摘要：水陆两用车兼具了陆地车辆和水上船舶的功能。但水陆两用车在水上行驶存在阻力大、航速低等问题，而车轮收放是水陆两用车水上行驶减阻增速的重要途径。本研究探讨了国内外的车轮收放方案，提出了一种基于麦弗逊式悬架的可收放前轮悬架。通过运动分析，得到了液压杆和车轮收起高度之间的关系，对主要零部件进行设计。仿真结果表明：该可收放前轮悬架将车轮收起后可有效减少水上航行时总阻力的25%左右，实现了水陆两用车前车轮收起至下缘与车底一致的功能，从而达到水陆两用车水上行驶时减阻提速的目的。
关键词：水陆两用车；收放式悬架；方案设计
0前言
随着经济的快速发展，人民群众越来越懂得享受，休闲垂钓的市场越来越大。针对休闲垂钓的人群及功能，适用于休闲垂钓且便于操作的水陆两用车将有广阔的发展前景。该车兼具陆地车辆和水上船舶的功能，同时具备自行实施由陆入水、由水登陆的能力。为了减小水陆两用车水上行驶的阻力，提升水上航速，笔者设计了一种将前轮下缘收起至与车底一致的悬架机构。研究显示，将车轮收起后可有效减少水上航行时总阻力的25%[1]左右。因此，在水陆两用车的研究中，设计收放式悬架系统十分必要。
1研究现状
MARCHJDAVI[2]采用了依靠气缸、气囊等部件实现车轮收放的方法，将减震器和气缸平行安装在控制臂与车架之间，气囊两端分别连接减震器和控制臂，依靠气囊和气缸的伸缩完成车轮的收放。或者上下两个气囊、减震器安装在控制臂和车架之间，当上气囊收缩且下气囊膨胀时，车轮被提起；当上气囊膨胀且下气囊收缩时，车轮被放下。孙荣哲[3]提出收放轮结构完全放在车体外侧，由电机经过减速箱转动摇臂，从而拉起减震器，减震器带动传动臂转动，实现对车轮的收缩。同时，设置了上下限位块，在上、下止点位置，减震器和摇臂保持平行，此时的摇臂只受到拉力或压力。剧冬梅等[4]设计了一种电驱动转向的水陆两用车的可收放悬架方案，水陆两用车四个车轮分别安装轮毂电机，实现差速转向。因此，在车轮提升过程中，不涉及驱动机构和转向机构带来的运动干涉。悬架上横臂与叉骨连杆连接，叉骨连杆与车轮铰接，下横臂一端与车轮固定，减振器一端铰接于下横臂；设置了主动摇臂，两端分别与车体和减振器铰接，主动摇臂上方设置了限位块。
2收放式前悬架的方案设计
本水陆两用车收放式前轮悬架的设计基于麦弗逊式前悬架，为保证前轮的收放过程中无运动干涉情况的出现，需对前轮悬架进行运动分析及方案设计。
2.1收放式前悬架运动分析
建立如图1所示的收放式前悬架运动简图，旨在分析液压缸收缩长度、前轮提起高度、控制臂摆角、驱动轴伸缩及摆角、转向器摆角等之间的关联性。图中实线的部分表示前轮未被提起的状态，虚线部分表示前轮被提起的状态之一。A点代表液压缸安装的上止点，B点代表控制臂与副车架安装的铰支点，A到B点的距离用a表示；C点表示前轮提起前的位置，C'点表示前轮提起后的位置，A点到C、C'的距离用lAC、lAC'表示。α表示AB与BC之间的夹角，L表示控制臂的长度。θ表示控制臂转动的角度，h为A点到BC'的垂直距离，垂足D将BC'分为BD和DC'，长度分别为b2和b1。在车轮提起高度不高（≤300mm）的情况下，认为控制臂球头点提升的高度H约等于车轮提升的高度[5]。根据机构运动的几何关系，得出：由此可得：将b1、h、θ带入，得到：所以液压缸收缩的距离∆和前轮提升高度H之间的关系对于本次设计的可收放式悬架各部分尺寸取值为：a=820mm、lAC=815mm、α=75°、L=415mm，设计提升高度H=160mm，将数值代入得到：∆=lAC－lAC'=155mm（5）由此得出，要实现前轮提升高度160mm，至少需要液压缸的收缩距离为155mm。
2.2收放式前悬架的零部件设计
为保证前轮的收放过程中无干涉情况，且满足强度要求，需对前轮悬架各零部件进行结构设计。
2.2.1控制臂的设计
为了水陆两用车前车轮收放功能的实现，基于两用车密封空间布局设计，前悬架的控制臂设计为近似等边长三角形的三角摆臂。控制臂内侧设计前后两个衬套，且与副车架相连，并同轴布置，以便前车轮提升时，控制臂绕着衬套轴线转动。控制臂的前后两个衬套距离370mm，保证足够的稳定性；衬套设计为橡胶空心套，以便减缓各种行驶工况下前悬架的冲击和振动[6]。控制臂外侧设计为球头，与转向节总成相连。
