60%的技术指标，需要重新设计开发底盘制动系统。通过制动性能的计算校核找出制动性能的不足处，进行制动能力的提升：

3.4.1 系统压力提高为10bar，提高车辆行车制动力

使用APU模块将制动系的压缩空气压力由8.5bar提高到10bar（10bar在整车气路的正常工作压力范围内，气管、气阀等均能承受10bar压力），使整车制动力矩、理论制动减速度、制动距离均可满足法规和使用要求。

3.4.2 提升制动力矩

合理选用复合制动气室，加宽第一前桥、第二前桥的蹄片宽度，提升制动器制动力矩提，使车辆能够满足坡道驻坡制动的要求;满载时初速度30km/h的制动距离为9.68m（技术要求11.4m），且满足40%驻坡制动。

经过试验，行车制动性能满足GB12676-2014要求（以30Km/h的初速度行驶，车辆进行一脚制动，制动距离≦11.4m），驻坡性能满足60%的驻坡要求。

3.5 转向系统的设计

转向系的结构和接口与4038A底盘一致，通过计算分析对底盘转向系统进行校核计算，将压力由15MPa提升至使用17MPa。同时，增设后桥稳定杆优化操纵稳定性。经试验验证，操纵稳定性试验总计分87.6（其中，转向轻便性试验综合评定分数100分、转向回正试验综合评定分数79.4分，稳态回转试验综合评定分数83.5分），符合QC/T 480-1999《汽车操纵稳定性指标限制与评价方法》规定的指标要求。

4 试验验证

4.1 可靠性行驶及性能试验

依据GJB 4527-2002《军用越野汽车设计定型试验规程》编制了《定型试验大纲》，大纲中明确了底盘结构参数和技术特性参数的测定，以及动力性、机动性、经济性、平顺性、操纵稳定性、制动性能及30000km可靠性行驶试验等试验项目及试验方法。试验内容有：底盘结构参数和技术特性参数的测定，动力性试验、机动性试验、经济性试验、平順性试验、操纵稳定性试验、制动性能试验及30000km可靠性行驶试验。

4.2 环境试验情况

湿热地区适应性试验：对底盘零部件进行分类，选取各类别中具有代表性的底盘零部件进行了湿热、霉菌、盐雾试验，湿热试验执行GJB150.9A-2009《军用装备实验室环境试验方法第11部分：湿热试验》，霉菌试验执行GJB150.10A-2009《军用装备实验室环境试验方法第10部分：霉菌试验》，盐雾试验执行GJB150.11A-2009《军用装备实验室环境试验方法第11部分：盐雾试验》。试验结果表明重型8X8轮式底盘（5038A）满足技术协议中使用环境對霉菌、盐雾、湿热要求的规定。

4.3 低温起动试验

委托具有资质的第三方检测机构，依据GB/T 12535-2007 《汽车起动性能试验方法》，完成了试验室低温条件下（-30℃、-5℃）的车辆低温起动试验。底盘在-30℃/-5℃一次起动成功，满足低温环境使用要求。

对于-41℃低温起动：由于“5038A”的动力系统、散热系统（发动机、分动箱等）、加热系统与4038A相同，因此采信4038A车在环境温度-41°的试验数据：在采用辅助装置（液体燃油加热器）后，预热15分钟后一次启动成功。

4.4 高原试验

“5038A”采用与北奔4038A底盘相同的动力系统、传动系统、散热系统，根据发动机台架试验报告D000035578《WD615.38柴油机高原性能预测计算报告》中发动机的性能参数，计算出海拔5500m时，底盘最高车速60km/h，满载总质量48800kg时最大爬坡度大于40%。随整车成功完成了高原行驶试验。

4.5 试验结果

“5038A”进行了参数测量、动力性能试验、通过性试验、安全性试验、燃油消耗量试验、平顺性试验、行驶可靠性试验、低温起动试验、操纵稳定性试验、噪声试验，试验结果达到试验大纲要求。

5 结论

1、“5038A”底盘实现了公路工况下35270kg、越野工况下26500kg的高承载能力，填补了国内军用标宽底盘的空白;

2、采用CAE优化设计方法，改进材料及工艺，重点提高了转向节的结构及齿轮强度，设计出10吨级转向驱动桥，满足了车辆高承载时转向桥负载与转向操纵需求;

3、通过多体动力学分析、材料性能提升和冲压回弹工艺控制，提高了车架、悬架的承载能力;

4、通过提高制动系统压力、加宽驱动转向桥制动蹄片、合理选用制动气室等方法，使整车在总重48800kg下满足制动效能法规，满足公路满载48800kg驻40%坡度、越野满载40000kg驻60%坡度用户的特殊要求，实现了车辆的安全性。

5、优化匹配了底盘系统的抗扭特性，增设了后桥稳定杆，保障了车辆在48800kg重载荷下优异的操纵稳定性。

该项目技术复杂，创新性较强，拥有自主知识产权，总体技术达到国内先进水平。

参考文献：

[1]Q/NB.G05030-2016《汽车强制性标准汇编手册》[S].

[2]GB/T 12534-1990 《汽车道路试验方法通则》[S].