基于牧馬人DANA44門式車橋的設計與研究

劉昕 王麗妲 王占魁

摘要：越野車是一種為越野而特別設計的汽車，主要是指可在崎嶇地面使用的越野車輛。主要特點是非承載式車身、四輪驅動、較高的底盤、較好抓地性的輪胎、較大的縱向通過角、較大的馬力，部分車輛配備中央輪胎氣壓調節裝置。越野車具有優越的通過性，可以在野外適應各種路面狀況。本課題主要目標是解決在日常使用或是越野賽事活動中牧馬人Rubicon因最小離地間隙不足導致車輛通過性不理想的問題。

Abstract： Off-road vehicle is a vehicle specially designed for off-road， mainly refers to off-road vehicles that can be used on rough ground. The main features are non-load-bearing body， four-wheel drive， higher chassis， tires with better grip， larger longitudinal passing angle， larger horsepower， and some vehicles are equipped with a central tire pressure adjustment device. The off-road vehicle has superior passability and can adapt to various road conditions in the wild. The main goal of this topic is to solve the problem of unsatisfactory vehicle passability caused by insufficient minimum ground clearance of Wrangler Rubicon in daily use or off-road events.

關鍵詞：越野車;門式車橋;通過性

Key words： off-road vehicle;portal axle;passability

中圖分類號：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0036-03

0 ?引言

Trail Rated，即越野道路評級。一款越野車必須通過野外和人工環境的現場測試及電腦模擬環境的測試，并借助牽引力、通過性、機動性、循跡性和涉水能力這五項關鍵指標來評定車輛的越野能力，只有通過這些測試，才能獲得越野道路評級認證。

Trail Rated越野評價體系，Jeep將越野車分為10個等級，從5個維度進行評價，分別是牽引力（Traction）、涉水能力（Water Fording）、通過性（Ground Clearance）、機動性（Maneuverability）、循跡性（Articulation）。

提高越野車的通過性，是促進越野文化發展和越野車技術進步的必要手段。

1 ?國內外研究開發現狀和發展趨勢

1.1 國外研究開發現狀

門式橋較廣泛地用于對離地間隙要求更高的車輛上，如越野車、低地板客車、無軌電車等。隨著越野車市場的不斷擴大，為追求更佳的通過性、舒適性，獨立懸架、門式驅動橋越來越受到石油、勘探行業及越野愛好者的關注。

如圖1所示，一般卡車的車橋車輪中心線在一條水平線上，但奔馳公司烏尼莫克采用的門式車橋設計，使得車橋中心線高于車輪中心線（如圖2所示），輪邊用減速齒輪連接，該門式車橋設計提高了車輛的最小離地間隙，使得該車具備非常好的越障能力。

斷開式門式驅動橋由一對外嚙合圓柱齒輪布置在驅動橋輪邊一側，轉向節即為輪邊齒輪殼端蓋，主、從動圓柱齒輪通過兩對軸承支承在圓柱齒輪殼內，主動輪通過鎖緊螺母實現軸向鎖緊，并固定在輪邊輸入軸上;圓柱齒輪殼與半軸套管、轉向節用螺釘連接;輪轂依靠輪轂軸承安裝在半軸套管上，通過鎖緊螺母軸向鎖緊、定位;全浮式外半軸通過花鍵與從動圓柱齒輪連接，并用螺栓固定在輪轂上。輪邊減速器為單對外嚙合圓柱齒輪。

門式車橋通過傳動軸套管與變速箱連接。由于采用了傳動軸套管技術，故取消縱向控制臂。車橋懸掛通過特殊設計的螺旋彈簧、套筒減震、前后橋穩定桿，不僅在崎嶇地形中使所有四個車輪都能夠接觸到地面，而且在公路上行駛時也能夠提供很好的乘坐舒適性。

1.2 國內研究現狀

武漢梟龍汽車技術有限公司自主研發的梟龍越野車，是擁有完全的知識產權的中國產第三代高機動越野車。梟龍越野車采用非獨立懸架“門式車橋”，保證了車輛恒定的440mm離地間隙，具有很強的越野性能。此外，梟龍的中央自動充放氣系統可實時監控各個輪胎氣壓，根據不同路面承壓能力，調節適合的輪胎氣壓，有效地提高在濕滑、松軟特別是沙漠中的通過能力。

