文/范俊宏

1 全地形车简述

    全地形车需要在复杂的路面上，状况不佳的道路上形式。比如：沙滩 、草地、泥泞土地等等。
    全地形车最早出现于瑞典，苏联等少数几个位于北半球的国家。并且多用于军事运输方面，民用的基本没有。这些国家地形条件较为特殊。如瑞典和苏联境内湖泊沼泽众多，大面积的领土处于北极边缘地带的积雪区，因此，这些国家高度重视车辆的越野性能,特别是在雪地通行的能力。
    国内外对全地形车辆的研究车型主要包括履带式全地形车、轮式全地形车、轮履合一轻型全地形车三种。在国外，特别是日本和美国，全地形车系统性能与应用方面已经有多年的研究，而且有较成熟的车型。
    国外生产全地形车的产家主要有美国北极猫、加拿大庞巴迪、日本本田、川崎、铃木、雅马哈等，国内生产全地形车的产家有台湾光阳等。
    全地形车区别于普通车，在悬挂系统、动力系统、机身结构上做了调整。悬挂系统是一辆汽车最难做到完美的系统，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，这两者是不可兼得的要素。比如要取得良好的稳定性，就要使用弹性较硬的弹簧，这样的话整车的稳定性是提高了，但是汽车在行驶时的舒适性就很差，只要路面稍稍颠簸一下，整车都会被踮起来，导致操控性很差。全地形车的悬挂更多的要求对悬挂的立即反馈。硬度需求没那么巨大。
    动力方面：大型全地形车民用领域来说，更多是大排量摩托。如图1，定制化的车更多的军警定制化的6轮战车，如图2

2 全地形车主要涉及到重要指标

    悬挂部分以标准车型为模板进行分析。

2.1 悬挂

    全地形车的自身重量和在行驶时受到地面的冲击都由车身的悬架所承受，车架结构设计应在满足车辆使用要求的同时，也要达到轻量化的要求。

2.1.1 现在车身悬架的分类和组成部分

    悬架的定义：悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，麦佛逊式悬架典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。
    其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。
    悬架的分类：
    （1）独立悬架：独立悬架的车轴分成两段，每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架(或车身)下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受波及，汽车的平稳性和舒适性好。但这种悬架构造较复杂，承载力小。现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架，并已成为一种发展趋势。
    （2）非独立悬架：非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，影响另一侧车轮也作相应的跳动，使整个车身振动或倾斜，汽车的平稳性和舒适性较差，但由于构造较简单，承载力大，目前仍有部分轿车的后悬架采用这种型式。
    本设计使用的悬架采用独立悬架，并且采用的是目前最为广泛的麦弗逊式车身悬架。独立悬架除了麦弗逊悬架以外还有烛式悬架，连杆式悬架等。下面将说明独立悬架与非独立悬架两种悬架的主要区别。

    非独立悬挂系统车轮连同车桥一起通过弹性悬挂系统悬挂在车架或车身的下面，左右两车轮是无法单独跳动的，车身的倾斜和震动会非常大，是无法满足全地形车进行越野、跨障碍的行驶条件的。
    独立悬挂系统是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬挂系统悬挂在车架或车身下面的，左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。
    悬架的组成部分：
    （1）减震器
    功能：减振器是产生阻尼力的主要元件，其作用是迅速衰减汽车的振动，改善汽车的行驶平顺性，增强车轮和地面的附着力.另外,减振器能够降低车身部分的动载荷,延长汽车的使用寿命.目前在汽车上广泛使用的减振器主要是筒式液力减振器,其结构可分为双筒式,单筒充气式和双筒充气式三种。
    工作原理:在车轮上下跳过程中，减振器活塞在工作腔内往复运动，使减振器液体通过活塞上的节流孔，由于液体有一定的粘性和液体通过节流孔时与孔壁间产生摩擦，使动能转化成热能散发到空气中，从而达到衰减振动功能。
    （2）弹性元件
    功能：支撑垂直载荷，缓和和抑止不平路面引起的振动和冲击。弹性元件主要有钢板弹簧，螺旋弹簧，扭杆弹簧，空气弹簧和橡胶弹簧等。
    原理：用具有弹性较高材料制成的零件，在车轮受到大的冲击时，动能转化为弹性势能储存起来，在车轮下跳或回复原行驶状态时释放出来。
    （3）导向机构
    导向机构的作用是传递力和力矩,同时兼起导向作用。在汽车的行驶过程当中,能够控制车轮的运动轨迹。

2.1.2 麦弗逊悬架及运行原理

    麦弗逊悬架:关于麦弗逊悬架，其实是在1924年一位名叫麦弗逊的设计师的杰作。麦弗逊在1924年加入了通用汽车公司的工程中心。30年代，通用的雪佛兰分部想设计一种真正的小型汽车，总设计师就是麦弗逊。麦弗逊一改当时盛行的板簧与扭杆弹簧的前悬架方式，创造性地将减振器和螺旋弹簧组合在一起，装在前轴上。实践证明这种悬架形式的构造简单，占用空间小，而且操纵性很好。后来，麦弗逊跳槽到福特，1950年福特在英国的子公司生产的两款车，是世界上首次使用麦弗逊悬架的商品车。麦弗逊悬架由于构造简单，性能优越的缘故，被行家誉为经典的设计。

    运动原理（参考下图）：麦弗逊悬架在车辆行驶时，悬架沿着摆动的主销轴线摆动，减震支柱上端安装面用螺栓和弹性垫圈与车身连接，减震支柱的下端安装在转向节上，转向节和摆臂通过球铰链固定在一起，车辆在行驶和转向时，受到的侧向力和冲击载荷一部分通过转向节传递给摆臂，另大部分传递给减震支柱，减震支柱通过减震弹簧吸收冲击和振动。

