多軸特種車輛底盤性能匹配研究

劉 健，肖柳勝，吳漢川，龐 罕，肖文生

（1.中國石油大學 機電工程學院，山東 青島266580；2.江漢石油管理局 第四機械廠，湖北 荊州434000）①

隨著國內外工業的飛速發展，促進了各領域的特種車輛（以下簡稱特車）不斷改進。以石油行業為例，為提高效率，很多石油裝備向重載化、集成化、快移快裝方向發展，就需要車載，加之油田道路復雜，對底盤的要求越來越高。例如油田壓裂車、沙漠鉆機、車載修井機、水泥固井車、混沙車等。特車設計工作比較繁瑣、耗資大、設計周期長，且各類特車的底盤性能的設計匹配存在性能不足或者性能過盈的現象。為了保證特種車輛的行駛性能、工作性能和底盤強度，節省設計制造成本，必須通過理論分析和試驗驗證。本文提出一套整車底盤性能匹配的評價指標，并開發了相應的軟件系統，縮短了多軸特車的研發和性能匹配的設計周期，為其性能改進提供快捷準確的計算平臺。

1 影響因素分析

多軸特種車輛一般采用二類底盤，車載設備的參數、底盤車架的結構參數及剛度、強度、車輪及懸架的結構、軸距、整車質量及尺寸、發動機等性能參數都將會對整車底盤性能產生影響，研究其內在聯系對底盤性能匹配和評價有著重要的作用。

1.1 發動機

發動機的性能決定整車的原動力，合理匹配可以滿足動力性、經濟性、通過性的要求，避免功率不足或能源浪費。發動機功率大小，影響最大驅動力及輸出扭矩、百公里油耗、最高車速和最大爬坡度［1］。

最大輸出轉矩為

式中：n為發動機轉速；P為發動機在轉速n下的功率（通過發動機外特性曲線可以獲得）。

最大驅動力為

式中：i0為發動機至驅動橋主減速比；ig為變速箱各擋速比；η為發動機至車輪的傳動效率；R為車輪半徑。

1.2 軸距

軸距及各重載部件安裝位置影響到軸載荷分配、承載性能、制動爬坡、越障能力、振動舒適性、最小轉彎半徑、橫向和縱向半徑、側傾穩定角和越過臺階及壕溝的能力。多軸特車的軸載荷是進行總體布局、整車動力學分析的必要參數。軸載荷分配有4種方法：①靜力平衡方法（將整車簡化為簡支梁），只適用于三軸以下；②位移法，假設車架為一縱向剛性橫梁，如圖1a；③力法，假設車架為一縱向連續梁，計算模型如圖1b；④等剛度法，由于各橋軸距相差不大，在設計時各橋可按等剛度進行設計［2－3］。

1.3 車輪性能及尺寸

輪胎性能及尺寸影響整車通過性、制動性、經濟性、穩定性和安全性。寬輪胎的角加速度波動小，很快進入穩定狀態，減少輪胎磨損，提高使用壽命，操縱穩定性好，經濟性下降，縱向滑移率和側傾角減少，車輛抓地力、制動性好。胎壓降低的效果和寬輪胎類似。百公里油耗為

式中：Qs為百公里燃油消耗量；Ps為汽車阻力功率；be為最低燃油消耗率；R 為車輪半徑；va為車速。

圖1 多軸特車軸載荷計算模型

1.4 車裝設備布置

車裝設備的質量、尺寸和布置位置影響軸載荷分配、整車質量、穩定性、平順性、經濟性、安全壽命和車架的力學性能，合理匹配可降低車架的應力及變形。對產生動載荷的設備（例如壓裂車大泵）更應合理布局，如圖2。

圖2 車裝設備及振動激勵模型

以2 206kW壓裂車為例，由于路面溝坎及工況惡劣，懸架受力不均，底盤大梁扭轉變形，底盤、副大梁及副大梁連接螺栓在交變載荷作用下發生疲勞斷裂以及螺栓松動等失效現象；作業時臺上設備振動劇烈，產生附加動載荷，降低車架的使用壽命。在產品設計初期，進行有限元靜動態仿真，避免疲勞損傷和模態共振［4］，車架模態分析結果如圖3。

1.5 整車質量和質心

整車質量決定整車的動力性、通過性及燃油經濟性；質心位置決定著整車的穩定安全性、側傾轉彎性、振動舒適性、百公里油耗、最大駐坡度和轉彎性能。整車質心靠前增加不足轉向特性；質心靠后，出現過多轉向特性［5－6］，如圖4 。

圖3 車架前6階模態振型

圖4 某一重心位置的轉彎性能

1.6 主副車架裝配尺寸及結構

車架材料、尺寸、結構影響車架的力學性能。縱梁尺寸，橫梁數量、焊接位置、材料密度、彈性模量和泊松比，合理的匹配可降低應力及變形，提高使用壽命，如圖5。

圖5 不同車架材料與結構的受力變形

2 軟件評價系統研發

依據以上建立的性能匹配與評價指標，結合相關計算方程，設計出多軸特車底盤性能匹配軟件，可以縮短多軸特車的設計研發和性能匹配的設計周期，為其性能改進提供快、精、準的平臺。

首先確定軸數和驅動軸數，然后進入分析主界面，根據分析項目流程，進行以下項目：動力性、經濟性、制動性、穩定性、通過性、平順性、重心及軸載荷分配、強度及模態分析、車裝設備連接。壓裂車實例分析界面如圖6。

圖6 壓裂車性能分析主界面

任選一模塊進入其子分析模塊，例如動力性及燃油經濟性模塊，出現發動機匹配功率及百公里油耗評價窗口，輸入計算所需數據，計算得到分析結果。此時點擊右上角保存數據按鈕，方便下次繼續使用。最后點擊菜單欄里的返回上一界面，繼續下一步操作，如圖7。

圖7 分析子模塊及子菜單

其他分析模塊用同樣的方法分析。整個軟件簡便實用，節省時間和成本，理論計算與現實試驗數據結果比較符合。

3 應用實例及試驗驗證

以某重載多軸特種車為例，采用多軸特車底盤性能匹配軟件，輸入相關數據，得到的輸出數據和現場試驗數據對比，如表1。結果表明，多軸特車底盤性能匹配軟件分析結果和現場試驗數據誤差在10%以內 。

表1 軟件評價與現場試驗數據對比

4 結語

本文通過分析底盤性能的影響因素及評價指標，結合相關計算方法研發了一套多軸特車底盤性能匹配軟件。現場試驗驗證了該軟件的可靠性。該軟件縮短了多軸特車的設計周期，為特車設計及性能改進提供了平臺和依據。

［1］余志生.汽車理論［M］.機械工業出版社，2011：16－175.

［2］王興東.多軸汽車軸荷分配和轉移的計算方法研究［J］.湖北工業大學學報，2006，21（3）：165－167.

［3］尹俊峰.某特種作業車底盤通用化設計的研究［D］.長沙：中南大學，2010.

［4］朱煥剛，張 寶，張慢來.基于ANSYS軟件的鉆桿柱縱向振動分析［J］.石油礦場機械，2008，379（10）：56－58.

［5］劉紅領.縱向質量分布對汽車操穩性能的影響［J］.機械設計與制造，2008（2）：127－129.

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