東風鐵甲越野車是東風汽車公司研制的1.5噸級東風越野車，采用前后雙橫臂獨立懸架加之輪邊減速器設計形成“門式車橋”結構，最小離地間隙達到了406mm，具有極好的通過性。

部分國外門式橋制造廠家及使用特點匯總見表1。

1.3 研究意義

汽車的通過性指在一定車載質量下，汽車能以足夠高的平均車速通過各種壞路及無路地帶和克服各種障礙的能力。這也是一輛越野車必須要具備的能力。通過性最能體現越野車的越野能力。車輛通過性主要取決于地面的物理性質及汽車的結構參數和幾何參數。同時它還與汽車的其他性能，如動力性、平順性、機動性、穩定性、視野性等密切相關。

由于汽車與地面的間隙不足而被地面托住，無法通過的情況，稱為間隙失效。當車輛中間底部的零件碰到地面而被頂住時，稱為“頂起失效”;當車輛前端觸及地面而不能通過時，稱為“觸頭失效”;當車輛尾部觸及地面而不能通過時，稱為“托尾失效”。與間隙失效有關的汽車整車幾何尺寸，稱為汽車通過性的幾何參數。這些參數包括最小離地間隙、接近角、離去角、縱向通過角等。

最小離地間隙不足導致車輛通過性不理想。最小離地間隙是指汽車在滿載（允許最大荷載質量）的情況下，其底盤最突出部位與水平地面的距離。它表征汽車無碰撞通過有障礙物或凹凸不平的地面的能力。當車輛軸距一定時，最小離地間隙對車輛的通過性能影響非常重要。最小離地間隙越大，車輛通過能力就越強，但重心偏高，降低了行駛穩定性;最小離地間隙越小，車輛通過有障礙物或凹凸不平的地面的能力就越弱，但重心低，可增加行駛穩定性。

通常越野車的前后橋、飛輪殼、變速器殼和消聲器等部件有較小的離地間隙。四輪驅動的越野車在前后橋內裝有直徑較大的主減速器齒輪，一般離地間隙最小。在設計越野汽車底盤部分時，應保證其具有合理的最小離地間隙，能保證車輛通過性，且使車輛重心穩定。

牧馬人Rubicon除車輪之外，驅動橋最低點與地面之間的距離為230mm。在原驅動橋的結構與尺寸的基礎上，本項目旨在設計出一種“門式車橋”，可以大幅度的提高該越野車的通過性。通過改變局部車橋結構的方式實現優化設計，優化結果對車輛的通過性的提高具有較大的指導意義。

2 ?研究內容、關鍵技術和研發目標

2.1 研究內容

本項目將以牧馬人Rubicon越野車的車橋DANA44作為研究對象，擬將原車橋改為配備有中央自動充放氣系統的門式車橋，采用理論仿真分析和實驗驗證相結合的方式進行研究，研究的主要內容如下所述：

2.1.1 門式車橋對越野車通過性的影響

進口Jeep牧馬人Rubicon配備按鍵鎖止差速器的DANA44車橋，車橋和車輪中心線在一條水平線上，最小離地間隙220mm。通過改裝設計使用門式車橋，車橋中心線高于輪轂中心線，輪邊用減速齒輪連接，這個設計提高了車身的最小離地間隙，使得該車具備非常好的越障能力。

2.1.2 輪邊減速機構設計

牧馬人Rubicon使用Pentastar3.6L V6 VVT發動機，發動機最大排量2.985L，最大功率209kW/6350rpm，最大扭矩347N·m/4300rpm，最高車速180km/h，采用門式車橋后，車身升高，重心位置升高，車輪尺寸變大，導致最高車速降低，為了提高通過性，車輪輸出最大轉矩升高。

①輪邊減速機構設計;

②中央充放氣裝置設計與研究;

③殼體結構設計。

2.1.3 輪邊減速機構仿真分析

①輪邊減速機構齒輪受力分析;

②輪邊減速機構殼體受力分析;

③負值輪轂對轉向系統的影響分析。

2.2 關鍵技術

本項目擬解決的關鍵問題有：

①輪邊減速機構的傳動比;

②輪邊減速機構齒輪結構;

③輪邊減速機構殼體結構與強度;

④中央充放氣旋轉密封氣室結構與強度。

2.3 研發目標

本項目的研究目標是設計一種適用于牧馬人DANA44的門式車橋，用以提高該車輛的通過性和動力性，且不降低行駛與轉向穩定性，從而保證Rubicon能在重度越野中表現出眾。

