基于牧马人DANA44门式车桥的设计与研究

刘昕 王丽妲 王占魁

摘要：越野车是一种为越野而特别设计的汽车，主要是指可在崎岖地面使用的越野车辆。主要特点是非承载式车身、四轮驱动、较高的底盘、较好抓地性的轮胎、较大的纵向通过角、较大的马力，部分车辆配备中央轮胎气压调节装置。越野车具有优越的通过性，可以在野外适应各种路面状况。本课题主要目标是解决在日常使用或是越野赛事活动中牧马人Rubicon因最小离地间隙不足导致车辆通过性不理想的问题。

Abstract： Off-road vehicle is a vehicle specially designed for off-road， mainly refers to off-road vehicles that can be used on rough ground. The main features are non-load-bearing body， four-wheel drive， higher chassis， tires with better grip， larger longitudinal passing angle， larger horsepower， and some vehicles are equipped with a central tire pressure adjustment device. The off-road vehicle has superior passability and can adapt to various road conditions in the wild. The main goal of this topic is to solve the problem of unsatisfactory vehicle passability caused by insufficient minimum ground clearance of Wrangler Rubicon in daily use or off-road events.

关键词：越野车;门式车桥;通过性

Key words： off-road vehicle;portal axle;passability

中图分类号：U46                                          文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0036-03

0  引言

Trail Rated，即越野道路评级。一款越野车必须通过野外和人工环境的现场测试及电脑模拟环境的测试，并借助牵引力、通过性、机动性、循迹性和涉水能力这五项关键指标来评定车辆的越野能力，只有通过这些测试，才能获得越野道路评级认证。

Trail Rated越野评价体系，Jeep将越野车分为10个等级，从5个维度进行评价，分别是牵引力（Traction）、涉水能力（Water Fording）、通过性（Ground Clearance）、机动性（Maneuverability）、循迹性（Articulation）。

提高越野车的通过性，是促进越野文化发展和越野车技术进步的必要手段。

1  国内外研究开发现状和发展趋势

1.1 国外研究开发现状

门式桥较广泛地用于对离地间隙要求更高的车辆上，如越野车、低地板客车、无轨电车等。随着越野车市场的不断扩大，为追求更佳的通过性、舒适性，独立悬架、门式驱动桥越来越受到石油、勘探行业及越野爱好者的关注。

如图1所示，一般卡车的车桥车轮中心线在一条水平线上，但奔驰公司乌尼莫克采用的门式车桥设计，使得车桥中心线高于车轮中心线（如图2所示），轮边用减速齿轮连接，该门式车桥设计提高了车辆的最小离地间隙，使得该车具备非常好的越障能力。

断开式门式驱动桥由一对外啮合圆柱齿轮布置在驱动桥轮边一侧，转向节即为轮边齿轮壳端盖，主、从动圆柱齿轮通过两对轴承支承在圆柱齿轮壳内，主动轮通过锁紧螺母实现轴向锁紧，并固定在轮边输入轴上;圆柱齿轮壳与半轴套管、转向节用螺钉连接;轮毂依靠轮毂轴承安装在半轴套管上，通过锁紧螺母轴向锁紧、定位;全浮式外半轴通過花键与从动圆柱齿轮连接，并用螺栓固定在轮毂上。轮边减速器为单对外啮合圆柱齿轮。

门式车桥通过传动轴套管与变速箱连接。由于采用了传动轴套管技术，故取消纵向控制臂。车桥悬挂通过特殊设计的螺旋弹簧、套筒减震、前后桥稳定杆，不仅在崎岖地形中使所有四个车轮都能够接触到地面，而且在公路上行驶时也能够提供很好的乘坐舒适性。

1.2 国内研究现状

武汉枭龙汽车技术有限公司自主研发的枭龙越野车，是拥有完全的知识产权的中国产第三代高机动越野车。枭龙越野车采用非独立悬架“门式车桥”，保证了车辆恒定的440mm离地间隙，具有很强的越野性能。此外，枭龙的中央自动充放气系统可实时监控各个轮胎气压，根据不同路面承压能力，调节适合的轮胎气压，有效地提高在湿滑、松软特别是沙漠中的通过能力。

东风铁甲越野车是东风汽车公司研制的1.5吨级东风越野车，采用前后双横臂独立悬架加之轮边减速器设计形成“门式车桥”结构，最小离地间隙达到了406mm，具有极好的通过性。

部分国外门式桥制造厂家及使用特点汇总见表1。

1.3 研究意义

汽车的通过性指在一定车载质量下，汽车能以足够高的平均车速通过各种坏路及无路地带和克服各种障碍的能力。这也是一辆越野车必须要具备的能力。通过性最能体现越野车的越野能力。车辆通过性主要取决于地面的物理性质及汽车的结构参数和几何参数。同时它还与汽车的其他性能，如动力性、平顺性、机动性、稳定性、视野性等密切相关。

由于汽车与地面的间隙不足而被地面托住，无法通过的情况，称为间隙失效。当车辆中间底部的零件碰到地面而被顶住时，称为“顶起失效”;当车辆前端触及地面而不能通过时，称为“触头失效”;当车辆尾部触及地面而不能通过时，称为“托尾失效”。与间隙失效有关的汽车整车几何尺寸，称为汽车通过性的几何参数。这些参数包括最小离地间隙、接近角、离去角、纵向通过角等。

最小离地间隙不足导致车辆通过性不理想。最小离地间隙是指汽车在满载（允许最大荷载质量）的情况下，其底盘最突出部位与水平地面的距离。它表征汽车无碰撞通过有障碍物或凹凸不平的地面的能力。当车辆轴距一定时，最小离地间隙对车辆的通过性能影响非常重要。最小离地间隙越大，车辆通过能力就越强，但重心偏高，降低了行驶稳定性;最小离地间隙越小，车辆通过有障碍物或凹凸不平的地面的能力就越弱，但重心低，可增加行驶稳定性。

