自卸车底盘设计特点分析／桑臻如 ｄｏｉ：ｌ０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００５—２５５０．２０１２．０３．００８ 计 勰 自卸车底盘设计特点分析 桑臻如 （东风汽车有限公司东风商用车技术中心，武汉４３００５６） 摘要：根据自卸车使用工况，分析了自卸车底盘的主要性能和设计特点，提出自卸车底盘应具备良好的动力性、承载 性能、路况适应性、改装适应性、地区及功能适应性等，并分析保证上述性能的底盘匹配及相应的系统设计特点。 关键词：自卸车底盘：设计特点 中图分类号：Ｕ４６９．４ 文献标志码Ａ 文章编号：１００５—２５５０（２０１２）０３－００２７—０５ Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｅｓｉｇｎ Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｎ Ｄｕｍｐ Ｃｈａｓｓｉｓ ＳＡＮＧ Ｊｉｎｇ—ｒｕ ｆＤｏｎｇｆｅｎｇ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ（）ｆ ＤＦＬ，Ｗｕｈａｎ ４３００５６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｕｍｐ ｃｈａｓｓｉｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉ— ｌｉｏｎ ａｎｄ ｉｔ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ、ｂｅａｔｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ、ｒｏａｄ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ、ｍｏｄｉｉｆｅｄ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｇｉｏｎ ａｄａｐｔａｂｉｌ— ｉｔｖ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｎｅｅｄｅｄ ｆ０ｒ ｔｈｅ ｄｕｍｐ ｃｈａｓｓｉｓ ａｎｄ ｉｔ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｓｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｆｃａ— ｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｕｍｐ ｃｈａｓｓｉｓ；ｄｅｓｉｇｎ ｆｅａｔｕｒｅ 随着国民经济持续良好地发展，尤其是国家 等，主要行驶于二级以下公路或非公路地区，如工 对基础设施建设投入的逐年加大，使得各类自卸 车近年来呈现出爆发式发展。根据中国汽车工业 协会自卸车统计数据显示 Ｉ，２０１１年上半年自卸 车累计销量为２４２ ３８７辆。自卸车一般由于其使 用路况和工况较差，且装载质量较大 需要车辆具 地、矿区、山区及丘陵地带，地形条件多为长坡、陡 坡、多弯，由于运输物质质量大，路况较差，需要车辆 具有良好的动力性，以适应爬坡、重载的需要。这类 车型的常用车速都在４０～６０ ｋｍ／ｈ（等级道路）或１０～ ３０ ｋｍ／ｈ（矿区），最高车速７０～９０ ｋｍ／ｈ左右。 １．１ 发动机低速扭矩对动力・眭的影响 自卸车的运行工况对车辆的动力传动系统提出 有良好的动力性、承载性、可靠性、路况和环境适 应性、改装适应性等，对底盘的性能要求具有一定 的特殊性，其底盘设计具有自身的特点。