3 ?技術方案及創新點

3.1 技術方案

本課題在研究過程中，首先以該越野車的需求為目標，設計出滿足該需求的門式車橋，接著以汽車理論和汽車設計為理論依據，設計計算出該門式車橋的結構尺寸;繼而用Solid Works三維機械設計軟件進行建模，用ANSYS軟件仿真分析;然后通過3D打印技術，制出實物，進行試驗驗證;最后，經過反復修改驗證，對本項目進行優化改進，從而形成研究成果。

3.2 創新點

目前，國外對門式車橋的研究已經比較成熟，但出于對自身技術資料和潛在市場的保護，國外很少公開門式車橋的先進技術資料，而國內對門式車橋的研究、生產和應用還處于起步階段。

烏尼莫克U 300/ U 400/ U 500車型系列屬于小型專業越野設備車，是為任何多用途需求而量身定制的專用車型，使用門式車橋，通過性性能優異，但價錢昂貴;國產東風猛士車采用門式車橋，離地間隙410mm，但猛士為軍用車。據調查顯示，美國人民心中最受歡迎的硬派越野車排行榜中，牧馬人Rubicon位居榜首，但Rubicon采用的是普通車橋，通過性相較于烏尼莫克和猛士而言，相對較差。在民用市場中，沒有通過性特別杰出的硬派越野車。

在國內外門式車橋技術研究的基礎上，本項目對門式車橋與車輛通過性，行駛和轉向穩定性的影響關系進行了深入的分析和研究。通過理論計算，虛擬仿真與實驗驗證相結合的方法對以上門式車橋進行了研究，從而設計出適合于牧馬人Rubicon的最優門式車橋。

如圖3所示，區別于以往的設計將輪邊減速機構總成用螺栓固定于橋殼與車輪之間，本項目將輪邊減速機構殼體與驅動橋殼鑄造為整體，用以提高二者連接處的強度;區別于以往的設計中輪邊減速機構的齒輪厚重，本文設計出滿足使用性能要求的齒輪，用以減小輪間距離，增強越野車行駛過程中對驅動橋的重壓形變;區別于以往的設計中輪邊減速機構無輪胎自動充放氣功能，本文設計出中央自動充放氣裝置，用以提高越野車的通過性。

4 ?推廣應用前景分析

門式車橋是一種提高車輛通過性的有效措施。相比較于傳統的升高改裝方案，門式車橋的半軸位于輪轂的中心之上，可以使車體離地間隙大大增加，從而提高車輛的通過性能;在輪轂中有減速齒輪箱，從而提高車輛的動力性能;門式車橋零件數量少，在較短的時間內即可完成原位換裝，無需切割與焊接;不改變原車懸架與制動系統，工作量小。

在前期進行了充分的調研工作，了解牧馬人Rubicon的越野需求;在設計過程中，以理論計算設計——建模——虛擬仿真分析——3D打印，實物驗證——優化改進的技術路線，對該門式車橋反復修改驗證，以期能獲得既不降低車輛行駛與轉彎穩定性，又能大幅提高車輛通過性與動力性的最優門式車橋。

參考文獻：

[1]劉維信.汽車車橋設計[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]羊拯民.傳動軸和萬向節[M].北京：人民交通岀版社，1986.

[3]國家標準化管理委員會.GB7258-2017機動車運行安全技術條件[S].中國標準出版社，2017.

[4]冀中仁.梟龍汽車參軍案例——武漢梟龍汽車技術有限公司[J].中國軍轉民，2017（01）：01-10.

[5]薛宇.悍將奔馳G63 AMG[J].汽車與配件，2016（18）：62-67.

[6]司康.中國商用車30年：從小到大，從弱到強[J].交通世界， 2008（11）：50-52.

[7]慧聰行業研究所.06-07年汽車防抱死系統（ABS）報告[R].慧聰行業研究頻道，2007，05.

[8]王宇.輕松制動，守護平安—威伯科 ABS 為商用車提供安全保障[J].交通世界，2006（07）：24-27.

[9]楊忠敏.“東風鐵甲”初次亮相顯風流[J].汽車運用，2002（10）：16-17.

[10]F.Schmelz，Grafvon H.-C.Seherrthoss， E. Auckdor.Universal Jionts and Driveshafts [M]. Copyright Springer Verlag Berlin Heidelberg，1992.