2.2.2驱动轴的设计
采用球笼式等速万向节实现动力传递，其中与差速器相连的筒形壳与驱动轴之间有0~20mm的轴向伸缩量，以适应前轮收起时带给驱动轴长度的变化[7]。前轮未被提起时，驱动轴在水平面以下-8°的状态。在前轮收起的过程中，驱动轴与筒形壳的距离先变小后变大，过长的驱动轴在此过程中将与筒形壳发生干涉。因此，为了满足前悬架的收放功能，本设计采用1650mm的驱动轴长度。
2.2.3减振系统的设计
减振系统主要包括阻尼器与弹簧，具体设计如下所示：1）阻尼器下支点的位置决定了转向节总成的定位，因此，在设计时首先要保证尺寸的合理性，以免与其他零部件产生干涉。2）随着陆地行驶时的颠簸或由陆地行驶状态收起前轮至最高点的过程中，前悬架主销轴线（减振器上支点中心与控制臂球头的球心连线）绕着减振器上支点中心变化，主销内倾角（主销轴线与过控制臂球头球心垂直线的夹角）会随之变化。根据陆地行驶车辆主销内倾角取值范围为7°~13°[8]，本次设计主销内倾角为9°。3）为保证前轮收起的高度，合理设计弹簧。选用在汽车悬架上应用广泛的压缩型螺旋弹簧，且根据弹簧所受载荷P=4900N，选用的材料为60Si2MnA弹簧钢丝冷卷制成[9]。弹簧钢丝剪应力τ表示为：[]m328PDK8PCK==ddττππ≦由此可得弹簧钢丝直径d：[]PCKd1.6τ≧查得弹簧钢丝许用剪应力[τ]=590MPa，取缠绕比C=7，曲度系数K=1.21，则求得d≥13.4mm，取弹簧钢丝直径d=14mm。根据阻尼器外径尺寸大小，取弹簧中径Dm=98mm，弹簧其他参数如表1所示[10]。根据车辆重量、收起高度等因素，本设计弹簧上、下安装座的距离为384mm。
2.2.4液压缸的安装定位
在水陆两用车前桥有限的空间内，为保证满足车轮收起的160mm高度、液压缸的收缩至少155mm距离要求，选取行程为200mm的液压缸。根据所选取液压缸的型号尺寸，为了使结构更加紧凑，液压缸下支点应在合理范围内尽量靠下布置。本设计采用液压缸下支点的固定连接件与阻尼器下支点使用相同的螺栓固定。为保证前轮收起时，液压缸的拉力尽可能多地作用在减振系统上，应使液压缸与减振系统的轴线平行[11]。
2.3可收放前悬架的结构方案
可收放前悬架以液压缸作为主动元件，通过压缩减振系统，实现收放前轮的功能。可收放前悬架机构，如图2所示。收起前轮的具体方式如下：所设计的悬架为独立前悬架，其中，前轮既是驱动轮也是转向轮，转向节总成3通过刹车盘、轮毂等与前轮相连，驱动轴总成9包括驱动轴和内、外球笼万向节总成，外球笼万向节总成与转向节总成相连接，内球笼万向节总成与差速器相连。转向节总成下端通过球头销4与控制臂5相连，控制臂内侧两个衬套通过螺栓与前副车架上的铰链座7连接，控制臂可以沿着衬套轴线8相对副车架6转动。液压减振系统由液压缸10、螺旋弹簧2、L形连接件11、阻尼器1构成。阻尼器1上端通过轴承、橡胶衬套固定在车身上，下端与转向节总成3通过螺栓固定连接。液压缸10上支点固定在车身上，下端通过带有柱销的L形连接件11与阻尼器1及转向节总成3相连。转向机构包括转向器14、转向横拉杆13、转向节总成3。转向器14通过螺栓固定在前副车架上，其内部通过齿轮与齿条配合可使转向横拉杆13相对于转向器直线移动，转向器14两端通过球铰链15与转向横拉杆13相连，转向横拉杆13通过球头销12与转向节总成3相连。当液压缸10收缩时，阻尼器1和弹簧2压缩，液压缸下支点带动阻尼器1下支点及转向节总成3上移，此时，控制臂5通过球头销4随着转向节总成3绕衬套轴线8向上摆动；驱动轴总成9的球笼万向节为适应前轮提升而发生角度偏移，驱动轴相对副车架6向上转动；转向拉杆通过球头销12与球铰链15跟随转向节总成3相对副车架6向上转动，前轮被提起。
3结论
研究小组设计了一种基于麦弗逊式悬架的可收放前轮悬架结构，通过对收放式前悬架进行运动分析并对其零部件进行结构设计，实现水陆两用车前车轮收起至下缘与车底一致的功能，从而达到水陆两用车水上行驶时减阻提速的目的。
作者：李千耀 于利民 单位：山东交通学院船舶与港口工程学院