    车辆转弯时，外侧车轮和内侧车轮的转速是不同的，因此需要用到差速器来进行差速转向。车辆两边的车轮有转速差后，会通过转向节旋转。转向时车辆由于自重的惯性会产生离心力，在悬架上会表现成侧向力。此时减震支柱和减震弹簧会起到缓和侧向力的作用。比如：车辆右转时，车身会向左倾斜，车内人员会有向外甩的感觉。此时左边的减震支柱会受压，右边的减震支柱会受拉，通过减震弹簧的作用可以有效缓解车身倾斜的现象。

2.1.3 车身悬架的受力分析

    麦弗逊悬架在车辆行驶时主要受到两种载荷：
    （1）静载荷:车辆在静止的时候悬架主要受到车辆自重造成的载荷。
    在进行静载荷分析的时候，可以将减震支柱、履带轮、连接杆三者看成一个整体单独进行受力分析：静止时车辆处于平衡状态，此时车辆全重压在减震支柱上。减震支柱受力F1，连接杆上受到拉力F2，履带受到来自地面的反作用力F3。
    根据物体平衡的状态得出平衡方程：

    （2）动载荷：车辆在行驶过程中，悬架不仅承受静载荷不断变化产生的动载荷，还要承受驱动力、转向侧向力等引起的力和力矩。下面分析车在动载荷下的受力情况：
研究动载荷需要引入的物理量：

根据已知计算结果对减震支柱做有限元分析，结果如下图:

2.2 动力

    动力方面需求不一样，有内燃机驱动型和电动机驱动型。

2.2.1 内燃机驱动型

    采用内燃式发动机，发动机将汽油的内能转化为动能。为整车提供动力源。发动机曲轴将活塞的往复运动转变为回转运动，传递给变速箱，经过变速、减速后增大转矩。通过传动轴传递给后驱动桥，动力在后驱动桥经过后悬架差速器分配给后桥左右两边半轴。后桥左右半轴将动力最终传递给执行部分。转向控制是由方向控制杆作为输入轴，经过前悬架差速器将动力分配给前桥左右两边半轴。差速器产生转速差后才可达到转向效果。同时后驱动桥也安装了差速器，可以实现四轮转向。从而大大降低车辆的转弯半径。

1 差速器原理及分析

    差速器：汽车差速器是能够使左、右(或前、后)驱动轮实现以不同转速转动的机构。主要由左右齿轮半轴、2个行星齿轮及齿轮架和机架组成。功用是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右车轮以不同转速滚动，即保证两侧驱动车轮作纯滚动运动。差速器是为了调整左右轮的转速差而装置的。在四轮驱动时，为了驱动四个车轮，必须将所有的车轮连接起来，如果将四个车轮机械连接在一起，汽车在曲线行驶的时候就不能以相同的速度旋转，为了能让汽车曲线行驶旋转速度基本一致性，这时需要加入中间差速器用以调整前后轮的转速差。

    组成结构：差速器主要由输入轴及输入齿轮、左右输出半轴，四个行星锥齿轮，从动齿轮组成。左右半轴通过万向联轴器分别连接左右两边车轮，输入轴由传动轴做转向输入。
    工作原理：当车辆直线行驶时，左、右两边这轴的转速是相同的，此时差速器是平衡的，两个行星轮只会自转，不发生公转，从动齿轮也不会转动，但是当车辆转弯时，输入轴转动，带动从动齿轮转动，此时差速器也不再处于平衡状态，上下两行星轮会发生公转，导致左右半轴齿轮的转速不同，出现转速差，从而达到转向的目的。

2 变速器原理及分析

    变速器是用来改变来自发动机的转速和转矩的机构，它能固定或分档改变输出轴和输入轴传动比。变速器由变速传动机构和操纵机构组成，有些汽车还有动力输出机构。传动机构大多用普通齿轮传动，也有的用行星齿轮传动。普通齿轮传动变速机构一般用滑移齿轮和同步器等。本文采用最广泛的滑移齿变速器。
    在变速箱内，结构不仅要紧凑，还要非常合理。中心距的分布很重要，由于中心距的大小是直接影响变速箱的结构紧凑性，所以在保证传递发动机最大转矩、齿轮足够强度的情况下，要合理的布置。

3 传动轴的设计与校核

    万向传动轴一般是由万向节、传动轴和中间支承组成。主要用于在工作过程中相对位置不确定的场合。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。一般万向节由十字轴、十字轴承和凸缘叉等组成。
    传动轴是一个高转速、少支承的旋转体，在不断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。传动轴是由轴管、伸缩套和万向节组成，因此它的动平衡是至关重要的。一般传动轴在出厂前都要进行动平衡试验，并在平衡机上进行了调整。因此，一组传动轴是配套出厂的，在使用中就应特别注意。
    基本要求：
    1、保证所连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力。
    2、保证所连接两轴尽可能等速运转。
    3、由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应在允许范围内。
    4、传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。

2.2.2 电动机驱动型

    电机驱动相对简单。以四轮为例，每个轮子都有个电机驱动，所以整车动力布局以驱动控制系统、电驱动系统及传感器系统，如图所示。

    整车控制系统布局时，通过CAN总线和中央控制器通讯，整车配有动力电池组，通过电缆线与轮毂电机相连。

3 结束

    小编整理了下大概全地形小车的设计参考。下篇对市面上的大中小型小车已经控制改进行分析。