通常越野车的前后桥、飞轮壳、变速器壳和消声器等部件有较小的离地间隙。四轮驱动的越野车在前后橋内装有直径较大的主减速器齿轮，一般离地间隙最小。在设计越野汽车底盘部分时，应保证其具有合理的最小离地间隙，能保证车辆通过性，且使车辆重心稳定。

牧马人Rubicon除车轮之外，驱动桥最低点与地面之间的距离为230mm。在原驱动桥的结构与尺寸的基础上，本项目旨在设计出一种“门式车桥”，可以大幅度的提高该越野车的通过性。通过改变局部车桥结构的方式实现优化设计，优化结果对车辆的通过性的提高具有较大的指导意义。

2  研究内容、关键技术和研发目标

2.1 研究内容

本项目将以牧马人Rubicon越野车的车桥DANA44作为研究对象，拟将原车桥改为配备有中央自动充放气系统的门式车桥，采用理论仿真分析和实验验证相结合的方式进行研究，研究的主要内容如下所述：

2.1.1 门式车桥对越野车通过性的影响

进口Jeep牧马人Rubicon配备按键锁止差速器的DANA44车桥，车桥和车轮中心线在一条水平线上，最小离地间隙220mm。通过改装设计使用门式车桥，车桥中心线高于轮毂中心线，轮边用减速齿轮连接，这个设计提高了车身的最小离地间隙，使得该车具备非常好的越障能力。

2.1.2 轮边减速机构设计

牧马人Rubicon使用Pentastar3.6L V6 VVT发动机，发动机最大排量2.985L，最大功率209kW/6350rpm，最大扭矩347N·m/4300rpm，最高车速180km/h，采用门式车桥后，车身升高，重心位置升高，车轮尺寸变大，导致最高车速降低，为了提高通过性，车轮输出最大转矩升高。

①轮边减速机构设计;

②中央充放气装置设计与研究;

③壳体结构设计。

2.1.3 轮边减速机构仿真分析

①轮边减速机构齿轮受力分析;

②轮边减速机构壳体受力分析;

③负值轮毂对转向系统的影响分析。

2.2 关键技术

本项目拟解决的关键问题有：

①轮边减速机构的传动比;

②轮边减速机构齿轮结构;

③轮边减速机构壳体结构与强度;

④中央充放气旋转密封气室结构与强度。

2.3 研发目标

本项目的研究目标是设计一种适用于牧马人DANA44的门式车桥，用以提高该车辆的通过性和动力性，且不降低行驶与转向稳定性，从而保证Rubicon能在重度越野中表现出众。

3  技术方案及创新点

3.1 技术方案

本课题在研究过程中，首先以该越野车的需求为目标，设计出满足该需求的门式车桥，接着以汽车理论和汽车设计为理论依据，设计计算出该门式车桥的结构尺寸;继而用Solid Works三维机械设计软件进行建模，用ANSYS软件仿真分析;然后通过3D打印技术，制出实物，进行试验验证;最后，经过反复修改验证，对本项目进行优化改进，从而形成研究成果。

3.2 创新点

目前，国外对门式车桥的研究已经比较成熟，但出于对自身技术资料和潜在市场的保护，国外很少公开门式车桥的先进技术资料，而国内对门式车桥的研究、生产和应用还处于起步阶段。

乌尼莫克U 300/ U 400/ U 500车型系列属于小型专业越野设备车，是为任何多用途需求而量身定制的专用车型，使用门式车桥，通过性性能优异，但价钱昂贵;国产东风猛士车采用门式车桥，离地间隙410mm，但猛士为军用车。据调查显示，美国人民心中最受欢迎的硬派越野车排行榜中，牧马人Rubicon位居榜首，但Rubicon采用的是普通车桥，通过性相较于乌尼莫克和猛士而言，相对较差。在民用市场中，没有通过性特别杰出的硬派越野车。

在国内外门式车桥技术研究的基础上，本项目对门式车桥与车辆通过性，行驶和转向稳定性的影响关系进行了深入的分析和研究。通过理论计算，虚拟仿真与实验验证相结合的方法对以上门式车桥进行了研究，从而设计出适合于牧马人Rubicon的最优门式车桥。

如图3所示，区别于以往的设计将轮边减速机构总成用螺栓固定于桥壳与车轮之间，本项目将轮边减速机构壳体与驱动桥壳铸造为整体，用以提高二者连接处的强度;区别于以往的设计中轮边减速机构的齿轮厚重，本文设计出满足使用性能要求的齿轮，用以减小轮间距离，增强越野车行驶过程中对驱动桥的重压形变;区别于以往的设计中轮边减速机构无轮胎自动充放气功能，本文设计出中央自动充放气装置，用以提高越野车的通过性。

4  推广应用前景分析

门式车桥是一种提高车辆通过性的有效措施。相比较于传统的升高改装方案，门式车桥的半轴位于轮毂的中心之上，可以使车体离地间隙大大增加，从而提高车辆的通过性能;在轮毂中有减速齿轮箱，从而提高车辆的动力性能;门式车桥零件数量少，在较短的时间内即可完成原位换装，无需切割与焊接;不改变原车悬架与制动系统，工作量小。

在前期进行了充分的调研工作，了解牧马人Rubicon的越野需求;在设计过程中，以理论计算设计——建模——虚拟仿真分析——3D打印，实物验证——优化改进的技术路线，对该门式车桥反复修改验证，以期能获得既不降低车辆行驶与转弯稳定性，又能大幅提高车辆通过性与动力性的最优门式车桥。

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