一種微型車用半軸全浮支承式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋

吳先友，劉 仁

(1.重慶先友科技開發(fā)有限公司，重慶400051;2.重慶交通大學(xué)，重慶400074)

截至2015年，我國(guó)農(nóng)村公路總里程將達(dá)到390萬(wàn)km，可以實(shí)現(xiàn)所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)和90%的村通行車輛，支持發(fā)展農(nóng)村配送物資［1］，這充分顯示了國(guó)家對(duì)農(nóng)村公路運(yùn)輸事業(yè)的高度重視，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必須以交通為先行。在“十二五”期間，隨著我國(guó)農(nóng)村公路通車?yán)锍痰脑鲩L(zhǎng)，一種為農(nóng)業(yè)服務(wù)的、價(jià)廉物美、節(jié)能(減排)、機(jī)動(dòng)性良好、運(yùn)輸成本低的微型車輛制造工業(yè)將有巨大的發(fā)展空間。

目前我國(guó)的五大汽車制造集團(tuán)和全國(guó)大部分汽車制造商都在生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.0～1.3 L的微車。本文的核心技術(shù)，就是在微型汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)中裝置一個(gè)動(dòng)力儲(chǔ)備變速箱，以提高整車的技術(shù)性能，這對(duì)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)村與城鎮(zhèn)之間的物流事業(yè)和降低運(yùn)輸成本，將起到關(guān)鍵的作用。

微車用全浮式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋，能使國(guó)產(chǎn)微型汽車的動(dòng)力性、加速性和燃料經(jīng)濟(jì)性等3項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)獲得較好的提升，并滿足我國(guó)農(nóng)村與城鎮(zhèn)間“物流”事業(yè)的需求。動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)車轎采用了“整體全浮式結(jié)構(gòu)轎殼，半軸為全浮支承式”，這種結(jié)構(gòu)型式車橋具有較大的物資裝載質(zhì)量，使微車的噸·百公里油耗明顯下降，實(shí)現(xiàn)了公路運(yùn)輸?shù)牡吞夹?yīng)。

1 理論依據(jù)

半軸全浮支承式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋應(yīng)用于微型車上，是綜合“重型汽車”中“加力副變速箱”的應(yīng)用理論，并轉(zhuǎn)化到微型汽車的驅(qū)動(dòng)橋上的。這種整體式結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)橋改變了目前我國(guó)國(guó)產(chǎn)微型汽車所通用的半軸半浮支承結(jié)構(gòu)式驅(qū)動(dòng)橋。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有足夠的剛度、強(qiáng)度，從而提高了整車的安全性、可靠性和驅(qū)動(dòng)橋的使用壽命。

機(jī)動(dòng)車的后橋驅(qū)動(dòng)力Pk為［2］:

式中:Pk為機(jī)動(dòng)車驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)力，kN;Me為機(jī)動(dòng)車驅(qū)動(dòng)橋輸出扭矩，kN·m;ik為機(jī)動(dòng)車主降速比;i0為發(fā)動(dòng)機(jī)攜帶變速箱的傳動(dòng)比;i1為動(dòng)力儲(chǔ)備后橋齒輪箱傳動(dòng)比;ηm為機(jī)械效率;rk為輪胎半徑，mm。

由式(1)可看出，決定微型車的驅(qū)動(dòng)后橋驅(qū)動(dòng)力Pk與發(fā)動(dòng)機(jī)的額定輸出扭矩Me、驅(qū)動(dòng)后橋的主降速比ik、發(fā)動(dòng)機(jī)攜帶變速箱的傳動(dòng)比i0、動(dòng)力儲(chǔ)備變速箱的傳動(dòng)比i1和機(jī)械效率ηm成正比，與輪胎滾動(dòng)半徑rk成反比。假設(shè)式(1)中的Me、ηm和rk為一個(gè)常數(shù)，余下的主降速比ik、傳動(dòng)比i0和i1這3個(gè)技術(shù)參數(shù)即為筆者討論的技術(shù)核心要素。

由《汽車?yán)碚摗罚?］和《汽車構(gòu)造》［3］可知:汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的首要任務(wù)是能夠可靠地與發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同并協(xié)調(diào)工作，以確保微型車輛在各種路面上行駛時(shí)都必須具有良好的技術(shù)性能。因此，對(duì)傳動(dòng)系中主降速比ik及發(fā)動(dòng)機(jī)攜帶的變速箱和動(dòng)力儲(chǔ)備變速箱傳動(dòng)比i0及i1的正確選擇，是提高微車技術(shù)性能的重要途徑。