近年来随 着国家治理超载力度的加大，节能减排的影 响，以及区域销售的特点日益突出，自卸车既要进 一了较高的要求，由于重载、路况差，且发动机经常运 行于低转速区，要求发动机最大扭矩满足动力匹配 需求，最大扭矩范围较宽，并且低速扭矩大，以适应 重载低速爬坡的动力需求，并以充足的后备功率适 应路况差的要求 步提高对各种恶劣环境的适应能力，又要对保 护公路和环境做出积极贡献，在设计开发中出现 分类化特点，出现了如轻量化自卸车底盘、公路型 通过对某款自卸车匹配两种性能不同的发动 机，来分析发动机低速 １￣６Ａ对整车动力性影响。其 ＇中，发动机Ａ在ｌ ０００ ｒ／ａｒｉｎ时扭矩为５８０ Ｎｍ，发动 机Ｂ在１ ０００ ｒ／ｍｉｎ时扭矩为６５０ Ｎｍ，两款发动机 最大扭矩相当 匹配两款发动机的变速箱和后桥速比 相同。由图１分析表明：当发动机转速为１ ０００ ｒ／ｍｉｎ， 变速器为二挡时，匹配发动机Ｂ的爬坡能力优于Ａ： 二挡起步加速至５０ ｋｍ／ｈ时，匹配发动机Ａ的加速 自卸车、工地型自卸车等细分类型，自卸车底盘设 计也呈现出一些新的特点。 １ 良好的动力性是自卸车的基本性能需求 自卸车多用于运输土石方、砂石料、煤炭、矿石 收稿日期：２０１２－０２—０２ ・２７・ 浚｝誊 究 时间长于发动机Ｂ，说明发动机Ｂ的加速能力优于 Ａ。匹配整车的低速段动力性Ｂ机明显优于Ａ机。 一 ６ ４ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ ０ 一 发动机Ａ 二挡１ｏｏＯ／ｒ／ｍｉｎ最大爬坡度 ５４ ５３ ５２ 壶５１ 营５０ 掣４９ ４８ ４７ ４６ 二挡起步加速至５０ ｋｍ／ｈ加速时间，ｓ 图１ 两种发动机对动力性的影响对比 １．２变速箱及离合器总成对动力性的影响 由于使用工况较恶劣，反应离合器传递发动机 最大扭矩的可靠程度的离合器后备系数是自卸车离 合器有别于同等总质量的载货汽车和其它车型的关 键参数。如果后备系数选择过小，不能可靠地传动发 动机的最大扭矩，由于自卸车重载起步冲击较大，容 易造成离合器打滑烧蚀等故障：如果后备系数选择 过大，则不能有效防止传动系过载，并且易造成操纵 沉重 据相关离合器厂家推荐的离合器后备系数如 下：自卸车２．２～３．０，中、重型货车１．７～２．１。 为提高车辆的动力性和经济性，使得车辆在低 速重载时具有高动力性，空载回程时具有较高车速， 变速器速比范围要求渐宽，变速箱趋向多挡化，目前 市场上４ｘ２工程车已用到８或９挡箱。变速箱速比 的选择方面，一般来说，从满足动力性和最高车速的 设计要求考虑，用于较差路面和使用工况下的自卸 车，宜采用直接挡变速箱：用于路面较好地区，为提 高最高车速，可采用超速挡变速箱，而直接挡变速箱 最高挡传动效率高，可提高车辆燃油经济性，故如果 可以采用较小速比的后桥，来达到提高最高车速的 目的，采用直接挡变速箱也是不错的选择 。 某车型由８挡箱升级９挡箱的整车动力性、经 济性分析见图２，匹配９挡变速器的爬坡能力、百公 里油耗均优于８挡变速器，说明采用９挡变速器后 ・２８・ 汽车科技第３期２０１２年５月 整车动力性和经济性均得到改善。 ３０ 冰２Ｏ 藿ｌ０ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 挡住 ｇ ４０ 言３０ ０ ５ ２０ １０ 懊０ 图２ 匹配两种变速器对整车性能对比 １．３ 动力性提升对后桥的影响 由于超载及路况较差，为使车辆具有良好的动 力性，匹配传动系统时后桥输出扭矩往往用到极限， 容易造成后桥的损坏。