CN1292331A - 一种全路况汽车 - Google Patents

Abstract

这是一种全路况汽车,属于汽车制造领域。这是水陆两栖且轮履兼备的汽车,它具有传统汽车的主体结构及外观特征,能适应城市及高速公路的行车环境。它有一种由丝杠、摆臂、弹簧等传统机械要素构成的“主动式纵摆臂独立悬架”,能大幅度调控车轮及履带的悬挂高度,切换轮←→履驱动方式,并能改变悬挂刚度及阻尼,使汽车具有标准的越野车、轿车及明轮船等多种行驶状态。

Description

一种全路况汽车

这是一种全路况汽车，一种水陆两栖并且是轮、履兼备的全路况汽车，属于汽车制造领域。

全路况汽车泛指能水陆两栖，泥、雪、沙无阻，能在各种路况正常行驶的车辆，现实际使用的车辆大致有三类：其一是以瑞士生产的“皮兰哈8×8装甲车”为代表，该车采用8轮甚至10轮驱动，可水上浮渡，缺点是虽配置了8～10只车轮，但车的单位底压仍然较大，多在100Kpa以上，难于通过深雪及沼泽；再有，多轮驱动致使轴间差速传动机构十分复杂，难于被民用车辆所接受。

其二是履带式水陆坦克，履带车辆虽可通过多数深雪沼泽，但车速较低，且履带的寿命远低于车轮，一般不超过3000Km。

其三是“大脚车”，此类车使用巨型宽面轮胎，胎宽大多在1M左右，车辆底压与履带相当，在水中可将车身浮起，划水驱动如走平川，缺点是轮胎过于笨重，转向困难，车速在50Km／h以下。

以上三种车的共同缺点是：不能适应城市交通环境，也不能在高速公路上行驶。再有，前述三种车的优势在于恶劣路况的通过性较好，而在不十分恶劣的多数平川土路，其机动性、经济性及舒适性则明显低于普通越野汽车。因此，它们都不是在完全意义上的全路况汽车。

本项发明所追求的全路况汽车是：进城是轿车，出城是吉普，险恶路况又具有水陆两栖坦克的通过能力。

由本人提出的“99109148．5”号专利申请，给出了一种使用“主动式纵摆臂独立悬架”，通过调控车轮及履带的悬挂高度来实现轮履切换的全路况汽车；虽原理可行并被实验所证实，但在细部结构上存在几个严重缺陷，并因此使该项设计不具备实用性。

其主要缺陷是：在该悬架的转向机构中使用了一对齿扇，因齿扇属于“线接触高副传动件”，其抗冲击性能差，且齿间的耐磨性也远不如面接触的低副构件，再有齿扇啮合不易消除齿间的侧隙；而按当今汽车的技术规范，汽车转向系应是一个“零间隙配合系统”，要求自方向盘至前车轮的自由旷量总和所产生的前轮自由摆角应小于0．5度；过大的前轮摆动不仅要增大能耗，还会导致各种险情。(注：前轮摆角为1度时，滚动阻力增加30％，摆角达3度时，滚动阻力增加3～4倍)。

其二是：原转向机构中，与转向拉杆相联接的转向传动曲柄轴，位于传动齿轮箱内的驱动传动轴(空心轴)的心部，这不仅增加了传动系的复杂性，还由于驱动轴是高速回转副，其轴承间隙较大，而此较大的与高速回转相适配的间隙将叠加在“要求零间隙配合”的转向系中，因而不被当代汽车技术规范所充许。

其三：在该悬架的摆臂升降机构中，使用了同为高副的蜗轮蜗杆副，也存在不抗冲击的不足。

其四：该悬架中缓冲弹簧的安装形式欠佳，导致弹簧易磨损断裂。

基于上述四点缺陷，使得该项发明不能满足实用性要求。

另外，经对B6OB、B60G、B6OF等类项的检索，可发现已有大量“可升降悬架”的在先申请，虽均有“可调整车高”的共同特征，也使用了类似或相同的“机械元素”，但在发明目的，升降幅度，与车身及车内系统配接等方面存在明显差别，如：

