对车桥概念重定义的探讨

2022-08-27冯绍勇

景德镇学院学报 2022年3期

冯绍勇

(景德镇学院机械电子工程学院，江西景德镇 333400)

0 现有定义及存在的问题

现今对车桥概念具有代表性的定义见吉林大学陈家瑞主编的汽车构造，其表述如下：车桥(也称车轴)通过悬架和车架(或承载式车身)相连，它的两端安装车轮，其功用是传递车架(或承载式车身)与车轮之间各方向的作用力及其力矩。车桥分为整体式和断开式两种。当采用非独立悬架时，车桥中部是刚性的实心或空心梁，这种车桥即为整体式车桥；断开式车桥为活动关节式结构，与独立悬架配用[1]。

这个定义存在下述两个问题：

0.1 对断开式车桥(车轴)的内涵没有表述清楚

这个车桥定义包含了两个子概念，即整体式车桥和断开式车桥。其中：整体式车桥为刚性梁，断开式车桥为关节式结构，这里的“关节式结构”没有指出其具体含义，让学习者无从知道断开式车桥是一种什么样的构件，专业人士也不能做到对其认识达到一致。因为车桥与悬架直接相连，所以试着从书中对悬架的定义来间接推断断开式车桥概念的含义，悬架的定义[1]如下：悬架是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间一切传力连接装置的总称[1]。

在这个悬架定义里面，用并列不同概念(括号里面的概念)的方式把定义分成几种情况，其中有一种悬架情况的定义是：悬架是车架(或承载式车身)与车轮之间一切传力装置的总称。在这种情况下，悬架是装在车轮与车架之间的，而不是装在车桥与车架之间的，就是说，这种情况下行驶系统中不存在车桥。这是什么情况呢，书中没有提及。

吉林大学关文达主编的汽车构造教材中给车桥以及悬架所下的定义与前述定义基本一致，但是，在车桥概念后面补充到：大部分现代轿车左右车轮之间实际上没有车桥，而是通过各自的悬架与车架相连接，然而习惯上仍将它们称为断开式车桥[2]。同样观点的教材还有合肥工业大学卢剑伟主编的汽车构造[3]。

清华大学徐石安主编的汽车构造中不主张断开式车桥的提法，书中提道：实际上汽车采用独立悬架的结构形式后，汽车左右轮之间已经不存在车桥，它已和独立悬架的结构融合在一起，教材中叙述的车桥专指整体式车桥，断开式车桥不再专门提及[4]。

可以看出，从悬架的定义中，不存在车桥的情况应该是指车辆采用独立悬架时的情形，认为没有车桥。陈家瑞等主编的教材[1-3]中指出车桥包括断开式车桥，后面在对悬架的定义中又否定断开式车桥的存在，这样就矛盾了。所以，对车桥所下的定义，在断开式车桥的定义上是不明晰的，是矛盾的。

徐石安主编的教材中没有出现这个矛盾，明确指出书中所说的车桥就是指整体式车桥，不提断开式车桥。认为独立悬架结构的车中，车桥功能已经融合到悬架中去了，然而，这本教材在后面的独立悬架知识中并没有提及其包含车桥的结构和功能，这样，在整个知识结构中，找不到关于断开式车桥的含义。

综上所述，在现今的独立悬架构造的行驶系统里面，断开式车桥或车轴是被忽略掉了的。然而，对采用轮系底盘的车辆而言，不论是整体式还是断开式的，车轴都是一个客观存在的、不可缺少的、重要的构件，在知识体系中，是不能漏掉的。

0.2 对车桥的认识容易产生歧义

我们认识事物是通过对其特有属性的把握来实现的，或者通过对某个事物特有属性的把握将它与其他事物区分开来，从而实现对某个事物的认识。特有属性有两种，一种是一般特有属性，另一种是本质属性，他们都能把客观对象与其他对象区别开来，然而本质属性相较一般特有属性更具体更深刻[5]。

对机械中的构件，也是通过把握其特有属性来认识的，机械零件中，机械构件的特有属性一般包括构件的形状结构特点、构件与其他构件的连接关系、构件的功能和受力情况等，也就是说要认识某种构件，必须知道这个构件的形状结构特点如何，其在机械装置中与哪些构件相连接，以及如何连接，其在机器中起什么作用，受力情况如何。那么在对某构件的定义中就必须对这些特有属性加以反映，才算是对某构件做了比较准确的定义。只有这样，对这个构件才能有正确的认识，专业人士才能对这个构件的认识达到一致。

在上述车桥的定义中，指出了它与悬架相连接，与车轮相连接，明确了其传递车轮与车架之间作用力的功能，但是没有指出车桥的结构形状特点，而且在表述其与车轮的连接关系时，只是说“它的两端安装车轮”，车轮跟车桥是如何相结合的没有述及。定义中这样的表述不够明晰，容易带来歧义，歧义具体表现在对整体式驱动桥的认识上。