2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比選擇

2.1 主降速比選擇

主降速比即發(fā)動(dòng)機(jī)在直接擋時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)速與最高車速之比。為了保證車輛在最高擋(直接擋)行駛時(shí)具有足夠動(dòng)力儲(chǔ)備，根據(jù)文獻(xiàn)［4-5］來(lái)選擇主傳動(dòng)比，轉(zhuǎn)速系數(shù)

直接擋行駛時(shí)傳動(dòng)比為1，即i0=1;滿載工況下輪胎滾動(dòng)半徑rk=0.4 m;發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min;按我國(guó)現(xiàn)有農(nóng)村公路路況，車輛平均最高時(shí)速為Ua=50 km/h;ηm取值原則:一般微型載貨車取28～35，重型貨車取40～45，本文中 ηm=30;2.65為設(shè)計(jì)常數(shù)。代入式(2)中，可計(jì)算出ik:，按式(2)計(jì)算:

因此，主降速比取 4.5∶1。

主傳動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式為單級(jí)齒輪傳動(dòng)，它具有體積小、重量輕和傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)在我國(guó)重型汽車和裝載量5 t以上車輛的驅(qū)動(dòng)橋上被大量采用，但在微車上的轉(zhuǎn)化應(yīng)用是個(gè)創(chuàng)新。

目前國(guó)產(chǎn)微型車的主降速比一般為3.5∶1～4.0∶1，筆者設(shè)計(jì)的主降速比 4.5∶1，較國(guó)產(chǎn)微型汽車的主降速比提高了。主降速比提高的目的是為了降低車速和提高驅(qū)動(dòng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩以提高車輛的動(dòng)力性。主降速比的選定主要考慮微車的最高時(shí)速。我國(guó)的微車技術(shù)是引進(jìn)日本成套技術(shù)，逐步進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化而形成目前我國(guó)的微車產(chǎn)業(yè)。由于微車傳動(dòng)系中的主降速比都已做出了“定型”，很難予以改造。半軸全浮支承式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)橋應(yīng)用于微型車上，可對(duì)現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)微型汽車的驅(qū)動(dòng)后橋進(jìn)行技術(shù)改造，也可將半軸全浮支承式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)橋應(yīng)用于我國(guó)目前農(nóng)村普遍使用的平板三輪貨車的驅(qū)動(dòng)橋上。

2.2 變速箱傳動(dòng)比選擇

汽車變速箱傳動(dòng)比的選擇與車輛技術(shù)性能關(guān)系十分密切。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)變速器的最大傳動(dòng)比與最小傳動(dòng)比之比值越大，擋位設(shè)置就越多，車輛在行駛過(guò)程中對(duì)其擋位選擇范圍也越多，能使整車能發(fā)揮出良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

國(guó)產(chǎn)微型汽車一般都設(shè)置有3個(gè)前進(jìn)擋和1個(gè)倒擋組成變速箱，能在良好路面上、在額定時(shí)速完成其額定裝載量。但是，目前國(guó)產(chǎn)微型汽車的變速箱傳動(dòng)比的比值小，擋位設(shè)置少，車輛行駛在公路上選擇擋位的范圍也少，因此，造成整車的技術(shù)性能不能有效發(fā)揮。并且，國(guó)產(chǎn)微車的主降速比ik和變速箱傳動(dòng)比i0均比本文的主降速比和變速傳動(dòng)比約小40%，因此國(guó)產(chǎn)微型汽車最高設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)98 km，與我國(guó)現(xiàn)有城鎮(zhèn)和農(nóng)村的公路路面條件是不相適應(yīng)的。

“動(dòng)力儲(chǔ)備變速箱”裝置在驅(qū)動(dòng)橋主降速錐齒輪軸的動(dòng)力輸入端，機(jī)構(gòu)中具有高擋、低擋和直接擋的3擋變速箱。高擋的傳動(dòng)比為i高=3.04∶1，在良好的路面上保證整車的加速度性能;低速擋傳動(dòng)比i低=6.14∶1，提高了驅(qū)動(dòng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，保證車輛動(dòng)力性和越野性;直接擋i直接=1∶1，車輛正常運(yùn)行時(shí)使用。因此，微型貨車上的擋位設(shè)置從3個(gè)前進(jìn)擋改造成為6個(gè)前進(jìn)擋。擋位越多，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)而言，能增加發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)出最大功率附近時(shí)高功率的機(jī)會(huì)就越多，從而提高了微車加速性和爬坡性能［2］;另一方面，就燃料經(jīng)濟(jì)性而言，擋位越多，發(fā)動(dòng)機(jī)在低燃油消耗率工作區(qū)可能性的機(jī)遇就越大。這樣，實(shí)現(xiàn)了降低能耗，降低了排放污染物，而且增加了動(dòng)力性能。汽車擋位的增多能改善汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，尤其是微車更為顯著。