“95311445”号文献，该悬架属“横摆臂多联杆悬架”，虽有很大的升降幅度，但车轮被升起后呈水平放置，不再具有车轮的承载、驱动、转向等功能，其意义仅在于减少水中阻力。

“特愿平8-8590”号申请所公开的结构中，虽使用了与本项发明相同的机械元素-丝杠、丝母，但其是与外悬臂直接相联，不具防水性；且其联接的是简易型的板簧悬架，不具备可变刚度的特性；该悬架是一种直接升降方式，必然因车身因素的制约而不能有较大的升降幅度；再有，板簧悬架的“车底离地间隙”指标是由板簧上的前、后桥壳的尺寸及位置所决定，桥壳随悬架同共升降跳动，也即，该种悬架只能调整车身高度而不能改变“离地间隙”。

“Appl．No．913237”则公开了一种水陆两栖车的尾轮悬架，该悬架可大幅度升降车轮，能与水密性底盘相配接，且属于“主动式纵摆臂独立悬架”，但该悬架不具有转向机构，且由于采用了液压缸直接拉动摆臂的调控方式则会遇到一对矛盾：因这种直接调控方式存在一个液压缸拉杆与摆臂间的死角，使得摆臂升降角不能超过57度，为获得足够的升降幅度，则只能加长摆臂，并因此而失去必要的抗路面冲击能力；综上，该“主动式纵摆臂独立悬架”只能用于辅助承载的尾轮。

本次申请给出的悬架结构，在基本原理及工程可行两个方面均能满足当今汽车的技术要求，使该车可具有标准的“轿车、越野车、履带车及明轮船”等四种状态，能实现“使汽车在完全意义上的全路况行驶”的发明目的。

本车是一辆轮、履结合的汽车，因该车的前轮、后轮及履带承重轮的功能有所不同，使得在同一辆车上使用的悬架结构也有所区别，可大致分为“前转向轮悬架”、“后驱动轮悬架”、“履带承重轮悬架”及“转向驱动轮悬架”等四种；其中“转向、驱动轮悬架”可用于全轮驱动且全轮转向的高档车型，但多被用于“4×4”车型的前轮，它的功能最全，结构也最复杂，可视其为基本型悬架，其余三种则属于它的简化变形，故本文着重介绍“转向、驱动轮悬架”的结构特点及工作原理：

该悬架有一个由“传动齿轮箱兼为主摆臂8，上摆臂7，主销架4等专用件，以及齿轮箱内的传动齿轮，从内转子13的心部穿过的驱动传动轴，从主销架4心部穿过的半轴，从叉指节臂6心部穿过的轴头，以及联接半轴与轴头的万向节等通用件”等组成的主摆臂机构；其中在主销架4上有一斜臂15与上摆臂7相联接。

该悬架还有一个由“外转向拉杆1，十字轴2和3，曲柄14等专用件及主销5，叉指节臂6，以及与曲柄14相联接的内转向拉杆，转向机等通用件”所构成的“转向操控机构”。

此外，还有一个由“内转子13，外转子10，内摆臂9，丝母11，丝杠12等专用件，及弹簧、阻尼脂等通用件”所构成的“缓冲、减震、升降机构”；其中在丝母11的轴销上装有外方内圆的滑套16；滑套16的外宽尺寸应与内摆臂的长形滑槽滑动配合，滑套16的内圆则与丝母11的轴销滑动配合，此滑套的作用在于将内摆臂9的滑槽与丝母11的轴销成为可滑移的低副。(否则，这里将出现不耐冲击的高副环节)。

以上，内转子13与齿轮箱兼主摆臂8为刚性联接；主销架4可绕轴心O₂转动90度左右的角度；轴心O₁、O₂、O₃、O₄之间的连线围成一个平行四边形，此种“双纵臂”结构可保证主销后倾角及内倾角不依主摆臂的升降跳动而改变；