随着变速箱挡位的增多，速比 范围加宽，后桥输出扭矩逐步放大，后桥动力输出负 担加大，而如果迫于成本和竞争的压力，不考虑后桥 容量问题，往往带来传动系统匹配的矛盾，为后期的 齿轮打齿故障埋下隐患 另一方面，自卸车运行在较差路面上（如土路、 砂石路面），其滚动阻力系数较大，相对于良好路面 来说大大增加了车辆的滚动阻力，起步时要求短时 间内增大驱动力以克服道路阻力，对后桥齿轮的冲 击加大，这也加剧了后桥齿轮的损坏情况发生。市场 上曾发生用于装载挖沙的车辆起步时发生后桥打齿 的情况，该工况提高了对车辆低速动力性及齿轮强 度的要求。 ２良好的承载性 自卸汽车经常存在超载现象、而且路况较差，对 车辆承载系统提出了更高的要求。为解决市场上经 常发生的钢板弹簧断裂现象，加强承载能力，板簧设 计时通常通过增加片数、增加单片厚度和宽度未增 加板簧的强度，这同时也意味着板簧刚度的增加，对 整车平顺性的影响是不利的。为满足对整车平顺性 的需求，以及空间尺寸的，板簧的增强不可能是 无的 车架作为车辆的主要承载体，要求具有良好的 强度，车架设计常通过增加纵梁断面高度、增加材料 自卸车底盘设计特点分析／桑臻如 厚度来加强强度，多采用双层纵梁形式，有的在车架 高应力区增加加强板。 轮胎通过增加尺寸、层级、气压来提高负荷能 力。轮胎尺寸的增加往往会增加布置上的困难，车 轮轮跳空间、轮胎与板簧间隙、后轮处整车外宽尺 寸，都是需要考虑和关注的问题。一些用于山 区的车辆，由于经常在弯道上行驶，重载、路况差 加剧了后桥壳的变形，出现悬架Ｕ型螺栓和后轮 胎单边距离近的问题，甚至发生刮破轮胎的问题。 在重载车型上采用铸钢桥壳代替冲焊桥壳，提高 桥壳的刚性，有利于减少桥壳发生变形以及相应 问题 ３ 良好的路况适应性和环境适应性 ３．１ 路况适应性 由于自卸车行驶路面较差，需要车辆具有良好 的通过性．即要求车辆具有一定的接近角、离去角、 最小离地间隙、纵向和横向通过半径，整车布置时需 要使上述指标得到保证。路面飞溅的石子容易击打 水箱及风扇．造成水箱和风扇的破损，所以在布置时 希望水箱和风扇具有较大的离地间隙，而水箱和风 扇的抬高往往容易受地板高度的。为避免石子 击打造成的损伤，通常在水箱前方增加防护栏。水箱 及防护栏的布置容易影响车辆接近角和最小离地间 隙，需要布置时注意。对油箱、消声器、贮气筒等容易 影响离地间隙和车辆纵向通过半径的部件布置也应 加以注意。 轮减桥由于桥壳尺寸小，有助于增大车辆最小 离地间隙和横向通过半径，在路况差的地区具有更 好的通过性 轮减桥的轮间差速锁可以充分利用左 右驱动车轮的附着力，保证转矩在驱动车轮间的不 等分配以提高抗滑能力，提高汽车牵引力，提高车辆 在恶劣路面上的通过性。 对于不同路面和使用要求，应选择相应的轮胎 花纹。对于工地或混合路面，可采用横向花纹或混合 花纹，提高轮胎的附着力和抗磨损能力：对于主要用 于公路运输的自卸车，可选择纵向花纹，以减小滚动 阻力，降＇ｆｋ￣，Ｅｂ耗 ｊ。如果选择不当，比如采用横向花 纹轮胎的自卸车用于良好路面运输使用时，由于车 速较高，可能会出现轮胎花纹异常磨损的问题（见图 ３）。对于经常运营在良好路面上的公路型自卸车，更 适宜采用子午线轮胎，适合车速较高的使用工况，并 究 且其滚动阻力小，可降＇ｆｋ￣，Ｅｂ耗。 图３轮胎花纹的异常磨损 随着车辆载荷的增加，车辆配置向大马力发动 机、多驱动轴发展，但是由于地形条件的，在多 弯的山路和丘陵地区又需要转向直径小、机动性较 好的４ｘ２车型，两轴车与三轴车底盘相比，成本相 对较低．结构相对简单，相应降低故障率及提高可靠 性。由于自卸车的路况较差，振动加剧，对零部件可 靠性要求较高。 ３．