某军用越野车辆备胎架设计与优化

李军

（430000 湖北省 武汉市 东风越野车有限公司）

0 引言

运输性是产品的基本属性，任何产品只要流通就需要运输。但运输受到一定条件的制约，如载运工具、交通基础设施及运输环境等。要提高产品的运输效率并降低运输费用，就应在产品研制阶段认真考虑其与运输条件的适应性问题。尤其是在军事领域，若装备与运输条件不相适应，就不能快速机动和迅速形成战斗力，制约装备效能的发挥。所以，不论是民品或是军事装备都应满足运输性要求。整车结构附件备胎架布置形式很多，备胎机构有质量大、占用体积大等特点，同时要求拆装方便等，整车在布置时需从运输性及结构可靠性等方面着重考虑布置位置及布置形式。

1 备胎架布置形式

备胎架形式根据布置位置不同有多种形式。侧卸式油缸机构备胎架适于大型汽车使用，整个备胎机构安装在车架外侧，通过液压油缸将备胎旋转运动到地面，此套备胎机构适用安装侧面没有布置其他系统，预留有备胎机构运动空间；顶置式吊机架构备胎结构需要在车顶安装可倒伏的举升绞盘机构，将备胎从侧面吊起到车架高度，通过吊机的旋转及吊运位置的收缩将备胎从车架外侧运输到车架上，车顶安装吊机及倒伏机构有高度限制，整体高度不能满足高度限制。同时，吊杆吊运状态比较长，需要的强度比较高，同时吊运过程需要收缩吊杆的长度，综合分析整个结构不合适布置此类机构的机构；中置绞盘备胎架通过对侧布置绞盘拉动备胎绕轴旋转，实现备胎的升降功能。此结构实用备胎的重心不能超过旋转点，对备胎旋转后高度有限制；后置式备胎架适用于大型车辆将备胎机构布置在车架后悬处，通过棘轮等机构实现备胎的升降，但此结构会影响整车离去角；背门式备胎架适用于箱式车辆，将备胎布置在后背门实现与门联动开启，通过顶置绞盘等机构实现备胎的升降，适用于箱式车辆。中置四连杆备胎架，采用液压油缸驱动四连杆机构[1]，通过油缸带动连杆机构的大角度旋转，实现备胎的升降。

2 某军用越野车备胎架布置分析

2.1 备胎架布置位置分析

一款物资运载军用车辆，车身后配备货箱，用于物资运输，整车装备带备胎。根据某飞机对运输车辆的要求，整车高度不超过2 250 mm，这就对整车所带的备胎布置形成一定限制，且存在一定布置难度。

一般整车车厢后部用于取放物资，不易采用备胎架后置侧翻结构。越野型汽车离去角要求尽量大，备胎不能布置在后悬位置。整车高度又要满足高度限制，如采用顶置吊机，整车高度通过性不能满足。整车车身后尾车架两侧有中桥及轮胎，不能采用单油缸结构中置侧卸式备胎架。备胎架只能中置布置，布置在车身后围与大箱之间。如采用中置绞盘备胎架，备胎转动中心布置在轮胎边缘上侧，由于绞盘只能提供单方向的拉力，备胎转动到支点上方附近为运动界限，不能实现整车高度要求。通过分析，要很好地实现备胎取放且不影响物资拿取的备胎结构，可采用四连杆驱动的中置侧卸备胎结构。

2.2 环境分析

备胎参数是进行备胎布置首先要获得的数据，备胎大小决定其所占空间，在确认备胎各项参数后开始对备胎位置进行布置。

中置备胎架的安装环境如图1，布置在车身后围与大箱之间的车架上方。备胎及固定机构的安装空间需对车身与大箱之间的安装宽度、整车高度、车架高度、车辆轮胎动态跳动量等参数校核，保证备胎不与底盘运动件干涉，同时满足整车在飞机上的通过性。

图1 备胎安装位置Fig.1 Spare tire installation location

3 中置四连杆备胎架设计

3.1 中置四连杆备胎架组成

中置四连杆备胎架采用液压油缸作为动力，四连杆机构驱动备胎系统运动，备胎机构液压系统由手动液压泵、液压油管、油缸3 部分组成。

3.2 转动中心位置分析

备胎结构横向布置在车身后围，旋转后从车辆右边卸下。四连杆备胎机构的转轴中心前后位置（汽车纵向）有车身及车厢位置限制，按空间考虑即可。转动中心左右位置（汽车横向）在车体边缘，不超出汽车车轮宽度，需满足整车宽度要求。转动中心高度位置（汽车高度）高于车辆轮胎跳动界限，确定出转轴中心最低离地高度。