当车辆处于前行状态时，轴心O₁、O₂、O₅、O₆构成另一个平行四边形，并与上述平行四边形有一共同边线“O₁--O₂”；且由于边线“O₁-O₅”与“O₁-O₃”间的夹角是不随主摆臂的升降跳动而改变的，可推论出边线“O₂-O₆”与“O₂-O₄”间的夹角也是不随主摆臂的升降跳动而改变的。这意味着叉指节臂6也不因主摆臂的升降跳动而发生绕主销5的摆动；此结构类似高档跑车中使用的五联杆横摆悬架，可有效消除大多数中档以下汽车均会出现的“摆臂跳动时，摆臂与转向系之间的干涉现象”。

但当汽车处于转弯状态时，轴心O₁、O₂、O₅、O₆不再是平行四边形，若此时车轮受到路面冲击而引起主摆臂8的跳动，则将出现上述干涉现象；也即会产生一个“伪附加转向操控分量”，并使前车轮伴随主摆臂的跳动而左右摆动，因只是一个“伪附加分量”，摆动幅度远小于车轮的垂直跳动，因此实际上对车的转向稳定性影响不大，并且这也是目前多数汽车均要出现的现象；也即，该结构能满足当今汽车的技术规范要求。(“99109148．5”号专利申请中给出的转向结构是无此缺点的，其在动做原理上是完美无缺的，但因存在前述缺陷而被放弃)。

当车轮受到路面冲击时，车轮的跳动经轮毂，叉指节臂，主销至主销架，再及主摆臂8，并引起主摆臂8绕O₁轴摆动，继而带动内转子13转动，再经其外圈上的挡块而推动弹簧；由于丝杠12与丝母11的自锁，使得内摆臂9不能经由外转子10被弹簧推动，于是引起弹簧的压缩与回弹，-这便是本悬架的缓冲过程。

在弹簧压缩及回弹的同时，内转子13的外圈挡块也在同时推动弹簧四周的阻尼脂流过内外转子挡块与内外转子周向间的径向狭缝，此过程便是阻尼减震过程，狭缝的大小可影响阻尼的大小(当然，阻尼脂的粘度也对阻尼产生影响)。另外，若在外转子挡块上，沿中部的切线方向打一通孔，在通孔内设置节阀，用微电机控制节阀的开度，即可实现对减震阻尼的自动控制。

综上所述，本结构是一个“缓冲、减震合一”的机构，使用本悬架无须另配减震器。

再有，由图3可以看出，缓冲弹簧是沿圆周方向间隔排列的，当主摆臂8所处的平衡位置不同时，同样大小的“路面垂直冲击增量”所引起的主摆臂8及内转子13的角位移增量不为常数，这使得弹簧的压缩量也不为常数-这也即是“悬挂刚度不为常数”。当车轮处于较下位的越野车状态时，悬挂刚度较大；当车轮处于较上位的轿车状态时，悬挂刚度较小；主摆臂8处于或接近水平状态时的悬挂刚度最小。

当丝杠12被驱动时，可使丝母11沿丝杠的轴向产生位移，继而带动内摆臂9摆动，并使外转子转动，经过弹簧推动内转子带动主摆臂8偏转，由此可使车轮的平衡位置升高或降低-这便是车轮悬挂高度的调控过程。

在图3所示结构中，内转子外圈及外转子内圈共设置了3对凸起挡块，相应地安装了3只弹簧，其意义在于：由于螺旋弹簧是沿圆周方向弯曲放置的，会产生较大的径向张力，当采用一根弹簧时，张力最大，易使弹簧的某段磨损断裂；再有，因内转子与外转子之间的空间有限，难于放置直径较大的弹簧(弹簧中径多在Φ60左右)，致使该悬架的承载能力不足。

当采用3只弹簧分段放置时，前述径向张力被分散，这可使弹簧的抗磨性显著提高。再有，这3只弹簧被分段间隔放置后，在力学关系上呈并联状态，(形似串联，实为并联)，这可使悬架的承载能力提高3倍，满足了实用性要求。

