某軍用越野車輛備胎架設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李軍

（430000 湖北省 武漢市 東風(fēng)越野車有限公司）

0 引言

運(yùn)輸性是產(chǎn)品的基本屬性，任何產(chǎn)品只要流通就需要運(yùn)輸。但運(yùn)輸受到一定條件的制約，如載運(yùn)工具、交通基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)輸環(huán)境等。要提高產(chǎn)品的運(yùn)輸效率并降低運(yùn)輸費(fèi)用，就應(yīng)在產(chǎn)品研制階段認(rèn)真考慮其與運(yùn)輸條件的適應(yīng)性問題。尤其是在軍事領(lǐng)域，若裝備與運(yùn)輸條件不相適應(yīng)，就不能快速機(jī)動(dòng)和迅速形成戰(zhàn)斗力，制約裝備效能的發(fā)揮。所以，不論是民品或是軍事裝備都應(yīng)滿足運(yùn)輸性要求。整車結(jié)構(gòu)附件備胎架布置形式很多，備胎機(jī)構(gòu)有質(zhì)量大、占用體積大等特點(diǎn)，同時(shí)要求拆裝方便等，整車在布置時(shí)需從運(yùn)輸性及結(jié)構(gòu)可靠性等方面著重考慮布置位置及布置形式。

1 備胎架布置形式

備胎架形式根據(jù)布置位置不同有多種形式。側(cè)卸式油缸機(jī)構(gòu)備胎架適于大型汽車使用，整個(gè)備胎機(jī)構(gòu)安裝在車架外側(cè)，通過液壓油缸將備胎旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到地面，此套備胎機(jī)構(gòu)適用安裝側(cè)面沒有布置其他系統(tǒng)，預(yù)留有備胎機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)空間；頂置式吊機(jī)架構(gòu)備胎結(jié)構(gòu)需要在車頂安裝可倒伏的舉升絞盤機(jī)構(gòu)，將備胎從側(cè)面吊起到車架高度，通過吊機(jī)的旋轉(zhuǎn)及吊運(yùn)位置的收縮將備胎從車架外側(cè)運(yùn)輸?shù)杰嚰苌?，車頂安裝吊機(jī)及倒伏機(jī)構(gòu)有高度限制，整體高度不能滿足高度限制。同時(shí)，吊桿吊運(yùn)狀態(tài)比較長，需要的強(qiáng)度比較高，同時(shí)吊運(yùn)過程需要收縮吊桿的長度，綜合分析整個(gè)結(jié)構(gòu)不合適布置此類機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)；中置絞盤備胎架通過對(duì)側(cè)布置絞盤拉動(dòng)備胎繞軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)備胎的升降功能。此結(jié)構(gòu)實(shí)用備胎的重心不能超過旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，對(duì)備胎旋轉(zhuǎn)后高度有限制；后置式備胎架適用于大型車輛將備胎機(jī)構(gòu)布置在車架后懸處，通過棘輪等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)備胎的升降，但此結(jié)構(gòu)會(huì)影響整車離去角；背門式備胎架適用于箱式車輛，將備胎布置在后背門實(shí)現(xiàn)與門聯(lián)動(dòng)開啟，通過頂置絞盤等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)備胎的升降，適用于箱式車輛。中置四連桿備胎架，采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)[1]，通過油缸帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)的大角度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)備胎的升降。

2 某軍用越野車備胎架布置分析

2.1 備胎架布置位置分析

一款物資運(yùn)載軍用車輛，車身后配備貨箱，用于物資運(yùn)輸，整車裝備帶備胎。根據(jù)某飛機(jī)對(duì)運(yùn)輸車輛的要求，整車高度不超過2 250 mm，這就對(duì)整車所帶的備胎布置形成一定限制，且存在一定布置難度。

一般整車車廂后部用于取放物資，不易采用備胎架后置側(cè)翻結(jié)構(gòu)。越野型汽車離去角要求盡量大，備胎不能布置在后懸位置。整車高度又要滿足高度限制，如采用頂置吊機(jī)，整車高度通過性不能滿足。整車車身后尾車架兩側(cè)有中橋及輪胎，不能采用單油缸結(jié)構(gòu)中置側(cè)卸式備胎架。備胎架只能中置布置，布置在車身后圍與大箱之間。如采用中置絞盤備胎架，備胎轉(zhuǎn)動(dòng)中心布置在輪胎邊緣上側(cè)，由于絞盤只能提供單方向的拉力，備胎轉(zhuǎn)動(dòng)到支點(diǎn)上方附近為運(yùn)動(dòng)界限，不能實(shí)現(xiàn)整車高度要求。通過分析，要很好地實(shí)現(xiàn)備胎取放且不影響物資拿取的備胎結(jié)構(gòu)，可采用四連桿驅(qū)動(dòng)的中置側(cè)卸備胎結(jié)構(gòu)。