3.3 备胎架运动机构分析

备胎机构转动到备胎接触地面，备胎与轮胎的距离保持50 mm 间距（方便拆卸备胎），确定备胎固定中心到转轴中心的距离，即转轴长度，如图2 所示。

图2 备胎旋转长半径Fig.2 Spare tire rotation radius

3.3.1 四连杆机构设计

建立备胎机构模型如图3，A点为油缸支点，B点为摇臂转动中心，C点为备胎机构转动中心，D点为随动摇臂转动点，F点为摇臂与油缸的连接点。四连杆驱动机构里的连杆BC、CD、DF、BF长度由大量的基础理论试验数据筛选获得，保证备胎从车上旋转到地面时，四连杆机构不存在卡滞状态，且能满足备胎在车上状态处于车架最低位（备胎位置尽量低），备胎在地面上离车辆的轮胎侧面间隙保持50 mm（方便拆卸备胎）。

图3 建立备胎机构模型Fig.3 Establish a model of spare tire mechanism

备胎处于备胎机构平台最低位时，油缸AF处于原长形态，BF连杆与水平线夹角为32°，状态如图4 所示。

图4 备胎初状态-转轴BF 与水平夹角32°Fig.4 Initial state of spare tire-angle between shaft BF and horizontal as 32°

备胎处于中间举起时，油缸AF处于伸长形态，BF连杆与水平线夹角为69°（中间状态）状态如图5 所示。

图5 备胎中间状态-转轴BF 与水平夹角69°Fig.5 Intermediate state of spare tire-angle between shaft BF and horizontal as 69°

备胎处于从最高点落下时，油缸AF处于伸长形态，BF连杆与水平线夹角为105°（中间状态）状态如图6 所示。

图6 备胎中间状态-转轴BF 与水平夹角105°Fig.6 Intermediate state of spare tire-angle between shaft BF and horizontal as 105°

备胎转动接触到地面时，油缸AF处于缩短形态，BF转轴与水平线夹角133°，状态如图7 所示。

图7 备胎落地状态-转轴BF 与水平夹角133°Fig.7 Spare tire landing state-angle between shaft BF and horizontal as 133°

备胎的整个运动过程通过油缸AF长度变化，带动备胎连杆BF从与水平线夹角32°转动到133°，备胎从安装位置旋转到地面。接下来通过对各连杆长度的优化[2]，使油缸受力最小。

3.3.2 杆系优化

（1）ADAMS/View 及Isight 软件联合优化

通 过Isight 软 件[3]，运 用ADAMS/View[4-5]和Isight 联合优化的方法，对四连杆机构及油缸支点位置优化设计，使得F点综合受力最小；同时，考虑油缸伸长量不大于80%（油缸的设计要求），变形量比初状态长度短200 mm 以上（油缸的设计要求）。

设计目标如下：①油缸力最小，权重系数为1；②油缸伸长量不大于80%，权重系数为0.1；3）机构中的各连杆力最小，权重系数为0.5。

设计变量如下：①B点水平移动±100 mm；②D点沿连杆上移动，±100 mm；③F点Y、Z向±100 mm；

设计约束如下：

①机构运动不干涉，终点位置干涉参考角∠CDF的值大于0°，权重系数为0.3；②备胎运动状态，θ角即∠BCD初始位置值为30°，终点位置值为230°，权重系数为1。

通过上述试验数据建立模型如图8 所示。

图8 备胎机构建模Fig.8 Spare tire mechanism modeling

根据备胎机构所在整车的坐标，提取相关变量的三维坐标及角度、重量参数作为基准数据，并根据以上变量规则进行优化，各变量点坐标及尺寸如表1。

表1 变量整车坐标及参数Tab.1 Variable vehicle coordinates and parameters

（续表）

通过ADAMS 软件进行参数化建模，使用Isight 优化模型见图9。

图9 优化仿真分析模型Fig.9 Optimized simulation analysis model

3.3.3 优化结果

通过软件进行分析，将得到的结果重复进行二次优化，扩大变量变动的范围，得到的最新结果见表2。

表2 四连杆建模参数优化结果Tab.2 Optimization results of four-bar linkage modeling parameters

根据优化分析结果可知，连杆受力、支撑杆、油缸受力均有不同程度的减小。B、D、F三个点的坐标发生变化，优化后对A点坐标再优化，根据相应坐标得出杆系长度见表3。

表3 四连杆长度优化对比分析Tab.3 Comparison and analysis of optimum length of four-bar linkage