若增加分隔的段数，承载力及抗磨性均会提高，但弹簧的缓冲行程相应减小，舒适性变差。一般说来，3吨以下的载人车辆宜采用3段分隔，6吨左右的货车宜采用5～6段分隔。

上述悬架的重要功能是能主动调控车轮的悬挂高度，其调控范围应能满足全路况汽车所应具备的几个主要行驶状态的技术要求：

当汽车处于越野车状态时，一般要求车底的离地间隙在250～350mm，某些军用吉普的离地间隙甚至达到400mm；再计及车轮的下向缓冲行程150mm(理论低限为103mm)，也即要求车底至轮胎下缘的可能间距为500mm。

当汽车在良好路面行驶时，可将车底间隙调整到100mm左右，在高速路上可减至50mm，这可使汽车的重心降低，提高稳定性；另外，如前所述，此时的悬挂刚度较小，可使舒适性进一步改善。

当汽车在水中浮渡时，为减少轮胎的竖向及逆向划水损耗，提高轮胎的划水效率，应使车轮尽量上移，以能接近“明轮”状态，起码应使车轮的轴心能高出水面。

当车重在3吨左右时，车身的吃水深度约在350mm左右，而车轮的外径多为700mm，也即此种状态下车底至轮胎下缘的距离为零。

综上分析，全路况汽车的车轮悬挂高度的可调控范围应在500mm左右。

当主摆臂8的“O₁--O₂”间距为400mm时，对应500mm升降范围的角位移量为87度左右，依主摆臂的初始安装角不同而有所不同。

前文已述，为能满足当代汽车的技术要求，前悬架的转向系采用了由拉杆1，十字轴2和3等低副构成的“空间杆系”，此“空间杆系”的传递函数为非线性，且存在死角，并因此制约了主摆臂的可升降范围，一般情况下难于超过90度-而这也恰好可以满足前述主摆臂的角位移量在87度左右的实用要求。(“991091485”号专利申请中的悬架结构是线性系统，摆臂升降角不受限制，但因实用上的严重缺陷而被放弃)。

上述“转向、驱动轮悬架”可用于全车四只车轮的悬挂，这将是一种‘全轮驱动，全轮转向的全路况汽车“，此种车型是汽车中的上品。

在多数情况下，上述悬架仅被用于前轮悬挂，而后轮则使用“没有转向机构”的“驱动轮悬架”。

图5便是后驱动轮使用的“主动式纵摆臂独立悬架”的主视图，从图中不难看出，它所使用的主摆臂、内摆臂、丝杠、丝母以及内转子、外转子均与“前悬架”通用，且联接方式相同，只是没有了转向拉杆、主销等转向构件，因此，它实质上仅是“前悬架”的一种简化。

本车在多数情况下，是依靠车轮行驶的，而车轮无法通过的路段主要分布在公路的低凹段及“风口”处，长度多在1公里左右，我国的内蒙、青海、西藏等广大地区基本如此，履带在本车上是“自救性行走工具”，因此，履带在平时则藏于车身下部的履带仓内。当该车驶遇深泥、雪、沙等车轮不能通过的路况时，则将履带放下，并使车轮的悬挂高度与履带保持一致，见图8；此时可单独由履带驱动即可，车轮仅起稳定车身的支撑作用，此种切换式驱动，简单、可靠、实用，而若采用“轮-履混合驱动”，则需在传动系配置“轮-履轴间差速器”，因结构较复杂不适合民用车辆采用。

再有，由于受到车身长度，轴距等实际因素制约，本车的履带长度也受到限制，见图8；当车身长为5m，履带接地长则难于超过1．5m，仅相当于坦克的1／3；但由于汽车的车重也仅及坦克的1／10甚至是1／15，所以，这副短小的履带却可以使汽车的单位底压低到30Kpa左右，明显低于轻型坦克60Kpa的底压，也因此使该车得以通过目前坦克均难以通过的深泥沼泽。(目前能在深泥沼泽上使用的交通工具是一种超长超宽的履带车，履带长为8M、宽1M，车的俗名叫“泥里爬”，该车的履带底压为28Kpa)。

因本车履带的使用概率较低，且不会在硬质路面使用，因此宜采用轻质的尼龙注塑链板，又因履带仓的深度多在300mm左右，履带驱动轮的节圆尺寸也受到限制，所以，链板以“双销短节距”的结构形式为宜。