2.2 環(huán)境分析

備胎參數(shù)是進(jìn)行備胎布置首先要獲得的數(shù)據(jù)，備胎大小決定其所占空間，在確認(rèn)備胎各項(xiàng)參數(shù)后開始對(duì)備胎位置進(jìn)行布置。

中置備胎架的安裝環(huán)境如圖1，布置在車身后圍與大箱之間的車架上方。備胎及固定機(jī)構(gòu)的安裝空間需對(duì)車身與大箱之間的安裝寬度、整車高度、車架高度、車輛輪胎動(dòng)態(tài)跳動(dòng)量等參數(shù)校核，保證備胎不與底盤運(yùn)動(dòng)件干涉，同時(shí)滿足整車在飛機(jī)上的通過性。

圖1 備胎安裝位置Fig.1 Spare tire installation location

3 中置四連桿備胎架設(shè)計(jì)

3.1 中置四連桿備胎架組成

中置四連桿備胎架采用液壓油缸作為動(dòng)力，四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)備胎系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，備胎機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)由手動(dòng)液壓泵、液壓油管、油缸3 部分組成。

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置分析

備胎結(jié)構(gòu)橫向布置在車身后圍，旋轉(zhuǎn)后從車輛右邊卸下。四連桿備胎機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸中心前后位置（汽車縱向）有車身及車廂位置限制，按空間考慮即可。轉(zhuǎn)動(dòng)中心左右位置（汽車橫向）在車體邊緣，不超出汽車車輪寬度，需滿足整車寬度要求。轉(zhuǎn)動(dòng)中心高度位置（汽車高度）高于車輛輪胎跳動(dòng)界限，確定出轉(zhuǎn)軸中心最低離地高度。

3.3 備胎架運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

備胎機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)到備胎接觸地面，備胎與輪胎的距離保持50 mm 間距（方便拆卸備胎），確定備胎固定中心到轉(zhuǎn)軸中心的距離，即轉(zhuǎn)軸長度，如圖2 所示。

圖2 備胎旋轉(zhuǎn)長半徑Fig.2 Spare tire rotation radius

3.3.1 四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

建立備胎機(jī)構(gòu)模型如圖3，A點(diǎn)為油缸支點(diǎn)，B點(diǎn)為搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)中心，C點(diǎn)為備胎機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，D點(diǎn)為隨動(dòng)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為搖臂與油缸的連接點(diǎn)。四連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)里的連桿BC、CD、DF、BF長度由大量的基礎(chǔ)理論試驗(yàn)數(shù)據(jù)篩選獲得，保證備胎從車上旋轉(zhuǎn)到地面時(shí)，四連桿機(jī)構(gòu)不存在卡滯狀態(tài)，且能滿足備胎在車上狀態(tài)處于車架最低位（備胎位置盡量低），備胎在地面上離車輛的輪胎側(cè)面間隙保持50 mm（方便拆卸備胎）。

圖3 建立備胎機(jī)構(gòu)模型Fig.3 Establish a model of spare tire mechanism

備胎處于備胎機(jī)構(gòu)平臺(tái)最低位時(shí)，油缸AF處于原長形態(tài)，BF連桿與水平線夾角為32°，狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 備胎初狀態(tài)-轉(zhuǎn)軸BF 與水平夾角32°Fig.4 Initial state of spare tire-angle between shaft BF and horizontal as 32°

備胎處于中間舉起時(shí)，油缸AF處于伸長形態(tài)，BF連桿與水平線夾角為69°（中間狀態(tài)）狀態(tài)如圖5 所示。

圖5 備胎中間狀態(tài)-轉(zhuǎn)軸BF 與水平夾角69°Fig.5 Intermediate state of spare tire-angle between shaft BF and horizontal as 69°