整体式驱动桥有全浮式和半浮式半轴支撑结构，如图1所示，全浮式支撑结构，车轮轮毂是通过轴承装在桥壳(半轴套管)上的，这跟定义相符，也就是定义中所指出的“车桥两端安装车轮”。但是，半浮式支撑结构，如图2所示，车轮不是直接装在桥壳上的，而是跟半轴刚性连接，然后半轴通过轴承跟桥壳的内圆柱面连在一起的，车架上的力也是通过桥壳传到半轴，然后由半轴传到车轮上的。如此说来，半轴似乎也符合车桥定义中的特有属性，即端头安装车轮，传递车架与车轮之间各方向的作用力及其力矩。那么这种情况下，车桥指的是哪个呢？我们都知道，半轴不属于行驶系统，而是传动系统中的构件，它不是车桥，桥壳(半轴套管)才是车桥。这个定义比较难把车桥和半轴区分开来，很容易让人以为半轴就是车桥(车轴)。

根据定义中表述的特有属性来分辨事物，其结果应该是唯一的，如果会产生歧义，说明定义中阐述的属性不是构件所特有的，或者说特有属性没有阐述清楚。

图1 全浮式半轴支承结构

图2 半浮式半轴支承结构

1 车轴的特有属性

1.1 轮和轴的发明

车轮和轮轴的发明，是人类继火的使用后又一重大发明[6]，人类的很多发明都源自自然的启示，风滚草之类的圆盘状自然物在地面上可以滚很远的距离，人类为何没有更早地受到这些启示发明车轮，而是在公元前3500年左右美索不达米亚地区的人们才发明车辆[7]？这应该与人类的加工技术水平有关，车轮和轮轴的发明至少应该在圆柱面加工技术诞生之后才有可能出现。

轮子要载物前行，负重的最佳作用位置应该在轮心处，如图3所示，因为这个位置是最容易做到被载物不随轮子一起回转的地方。早期的做法是在轮心处加工一个具有圆柱面的孔，与轮相连接的构件加工出一个外圆柱面，这个构件称之为车轴，如图4所示，这样，车轴与车轮以转动副相接，负载部分搁在车轴上，就可以只随车轮做平动而不随车轮做回转运动，车轴负担重物，然后把承载物的重力作用在车轮上，轮就可以载着重物前进。对于轮系底盘的车辆而言，轮和轴是最重要的两个构件，缺一不可。所以，车辆的发明必须在圆柱面的加工技术出现之后，否则轮和轴上的圆柱面结构就不能形成，也就没有构件之间的这种转动副连接，车轮就不可能负重前行。

图3 车轮中心负重

后面又出现如图5所示的转动副连接，即在车轮中间做一个凸出的圆柱体，而把车轴做成一个具有内圆柱面结构的环状构件，这样的车轮和车轴构成一个转动副连接。重物作用在这种环状车轴上，通过转动副把重力作用在车轮上，这样的结构让车轮负重前行。

图4 外圆柱面车轴

图5 内圆柱面车轴

1.2 车轴的特有属性

车轴结构的关键是跟车轮在中心区域构成转动副连接，所以必须具有圆柱面结构，这种圆柱面构件可以是图4中的外圆柱面结构，也可以是图5中的内圆柱面结构。

“车轴”应该是车辆工程中的一个专业术语，这个术语与机械零件中的术语“轴”是不同的，机械零件中轴的结构具有轴向尺寸远大于径向尺寸的特点，而且一般是一个柱体结构。而车轴是具有外圆柱面的柱体构件，也可以是具有内圆柱面的构件，它的轴向尺寸可以很短而无须远大于径向尺寸。

要理解车轴的概念，应该废除对其必须是细长结构的固有认识，把其与通常的轴区分开来。车轴只要有圆柱面，与单个车轮形成转动副这种可动连接，就是车轴，当然，两端都有车轮绕其旋转的细长构件也是车轴。

这样，从车轴和车轮工作的原理出发总结车轴的特有属性应该是：⑴具有与车轮组成转动副的圆柱面结构；⑵处于车轮和悬架之间，通过悬架与车架(或承载式车身)连接；⑶功用是传递车架(或承载式车身)与车轮之间各方向的作用力及其力矩。

这里总结的特有属性，相比传统对车桥定义中的特有属性增加对车桥结构形状的描述，即具有圆柱面结构(包括内、外圆柱面)，同时增加对车轴与车轮之间这种转动副连接关系的表述；去掉“两端安装车轮”这一表述，原因如前所述。

2 车轴定义

把反映车轴概念本质属性的定义概括如下：车轴是行驶系统中的一个构件，具有与车轮组成转动副连接关系的圆柱面结构，它处于车轮和悬架之间，通过悬架与车架(或承载式车身)连接，其功用是传递车架(或承载式车身)与车轮之间各方向的作用力及其力矩。当与两侧车轮相连接的车轴连成一根整体结构时，称为车桥，或整体式车桥，当两侧车轴不相连时，也称为断开式车桥。