履带的升降调控则比较简单，仅需要调控承重轮的悬挂高度，即可完成对整个履带的升降，而履带驱动轮则是刚性安装的-即“无悬架悬挂”，见图8。

图6是履带承重轮所使用的“主动式纵摆臂独立悬架”的(内)侧视图，因履带承重轮是从动轮，所以主摆臂仅仅是个摆臂即可，又因履带承重轮均是多只相邻排列使用，且悬挂高度相等，升降调控也同步进行，因此，可将同一侧履带承重轮的内摆臂安装在一根丝杠上。

图7是图6所示结构的进一步简化，在此结构中又去掉了颇为复杂的“内、外转子加弹簧”的结构方式，并使内摆臂与主摆臂刚性联接，用长滑杠代替长丝杠，并将缓冲弹簧套在滑杠上，长滑杠从间隔设置的若干个支座20内穿过并能在支座20内沿轴向滑动，在滑杠上间隔固定有内摆臂限位挡块18，及弹簧限位挡块19。拉动长滑杠使其沿轴向位移；即可同时调控多只承重轮的悬挂高度，由于每只承重轮的内摆臂限位挡块18及弹簧限位挡块19是相互独立的，所以承重轮的缓冲跳动也是相互独立的-也即，该最简结构依然是“主动式纵摆臂独立悬架”。

图面说明：

图1是“转向、驱动轮”使用的“主动式纵摆臂独立悬架”的主视图。

图2是图1的C-C视图，

图3是图1的A-A视图，

图4是图1的B-B视图，

图5是“后驱动轮”使用的“主动式纵摆臂独立悬架”的主视图，

图6是履带承重轮使用的“组合式、主动式纵摆臂独立悬架”的侧视图，

图7是另一种更为简化的“履带承重轮组合式、主动式纵摆臂独立悬架”的侧视图，

图8是一种二厢式全路况汽车的外观简图。

在具体实施过程中，还需要解决悬架与车身；悬架的转向机构与车内转向系；悬架升降机构的驱动与控制等诸多问题：

汽车悬架是缓冲、消化、吸收路面冲击的主要部件、传统悬架与车身配接时均采用空间多点受力的安装结构，而本悬架为能与水密性的汽车底盘相配接，则只允许有一个安装部位，即内转子的轴承支撑；为了提高悬架的抗冲击能力，应使用2～3道轴承支撑并需分段设置，图5中的轴承17便是在内转子的端部设置的一道支撑；由于内转子的转动范围很小，并允许有适量的湿性阻尼，加之内转子直径较大，多在200mm以上，且其设在车身边侧上的支撑还需防水渗入，故此，这几道轴承应使用按“过渡配合加工，手工研磨后装配”的滑配轴承。

再有，传统汽车转向系中仅有一个转向机，联接一根拉杆即可完成对左右两只车轮的转向操控，由于本悬架的结构特点，无法使左、右车轮的转向机构按照传统方式“拉手互联”，这就需要在方向盘下的竖轴上加装一个齿轮，与之啮合的另一齿轮则带动一个附加的转向竖轴，两根转向竖轴各自联接一个转向机，两个转向机分别去操控左、右车轮的转向拉杆，见图1；

由于这对齿轮位于具有大传动比的转向机之前，因此其齿间侧隙及抗冲击性对转向系精度的影响大为减少，只及转向机下游部件的1／24，可忽略不计。

在本项发明中，对车轮及履带悬挂高度的升降调控是本项发明的核心内容，也是本汽车能全路况行驶的关键手段，因此，对悬架升降机构的驱动与控制便成了本项发明中附加的重要内容，对悬架升降机构的司控，实际上就是对悬架升降机构中的丝杠的司控，以电机拖动最为简便，当车轮的升降速度设定在100mm／s时，司控电机的功率为500W／轮／吨；为简化驾驶本车的操做，宜配合程控手段，预先设定车轮及履带在各种状态下不同悬挂高度的对应数值，在丝杠轴上设置计数光盘，通过数字比较电路完成对丝杠电机的控制，当采用八位二进码比较器时，车轮悬挂的定位精度为±1mm。