備胎處于從最高點(diǎn)落下時(shí)，油缸AF處于伸長形態(tài)，BF連桿與水平線夾角為105°（中間狀態(tài)）狀態(tài)如圖6 所示。

圖6 備胎中間狀態(tài)-轉(zhuǎn)軸BF 與水平夾角105°Fig.6 Intermediate state of spare tire-angle between shaft BF and horizontal as 105°

備胎轉(zhuǎn)動(dòng)接觸到地面時(shí)，油缸AF處于縮短形態(tài)，BF轉(zhuǎn)軸與水平線夾角133°，狀態(tài)如圖7 所示。

圖7 備胎落地狀態(tài)-轉(zhuǎn)軸BF 與水平夾角133°Fig.7 Spare tire landing state-angle between shaft BF and horizontal as 133°

備胎的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程通過油缸AF長度變化，帶動(dòng)備胎連桿BF從與水平線夾角32°轉(zhuǎn)動(dòng)到133°，備胎從安裝位置旋轉(zhuǎn)到地面。接下來通過對(duì)各連桿長度的優(yōu)化[2]，使油缸受力最小。

3.3.2 桿系優(yōu)化

（1）ADAMS/View 及Isight 軟件聯(lián)合優(yōu)化

通 過Isight 軟 件[3]，運(yùn) 用ADAMS/View[4-5]和Isight 聯(lián)合優(yōu)化的方法，對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)及油缸支點(diǎn)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得F點(diǎn)綜合受力最??；同時(shí)，考慮油缸伸長量不大于80%（油缸的設(shè)計(jì)要求），變形量比初狀態(tài)長度短200 mm 以上（油缸的設(shè)計(jì)要求）。

設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：①油缸力最小，權(quán)重系數(shù)為1；②油缸伸長量不大于80%，權(quán)重系數(shù)為0.1；3）機(jī)構(gòu)中的各連桿力最小，權(quán)重系數(shù)為0.5。

設(shè)計(jì)變量如下：①B點(diǎn)水平移動(dòng)±100 mm；②D點(diǎn)沿連桿上移動(dòng)，±100 mm；③F點(diǎn)Y、Z向±100 mm；

設(shè)計(jì)約束如下：

①機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不干涉，終點(diǎn)位置干涉參考角∠CDF的值大于0°，權(quán)重系數(shù)為0.3；②備胎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，θ角即∠BCD初始位置值為30°，終點(diǎn)位置值為230°，權(quán)重系數(shù)為1。

通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立模型如圖8 所示。

圖8 備胎機(jī)構(gòu)建模Fig.8 Spare tire mechanism modeling

根據(jù)備胎機(jī)構(gòu)所在整車的坐標(biāo)，提取相關(guān)變量的三維坐標(biāo)及角度、重量參數(shù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)以上變量規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化，各變量點(diǎn)坐標(biāo)及尺寸如表1。

表1 變量整車坐標(biāo)及參數(shù)Tab.1 Variable vehicle coordinates and parameters

（續(xù)表）

通過ADAMS 軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，使用Isight 優(yōu)化模型見圖9。

圖9 優(yōu)化仿真分析模型Fig.9 Optimized simulation analysis model

3.3.3 優(yōu)化結(jié)果

通過軟件進(jìn)行分析，將得到的結(jié)果重復(fù)進(jìn)行二次優(yōu)化，擴(kuò)大變量變動(dòng)的范圍，得到的最新結(jié)果見表2。

表2 四連桿建模參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Tab.2 Optimization results of four-bar linkage modeling parameters

根據(jù)優(yōu)化分析結(jié)果可知，連桿受力、支撐桿、油缸受力均有不同程度的減小。B、D、F三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)發(fā)生變化，優(yōu)化后對(duì)A點(diǎn)坐標(biāo)再優(yōu)化，根據(jù)相應(yīng)坐標(biāo)得出桿系長度見表3。

表3 四連桿長度優(yōu)化對(duì)比分析Tab.3 Comparison and analysis of optimum length of four-bar linkage

連桿機(jī)構(gòu)長度確定。以現(xiàn)有的A點(diǎn)為變量中心，AF與AF1 差值為200 mm 為約束，通過軟件優(yōu)化A點(diǎn)位置，使運(yùn)動(dòng)過程中AF受力最小。

備胎系統(tǒng)液壓泵布置在車架右側(cè)（翻轉(zhuǎn)方向同側(cè)），采用差動(dòng)式液壓泵，油缸兩安裝距長度840 mm；末狀態(tài)與水平線夾角230°，油缸兩安裝距長度1 480 mm，油缸伸長640 mm。優(yōu)化尺寸如表4。