3 微車比功率

3.1 比功率

對(duì)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性影響最大的參數(shù)有2個(gè):①發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率;②傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中變速箱和主傳動(dòng)的傳動(dòng)比。汽車行駛時(shí)功率平衡方程式為［2］:

式中:Pk為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率;G為車輛重力;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);C為空氣阻力系數(shù);A為汽車迎風(fēng)面積;Uamax為最高車速;η為機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率。

由式(3)確定車輛自重與載貨的總質(zhì)量(m)和微車發(fā)動(dòng)機(jī)額定輸出功率等技術(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得微車的比功率為:

由于微車在農(nóng)村公路上行駛的設(shè)計(jì)平均最高時(shí)速為50 km/h，為計(jì)算方便，忽略不計(jì)式(4)中的G、f、C、A 等參數(shù)，從而有:

載貨汽車的比功率是衡量汽車動(dòng)力性的一個(gè)重要指標(biāo)。比功率隨著汽車的總質(zhì)量的增大而逐漸減小。目前國(guó)內(nèi)外都對(duì)載貨汽車的比功率作出規(guī)定，以保證車輛在道路上行駛時(shí)的動(dòng)力性，防止性能差的車輛堵塞道路。

3.2 實(shí)例分析

國(guó)產(chǎn)微型汽車整車技術(shù)指標(biāo)為:發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.0～1.3 L，額定輸出功率為30 ～55 kW，額定裝載量為500～1 500 kg，車輛自重700～1 000 kg。現(xiàn)用下述2例比較微型汽車的比功率。

3.2.1 國(guó)產(chǎn)微型汽車比功率

設(shè)微型汽車排量為1 L，額定輸出功率30 kW，裝載量為500 kg，車輛自重為700 kg(含駕駛員及附加設(shè)備)，則其比功率為:

3.2.2 裝置半軸全浮式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋的國(guó)產(chǎn)微型汽車比功率

國(guó)產(chǎn)微型汽車裝用半軸全浮式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋后，裝載質(zhì)量從500 kg提升到1 000～1 500 kg，若按裝載質(zhì)量為1 000 kg計(jì)算，則其比功率為:

現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)微型汽車的比功率大，說(shuō)明它動(dòng)力性好、時(shí)速高，但額定裝載量只有500 kg，功率利用率低，經(jīng)濟(jì)性差。

國(guó)產(chǎn)微型汽車經(jīng)過(guò)技術(shù)改造裝用半軸全浮式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋后，其比功率下降了約34%，但其功率利用率卻獲得明顯提升。

總之，比功率之規(guī)定是為了保證車輛在公路上行駛時(shí)具有一定的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。比功率這一個(gè)指標(biāo)也是在汽車設(shè)計(jì)時(shí)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和變速機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式和傳動(dòng)比的重要依據(jù)。

由于微型車行駛道路條件變化很大，尤其是我國(guó)農(nóng)村公路，車輛必須具有足夠的動(dòng)力儲(chǔ)備。動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋依據(jù)公式(1)的理論，主降速比ik變速箱傳動(dòng)比i0和動(dòng)力儲(chǔ)備變速箱傳動(dòng)比i1的乘積數(shù)比國(guó)產(chǎn)微型汽車增大了，從而微車的后橋驅(qū)動(dòng)力Pk獲得了相應(yīng)的提高。

3.2.3 三輪汽車、三輪平板貨車和正三輪摩托車

在微型車的系列產(chǎn)品中，還包括著三輪汽車，三輪平板貨車和正三輪摩托車等。這些機(jī)動(dòng)車輛都裝置有發(fā)動(dòng)機(jī)排量為200～300 mL的單雙缸空氣或水冷卻的摩托發(fā)動(dòng)機(jī)。例如:國(guó)內(nèi)擁有量保持領(lǐng)先的三輪平板貨車，其驅(qū)動(dòng)后橋總成是采用動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋，該車發(fā)動(dòng)機(jī)排量為250～300 mL，額定輸出功率12～14 kW，實(shí)際裝載量依據(jù)公路路面條件一般在1 000～2 000 kg之間。設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)排量為250 mL，額定輸出功率12 kW，載貨量為1 500 kg，則該三輪平板貨車比功率為:

對(duì)于比功率這個(gè)重要理論指標(biāo)，世界各國(guó)汽車制造商都是依據(jù)本國(guó)的汽車技術(shù)性能指標(biāo)和現(xiàn)有公路條件作出各自的相關(guān)規(guī)定。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7258—2004《機(jī)動(dòng)力運(yùn)行安全技術(shù)條件》中規(guī)定了農(nóng)用運(yùn)輸車等的比功率限值為4.0 kW/t，其它機(jī)動(dòng)貨車則為5.0 kW/t;德國(guó)Stveo規(guī)定大客車、貨車和汽車列車等的比功率為6 kW/t;荷蘭規(guī)定載貨汽車比功率為4.2;俄羅斯規(guī)定貨車的比功率為5.5 kW/t等。圖1為部分我國(guó)國(guó)產(chǎn)貨車的比功率。

圖1 部分國(guó)產(chǎn)汽車比功率Fig.1 Specific power ratio of several home-made vehicles

4 半軸全浮式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋

4.1 國(guó)產(chǎn)微車驅(qū)動(dòng)后橋

目前，國(guó)產(chǎn)微車的后橋都是采用半軸半浮式支承型式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的后橋車輪與橋殼無(wú)直接聯(lián)系，車輪支承于半軸外端，半軸承受著全部彎矩，且承載能力很低。這種結(jié)構(gòu)形式的后橋通常在轎車設(shè)計(jì)上選用，不宜在貨車上使用。

4.2 半軸全浮式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋

半軸全浮式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋的結(jié)構(gòu)型式見圖2。該結(jié)構(gòu)的動(dòng)力儲(chǔ)備箱中的動(dòng)力輸入軸與驅(qū)動(dòng)橋的主傳動(dòng)錐齒輪軸構(gòu)成一體，當(dāng)輸入動(dòng)力從動(dòng)力儲(chǔ)備變速箱中的主傳動(dòng)齒輪軸(1)直接帶動(dòng)主降速?gòu)膭?dòng)盤齒輪(6)，并通過(guò)差速行星齒輪組合中的內(nèi)花鍵齒輪帶動(dòng)半軸(2)，并經(jīng)軸承(5)把動(dòng)力輸入橋殼(3)帶動(dòng)輪轂(4)形成整車動(dòng)力輸出。

圖2 全浮式微車用動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋剖面Fig.2 Rear drive axle section of full floating power-reserved minicar

圖3為半軸全浮式驅(qū)動(dòng)后橋的結(jié)構(gòu)示意，該結(jié)構(gòu)后橋的輪胎與地面接觸時(shí)的地面受力分析，也稱之為汽車地面力學(xué)。

圖3 全浮式驅(qū)動(dòng)后橋輪胎地面受力分析Fig.3 Force analysis of full floating power-reserved rear drive axle

圖3中，后橋驅(qū)動(dòng)輪的作用力包括有垂直反力Fz，切向反力Fy，側(cè)向反力Fx，該3個(gè)反力形成驅(qū)動(dòng)輪在水平面內(nèi)的彎矩和橫向平面產(chǎn)生的彎曲力矩，并由“輪轂4”通過(guò)2個(gè)“軸承5”傳遞給“橋殼1”，作用在“主降速?gòu)膭?dòng)盤齒輪6”上的力和彎矩全部由橋殼直接承受。也就是說(shuō)車輪和橋殼能支承整個(gè)汽車的總質(zhì)量，而與半軸無(wú)關(guān)。半軸只承受轉(zhuǎn)矩，而兩端均不承受任何反力和彎矩，這是半軸全浮式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋在微車中應(yīng)用的又一個(gè)特點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

裝用半軸全浮式動(dòng)力儲(chǔ)備驅(qū)動(dòng)后橋的微型車，是適應(yīng)于目前我國(guó)農(nóng)村-城鎮(zhèn)之間作為集散物資的重要運(yùn)載工具之一，它的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和噸·百公里燃料低的節(jié)能效益，能以較大幅度的降低運(yùn)輸成本，并實(shí)現(xiàn)了公路運(yùn)輸?shù)牡吞夹?yīng)。

［1］經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào).2015年農(nóng)村公路總里程將達(dá)到390萬(wàn)公里［EB/OL］.(2011-02-11)［2011-02-19］.http://finance.sina.com.cn/roll/20110211/09183591416.shtml.

［2］于志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京:清華大學(xué)出版社，2000:75-80.

［3］陳永瑞.汽車構(gòu)造［M］.長(zhǎng)春:吉林工業(yè)大學(xué)出版社，2000:40，151-153.

［4］汽車教研室.汽車?yán)碚摚跰］.長(zhǎng)春:吉林工業(yè)大學(xué)出版社，1962:168-170.

［5］劉仁.對(duì)青藏高原開發(fā)東風(fēng)牌半掛汽車的探討［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，1986，5(3):143-150.LIU Ren.An inquiry into development of Auto Semitrailer for Qinghai-Ttibetan Plateau［J］.Journal of Chongqing Jiaotong Institute，1986，5(3):143-150.