连杆机构长度确定。以现有的A点为变量中心，AF与AF1 差值为200 mm 为约束，通过软件优化A点位置，使运动过程中AF受力最小。

备胎系统液压泵布置在车架右侧（翻转方向同侧），采用差动式液压泵，油缸两安装距长度840 mm；末状态与水平线夹角230°，油缸两安装距长度1 480 mm，油缸伸长640 mm。优化尺寸如表4。

表4 油缸长度二次优化Tab.4 Secondary optimization of cylinder length

3.4 液压系统安全系设计

液压升降系统安全性是指液压系统意外或故障，导致备胎动作异常，从而引发人身伤害。针对安全性的分析内容如下：（1）备胎在备胎架内侧时，如油管总成1 破损，在油缸总成节流作用下，备胎将以正常速度自动回落到车架上；油管总成2 破损，将不会有安全隐患。（2）备胎在备胎架外侧时，如油管总成1 破损，将不会有安全隐患；油管2 破损时，油缸总成内的液压锁会将压力保留在油缸有杆腔，此时活塞杆不能伸出，备胎会停滞在半空。活塞杆只能在外力下回缩。备胎机构液压系统原理如图10 所示。

图10 备胎机构液压系统原理图Fig.10 Schematic diagram of hydraulic system of spare tire mechanism

3.5 备胎机构CAE 工况分析

根据结构零部件静态强度计算工况，对备胎架做6 个工况（静止稳定工况、垂直跳动工况、驱动和垂直跳动工况、制动工况、驱动和转向工况、转向工况）进行分析。

备胎架的转轴及油缸的材料为45 号钢，屈服极限300 MPa。四连杆机构的连杆采用材料DL590，屈服极限530 MPa。其他部件材料为Q345，屈服极限为345 MPa。将备胎架模型安装到整车里，根据基本工况的受力输入，转化到备胎结构进行应力分析。

在整车6 工况下进行CAE 强度分析，如图11—图16 所示。

图11 静态稳定工况下的应力云图，最大应力为55 MPaFig.11 Stress cloud diagram under static and stable conditions,with maximum stress of 55 MPa

图12 垂直跳动工况下的应力云图，最大应力为218 MPaFig.12 Stress cloud diagram under vertical beating conditions,with maximum stress of 218 MPa

图13 驱动和垂直跳动工况下的应力云图，最大应力为335 MPaFig.13 Stress cloud diagram under driving and vertical beating conditions,with maximum stress of 335 MPa

图14 制动工况下的应力云图，最大应力为195 MPaFig.14 Stress cloud diagram under braking conditions,with maximum stress of 195 MPa

图15 驱动转向工况下的应力云图，最大应力为198 MPaFig.15 Stress cloud diagram under driving and steering conditions,with maximum stress of 198 MPa

图16 转向工况下的应力云图，最大应力为103 MPaFig.16 Stress cloud diagram under turning conditions,with maximum stress of 103 MPa

各工况最大应力位置为备胎挂臂连接处，材料为Q345，备胎架在驱动垂直跳动工况下的最大应力335 MPa，小于材料的屈服极限。各工况应力分析结果见表5。

表5 应力分析结果Tab.5 Stress analysis results

4 结语

随着军用装备及运输载体的变化，整车在布置备胎等机构时要充分考虑整车高度、宽度、长度以及整车接近角、离去角等因素，实现装备快速机动和迅速形成战斗力，充分发挥装备的效能。此次备胎架的设计通过分析各种备胎架结构形式及特点，选取了中置结构的四连杆结构备胎架。备胎架设计时，通过大量的理论数据及多次的运动学优化，CAE 强度分析，使得整个备胎机构转动流畅、受力小、结构稳定，满足飞机运输性要求[6]。