表4 油缸長度二次優(yōu)化Tab.4 Secondary optimization of cylinder length

3.4 液壓系統(tǒng)安全系設(shè)計(jì)

液壓升降系統(tǒng)安全性是指液壓系統(tǒng)意外或故障，導(dǎo)致備胎動(dòng)作異常，從而引發(fā)人身傷害。針對(duì)安全性的分析內(nèi)容如下：（1）備胎在備胎架內(nèi)側(cè)時(shí)，如油管總成1 破損，在油缸總成節(jié)流作用下，備胎將以正常速度自動(dòng)回落到車架上；油管總成2 破損，將不會(huì)有安全隱患。（2）備胎在備胎架外側(cè)時(shí)，如油管總成1 破損，將不會(huì)有安全隱患；油管2 破損時(shí)，油缸總成內(nèi)的液壓鎖會(huì)將壓力保留在油缸有桿腔，此時(shí)活塞桿不能伸出，備胎會(huì)停滯在半空?；钊麠U只能在外力下回縮。備胎機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理如圖10 所示。

圖10 備胎機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖Fig.10 Schematic diagram of hydraulic system of spare tire mechanism

3.5 備胎機(jī)構(gòu)CAE 工況分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)零部件靜態(tài)強(qiáng)度計(jì)算工況，對(duì)備胎架做6 個(gè)工況（靜止穩(wěn)定工況、垂直跳動(dòng)工況、驅(qū)動(dòng)和垂直跳動(dòng)工況、制動(dòng)工況、驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向工況、轉(zhuǎn)向工況）進(jìn)行分析。

備胎架的轉(zhuǎn)軸及油缸的材料為45 號(hào)鋼，屈服極限300 MPa。四連桿機(jī)構(gòu)的連桿采用材料DL590，屈服極限530 MPa。其他部件材料為Q345，屈服極限為345 MPa。將備胎架模型安裝到整車?yán)?，根?jù)基本工況的受力輸入，轉(zhuǎn)化到備胎結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。

在整車6 工況下進(jìn)行CAE 強(qiáng)度分析，如圖11—圖16 所示。

圖11 靜態(tài)穩(wěn)定工況下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為55 MPaFig.11 Stress cloud diagram under static and stable conditions,with maximum stress of 55 MPa

圖12 垂直跳動(dòng)工況下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為218 MPaFig.12 Stress cloud diagram under vertical beating conditions,with maximum stress of 218 MPa

圖13 驅(qū)動(dòng)和垂直跳動(dòng)工況下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為335 MPaFig.13 Stress cloud diagram under driving and vertical beating conditions,with maximum stress of 335 MPa

圖14 制動(dòng)工況下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為195 MPaFig.14 Stress cloud diagram under braking conditions,with maximum stress of 195 MPa

圖15 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向工況下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為198 MPaFig.15 Stress cloud diagram under driving and steering conditions,with maximum stress of 198 MPa

圖16 轉(zhuǎn)向工況下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為103 MPaFig.16 Stress cloud diagram under turning conditions,with maximum stress of 103 MPa

各工況最大應(yīng)力位置為備胎掛臂連接處，材料為Q345，備胎架在驅(qū)動(dòng)垂直跳動(dòng)工況下的最大應(yīng)力335 MPa，小于材料的屈服極限。各工況應(yīng)力分析結(jié)果見表5。

表5 應(yīng)力分析結(jié)果Tab.5 Stress analysis results

4 結(jié)語

隨著軍用裝備及運(yùn)輸載體的變化，整車在布置備胎等機(jī)構(gòu)時(shí)要充分考慮整車高度、寬度、長度以及整車接近角、離去角等因素，實(shí)現(xiàn)裝備快速機(jī)動(dòng)和迅速形成戰(zhàn)斗力，充分發(fā)揮裝備的效能。此次備胎架的設(shè)計(jì)通過分析各種備胎架結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)，選取了中置結(jié)構(gòu)的四連桿結(jié)構(gòu)備胎架。備胎架設(shè)計(jì)時(shí)，通過大量的理論數(shù)據(jù)及多次的運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化，CAE 強(qiáng)度分析，使得整個(gè)備胎機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)流暢、受力小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足飛機(jī)運(yùn)輸性要求[6]。