仿鯨水陸兩棲概念車設計*

◆李媛 胡文波

作者：李媛，武漢理工大學華夏學院汽車工程系教師，研究方向為汽車CAD/CAE；胡文波，武漢理工大學華夏學院汽車工程系車輛工程專業學生（430223）

人類使用車輛已有兩千多年的歷史，但直到19世紀以后才出現機動車。1765年瓦特改良了蒸汽機，從此揭開了工業革命的序幕，這也是汽車革命的開始。從蒸汽機車到汽油機車前后經歷了一百多年的探索，經過很多人的不懈努力，才發展到今天的汽車。現在的汽車不僅僅是日常生活的代步工具，更是國家各項高新技術的結合產品。車輛數量的爆炸式增長在給大眾帶來便捷出行的同時，也制造出了前所未有的交通壓力。只有改變車輛的性能及用途，才能有效地解決這一問題。

由此筆者有了設計兩棲車的想法，把“車—船”結合，制造仿鯨兩棲概念車。該兩棲車可以極大地改善人民的水陸出行條件。本文著重對兩棲車的車身、水陸動力切換方面進行創新設計。

1 車身與車身骨架設計

仿鯨兩棲概念車是車—船結合體，其車身設計不僅需要達到普通車輛的要求，同時也要達到小型船舶的標準。車身設計應具有合理的外部形狀，以便車輛行駛時能有效地引導周圍的氣流，提高車輛的動力性、燃油經濟性和行駛穩定性[1]，并改善發動機的冷卻條件和室內通風性。而車架的結構形式首先要滿足車輛總體布置的要求，使得車輛在復雜多變的行駛過程中，固定在車架上各總成和部件之間不能發生干涉。因此，車架應具有足夠的強度和剛度。

車身設計機動車需要有符合其各項規定及要求的車身，船舶必須有滿足其各種技術與標準的船體，水陸兩棲車的車身是前兩者的結合體。兩棲車可以在淺水里行駛，但更多時候是在陸地上行駛。根據汽車理論知識，汽車在平直良好路面上行駛時，其阻力主要是滾動阻力和空氣阻力[1]。滾動阻力與行駛路面、行駛車速以及輪胎的結構、材料、氣壓等值有關，一般沒有太大的方法改進。空氣阻力中，形狀阻力所占的比重較大，改善車身的流線形狀，是減小空氣阻力的關鍵。

結合船體構造和仿生學理論，筆者設計了仿鯨魚外形的車身，如圖1所示。這樣的車身不僅滿足了在水中航行時流體理論的要求，也有效地減小了在陸地行駛時的空氣阻力。

圖1 仿鯨兩棲概念車車身效果圖

車身骨架設計動車的車架與車身幾乎融為一體，特別是小型的機動車。船舶的船體骨架[2-3]則是由龍骨、旁龍骨、肋骨、龍筋、舭龍骨、船首柱和船尾柱構成，它們共同組成了船舶骨架。仿鯨兩棲概念車車身骨架不僅要能承受住陸地行駛時的較猛烈的沖擊，同時也要承受住在水中行駛時縱向上的彎曲力矩[3]，此外橫向構件也要承受橫向的水壓力，保持車身的幾何形狀。

圖2 仿鯨水陸兩棲概念車鳥巢式車身骨架圖

筆者設計的車身骨架受到鳥巢的啟發，這樣的車身設計不僅可以提高車身各個方向上的強度，同時把車身下部的棱角設計成鳥巢的彎曲及搭邊結構[4]。此外，橫向上的分層結構處理也將讓車具有一定的抗沉能力（進行分艙密封處理）。這種鳥巢式的結構設計讓乘坐人員得到更有效的保護。在陸地上行駛時，乘坐人員相對于一般機動車乘坐人員具有更大的離地高度，在撞擊時受到的沖擊波能量更小；在水中行駛時，乘坐人員的乘坐高度永遠在水平面以上，在發生事故時具有更多的安全時間及救援機會。仿鯨兩棲概念車鳥巢式車身骨架如圖2所示。

2 動力裝置

機動車的動力裝置主要分為汽油機和柴油機，其中汽油機主要用于小型車輛，而柴油機主要用于大型車輛。船舶的動力裝置有很多，其中各種設備的用途是不同的。大型船舶動力裝置的常規組成分為主機、輔助機械、管路系統和推進軸系[3]等。由于要兼顧汽車理論的最低要求，該兩棲車結構設計必須簡潔化和輕量化，故選用柴油機為兩棲車主要動力源。