再有，前轮定位是一组影响汽车性能的重要参数，而这又均是由前轮悬架的结构来确定的，其中前束及外侧角，主销内倾角等三个参数的设定与传统汽车相同，唯有主销后倾角因与斜臂15的斜度相关而略显区别：见图2，斜臂15的斜度一般在45度左右，其设定原则是使上摆臂7在主摆臂8的升降跳动的全动态范围内，不构成对主摆臂8的限位，斜度的大小与主摆臂的初始安装角及斜臂的轴心距“O₂-O₄”的长度有关；其中，主摆臂的初始安装角系指主摆臂在限定的最下位时，轴心距“O₁-O₂”与铅垂线的夹角，用几何做图法可求出该斜度的最佳角度。又因“O₁-O₂-O₃-O₄”为一平行四边形，所以该斜度等于“O₁-O₃”的斜度。

主销后倾角的设定原则与传统汽车理论相同，是独立设定的参数，与斜臂的斜度无关，但由于主销是安装在与斜臂成为一体的主销架上，于是在结构上互为依存；斜臂15相对于主销轴线的结构斜度等于前述理论斜度减去主销后倾角。

在图2所示结构中，斜臂15的斜度为45度，主销后倾角为2度，结构斜度为43度；主摆臂初始安装角为30度。

Claims (2)

1、这是一种全路况汽车，属于汽车制造领域，这是水陆两栖且为轮、履兼备的全路况汽车，它使用一种“主动式纵摆臂独立悬架”，可大幅度独立升降调控车轮及履带的悬挂高度，并能同时改变悬挂刚度及阻尼，此悬架能与水密的刚性汽车底盘相配接；

该悬架有一个由传动齿轮箱兼做主摆臂(8)，上摆臂(7)，主销架(4)等专用件以及齿轮，传动轴，万向节等通用件所构成的“主摆臂机构”；

还有一个由内转子(13)，外转子(10)等专用件以及弹簧，阻尼脂等通用件所构成的“缓冲、减震、升降机构”；

还有一个由外转向拉杆(1)，由柄(14)等专用件以及主销(5)，叉指节臂(6)，轴头、轮毂等通用件所构成的“转向操控机构”；

以上内转子(13)与主摆臂(8)刚性联接；

其特征在于：

它有一个外转向拉杆(1)，其一端通过十字轴(2)与安装在车身上的曲柄(14)相联接，另一端通过十字轴(3)与一个“能随主销(5)及主销架(4)绕轴心O2转动一定角度的叉指节臂(6)”相联接；

当方向盘操控曲柄(14)摆动时，可带动拉杆(1)使叉指节臂(6)绕主销(5)偏转，继而使车轮偏转；

其特征还在于：

它有一对带有长形滑槽的内摆臂(9)，其一端与丝杠(12)上的一个带有轴销的丝母(11)相联接，另一端与外转子(10)的外壳相固定；

在外转子(10)的内圈及内转子(13)的外圈有3～6对相互对应的凸起挡块，挡块之间装有弹簧，当丝杠(12)转动时，可使丝母(11)沿轴向移动，继而带动内摆臂(9)摆动，并使外转子(10)转动，再经弹簧推动内转子(13)，并使与内转子(13)刚性联接的主摆臂(8)绕轴心O₁转动，由此可使车轮的悬挂高度发生变化；

当车轮受到路面冲击时，经主摆臂(8)使内转子(13)转动，继而推动弹簧，但由于丝杠(12)与丝母(11)自锁，内摆臂被丝母(11)限位，致使弹簧不能推动与内摆臂(9)固定在一起的外转子(10)，由此迫使弹簧压缩或回弹，从而实现了对车轮的缓冲；

2、由权利要求1中所述的悬架，当用于多只相邻排列的履带承重轮时，可将多只内摆臂组合在同一根长丝杠上，其特征是：多只相邻排列的履带承重轮的多只内摆臂通过多只独立的丝母与同一长丝杠相联接。

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