这样定义车桥(车轴)，使前面提出的两个问题不复存在。

2.1 对半浮式车桥的歧义问题的解决

图6 全浮式结构

图7 半浮式结构

在车轴概念的新定义中，把车轴概念的结构特点反映出来了，也就是其具有圆柱面结构；车轴与周围构件的连接关系也更明确，就是其与车轮用转动副相连接。这样一来，整体式车桥的概念就很明确了，在全浮式驱动桥中，如图6所示，桥壳以外圆柱面跟车轮的内圆柱面形成转动副；在半浮式驱动车桥中，如图7所示，半轴跟车轮轮毂是刚性连接的，实际上半轴与车轮成了同一个构件，半轴的外圆柱面相当于车轮中心处的外圆柱面，此时相当于图5的连接方式，半轴的外圆柱面与桥壳的内圆柱面形成转动副。这样，对半浮式车桥的理解就不会有歧义，即全浮式车桥以桥壳的外圆柱面跟车轮中心处的内圆柱面(轮毂中心孔)形成转动副，而半浮式车桥是以桥壳的内圆柱面与车轮中心处的外圆柱面(即半轴的外圆柱面)形成转动副的。根据这个新的定义，无论是全浮式车桥还是半浮式车桥，很容易判断桥壳就是车轴，而不容易把半轴误认为是车轴。

2.2 明确了断开式车桥的概念

从给出的车轴新定义中可见，车轴的本质属性应该是具有圆柱面结构，与车轮形成转动副连接。当两侧的车轴连成一根梁时，就称其为整体式车桥，或者整体式车轴，否则就是车轴，或者称断开式车桥。

图8 外圆柱面结构的前车轴

图9 内圆柱面结构的前车轴

在采用独立悬架的车辆中，转向节实际上就是车轴，或者叫断开式车桥，如图8所示，车轴上有一段小圆柱体，它的外圆柱面和轮毂的内圆柱面组成转动副，当然，这个转动副为了减少摩擦，之间装有滚动轴承，在机械原理中，轴承是不参与转动副分析的。这种结构相当于图4中的转动副结构；图9所示的是一个与驱动轮形成转动副的车轴，它提供内圆柱面，与轮毂的外圆柱面形成转动副，这种结构相当于图5中的转动副结构，半轴穿入轮毂的中心孔，其外花键和轮毂内孔中的内花键相啮合，从而带动车轮转动。

图10和图11所示的是与后轮相连的车轴结构，分别与图8、图9中的连接结构相似，图10所示的是与非驱动轮相连的车轴结构，图11所示的是与驱动轮相连的车轴结构。

图10 外圆柱面结构的后车轴

图11 内圆柱面结构的后车轴

当前，教科书中未见到对以上这些车轴结构的称呼，相关企业对这些结构也未见把它们叫作车轴的，经对教科书以外的资料查阅，前车轴一般叫转向节，对后车轴的叫法比较混乱，例如利亚纳轿车维修手册上称后车轴为“叉形节”[8]；例如奥迪A4轿车在其维修手册中把后轴称为车轮承载机构[9]；又例如蒙迪欧轿车在其维修手册中，前车轴叫转向节，而且后车轴也叫“转向节”[10]，分明没有转向功能，也称其为转向节，可见对车轴构件的称呼很随意，完全没有理论根据；有些专业车评人把车轴叫“轴承壳”，有些叫“车轮架”。在汽车维修手册中都是把车轴放在悬架中来介绍的，但是没有统一的名称。这些都应该是当前知识界对车桥概念的定义不够明确所导致的。

这些所谓的转向节、叉形节、车轮承载机构、车轮架、轴承壳，其结构特点、与周围构件的连接关系和其功能都跟这里对车轴新定义中的特有属性相符，所以它们都应该是车轴。同时也说明这个新定义反映的车轴本质属性是准确的。

3 关于车桥

车桥应该是车轴的一个通俗叫法，也是国外的一种比喻叫法，在我国古代的车辆中，就叫车轴，没有车桥这一说法。我们国家的汽车工程先驱何乃民先生编著了中国最早的一批汽车工程书籍，在1937年编写的《英法中文汽车名词》[11]中，英文的Rear axle与法文的Essieu arrière，或者与法文的pont arrière相对应，法文里面Essieu 是轴的意思，arrière是后面的意思，pont是法文“桥”的意思，说明在法文里面，后桥(pont arrière)是后轴(Essieu arrière)的比喻通俗叫法。

何乃民在1936年编著的《高等汽车学》[12]中写道：后桥(Rear bridge)之名词，除指言自主动锥齿轮至驱动轮间诸传动机件，及安置诸机件之箱管外，兼含担任重量之意义。

把车轴比喻成桥，这应该是一个不甚贴切的比喻，因为它只强调了其承载功能，其具有的圆柱面结构和与车轮构成转动副这一可动连接特性是没有被表达出来的，而且对于两侧车轴不连成一个整体的情况，称“车桥”就更不合适了。我国知识界比较流行使用“车桥”这一名称，在英语世界里是不用这一比喻称呼的，称车轴为“axle”。车轴概念自远古第一辆车的出现就有了，而且其具有的主要特有属性至今都没有什么变化，所以为了知识的传承，继续采用“车轴”这一叫法是合理且有历史意义的，而且应该作为主要的名称来使用，只有当两侧车轴连接成一个整体的时候，可以称其为“车桥”，建议废除“断开式车桥”这一叫法。