主機動力柴油機具有熱效率高，壓縮比高，無需點火系統，經濟性較好等優點[5]，初步選用柴油機作為兩棲車的主動力。兩棲車的動力主機不僅要滿足機動車的性能要求，同時也要滿足一般船舶動力的參數要求。最后選擇康明斯KTA19-M柴油機（SO40382 cummins）作為兩棲車的主機發動機。

水陸動力切換船舶中非常特殊的傳動部分就是倒順齒輪箱[2]，一般大小型船舶所用的都是不可反轉的柴油機，這時，螺旋槳的正反轉就要靠倒順齒輪箱來解決了。同時，倒順齒輪箱也具有減速、離合的作用。由于兩棲概念車是輕量化設計[4]，而且具有獨立的電驅裝置，筆者將倒車的任務交給電驅裝置。為了滿足兩棲車的特殊要求，筆者對倒順齒輪箱做了全新的改進，設計出了能滿足特殊兩棲要求的分動器[6]。離合器及分動傳動裝置如圖3所示。

圖3 離合器及分動傳動裝置圖

仿鯨水陸兩棲概念車是通過水陸動力切換裝置實現水中和陸地的行駛動力切換的。在水中行駛時，發動機提供的動力經過變速器傳至輸入軸1，輸入軸與輸入傳動殼體2是通過花鍵連接的，輸入傳動殼體會隨著輸入軸一起等速轉動。兩個摩擦定盤3、7周邊的花鍵與輸入傳動殼體的內花鍵相嚙合，從而使得兩個摩擦定盤隨著輸入傳動殼體一起等速轉動。動摩擦盤5向右移動時，使得水驅摩擦盤6移向定摩擦盤7，直到與水驅摩擦盤與定摩擦盤完全結合，從而使得水驅摩擦盤隨著定摩擦盤一起轉動。水驅摩擦盤的轉動帶動與其內花鍵相嚙合的空心傳動軸轉動，空心傳動軸通過其外花鍵使得輸出軸（水中）8、9一起轉動，這樣動力就傳到了與輸出軸（水中）相連接的漿。在陸地行駛時，動摩擦盤5向左移動，使得陸驅摩擦盤4向定摩擦盤3移動，直到陸驅摩擦盤與定摩擦盤3完全結合，使得陸驅摩擦盤隨著定摩擦盤一起轉動，陸驅摩擦盤通過其內花鍵將動力傳至輸出軸（陸）10，這樣輸出軸（陸）通過傳動軸將動力傳到減速器、差速器、半軸及車輪。

3 底盤布置

底盤布置包括兩個方面的內容：一個是機艙在整艙中的具體位置，另一個是動力裝置中的各種設備在底盤中怎樣布置。為了保證兩棲車優良的綜合性及安全性，筆者采用機艙中置[2]布置，這樣的設計有很大的優點。第一，采用機艙居中布置，機艙的總重心在縱中剖面和橫中剖面內，或很近，因而仿鯨水陸兩棲概念車在滿載或空載等裝載變化時不會產生縱傾，或縱傾很小。同時，機艙進水后對兩棲車不沉性的影響也不及同樣容積的尾部機艙嚴重。第二，中布機艙的車體線性變化平緩，機艙底部也較平坦，容易布置設備。這樣不僅可以讓設備或裝備總成按照設計的要求有效安裝，而不會讓設備由于空間或位置發生干涉，同時也有效地改善了整車前后輪承重比偏高等問題。

4 結語

通過對車輛與船舶知識點的融合，筆者設計出了仿鯨的汽車概念車身、仿鳥巢式車身骨架，同時對兩棲車的主動力源的參數也進行選定，中間還對水陸動力切換進行了詳細的解釋，最后對整個底盤的布置也進行了分析，最大限度展示了兩棲車的設計原理。綜合上面所有的設計工作加上其他的細節特點，最后完成了所有設計工作，也達到了應有的預期效果。這輛外觀新穎，富有機械感、科技感的兩棲車被設計出來了。筆者認為這款兩棲車的出現必將開拓機動車輛的另一個發展方向，不僅僅是追求機動車輛的速度、外觀、品牌等因素，適用與實用才會是受大眾歡迎的。同時多功能車輛的研究必然將是以后幾年甚至幾十年的發展方向。

[1]楊萬福.汽車理論[M].廣州：華南理工大學大學出版社，2010：10-11.

[2]施裕斌.船舶動力裝置[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]葉明君.船舶結構與設備[M].大連：大連海事大學出版社，2012.

[4]彭文生，李志明，黃華梁.機械設計[M].2版.北京：高等教育出版社，2011.

[5]張志沛.汽車發動機原理[M].北京：人民交通出版社， 2011：82-108.

[6]陳家瑞.汽車構造[M].北京：人民交通出版社， 2011：70-73.