２环境适应性 自卸车由于车辆工作环境较普通车辆恶劣，道 路条件差，车辆经常处于重载甚至超载状态，发动机 经常在低速、全功率、大扭矩工况下工作，经常处于 大负载工况 故对散热性能要求较高，通常设计时通 过加大散热器面积或风扇直径来增大散热性能，但 是这容易受到布置空间的。 在工地多灰的工作环境里，往往要求进气系统 带有废气引射功能，可延长空滤使用寿命，避免发动 机过早磨损 并且提高维护方便 性。 ４改装适应性 自卸车底盘由于其专用性质，需要在设计时考 虑上装的布置需求和用户使用需求，做出相应调整。 ４．１ 取力器、淋水器的布置空间 取力器的布置空间（见图４）是自卸车底盘必须 要考虑的问题，由于一般是变速箱取力，常见问题是 消声器如果布置在车架下翼面，如果与取力器布置 在同侧，容易与取力器布置发生矛盾，这需要在设计 时注意消声器的布置走向，尽量避免和取力器布置 在同一侧 现在有些变速箱开发出两侧都可安装取 力器的结构形式，较好地适应了不同发动机及消声 ・２９・ 汽车科技第３期２０１２年５月 器的布置需要。也有采用箱式消声器布置在车架外 侧来避让取力器布置空间问题。有时为解决取力器 ４．２底盘部件的布置对上装的影响 底盘驾驶室后围处的部件如空滤、进排气系统 管路等的布置，要求为车箱的布置留出尽可能多的 布置空间的问题，采用排气管路横跨车架的方式，将 消声器布置到车架另一侧，该设计的问题是排气管 路往往位置较低，影Ⅱ向通过性，而且管路拐弯增多， 排气阻力增大 空间，使得车箱布置可以尽量向前，这对于提高车架 可利用长度、满足用户的箱长要求以及轴荷合理分 配都是有好处的 备胎的布置也要考虑是否影响改装，备胎如果 布置在车架侧面，往往会占据淋水器的布置空间，所 以现在一些自卸车常将备胎布置在底盘后悬处 将 备胎布置在底盘后悬处，需要校核车箱举升时车箱 是否与备胎干涉，或者备胎是否影响货物的倾卸．一 自卸车由于重载、山区及恶劣的使用工况，制动 频繁使用，为避免制动鼓过热、制动衰退现象发生， 用户在自卸车上加装淋水器为制动鼓降温的情况 非常普遍（见图４）。淋水器的布置需要在底盘侧部 占据较大空间，需要底盘其他部件布置得比较紧 凑。而由于自卸车中举式举升机构的位置占据了 些后悬较短的自卸车，如６ｘ４、８ｘ４自卸车，往往后 悬处无布置备胎的空间，而将备胎安装在车箱前板 前（与前顶举升油缸并排布置），这对于备胎的装卸 使用不是很方便 车架中部的一些空间，储气筒往往需要布置在车 架外侧，加上油箱、蓄电池等，轴距以内的车架外侧 空间较为有限，所以短轴距车型的淋水器布置空间 比较紧张。 ４．３车箱举升方式 目前中型自卸车采用中顶举升方式较多，中顶 举升方式的举升机构会占用底盘中部的布置空间， 要求车架横梁在布置时需要校核举升机构的布置空 间。部分横梁需要低于车架上平面布置，这样有利于 降低车箱副梁高度及降低整车重心高度，提高行驶 稳定性。前顶的举升稳定性较好，超载可靠性好，多 用于箱长５ ５００ １Ｔｌｌ＇ｎ以上的车型，它对底盘的布置 要求相对较少，但是布置前顶会使车箱后移３００ ｍｍ 图４取力器、淋水器的布置空间 左右，质心会略后移。举升方式性能对比见表１。 表１ 举升方式性能对比 举升方式 优 一点 １、稳定性好 ２、超载 靠性好 ４、匝心低 、缺点 推荐适用范闹 前举 ｌ、成本略岛 车箱内长２＞５ ５００ ｉＹｌｍ： ３质心略靠 ，● 厢比前举后移３００ Ｉ｝１［１１ 对底盘布置空问要求小 或装载质量＋车箱箱体ｆ １霞＞３５吨 、左右 Ｉｔ１举 １、成本略低 ２质心略靠前 、１、稳定性不好 ２、超载可靠性小好 ３、需要底盘卒Ｉ＇ＨＪ布置油缸 ４、重心高 车厢内长≤５ ５００ １１１１１１： 或装载质量＋４ 箱箱体ｒ１ ≤３５ 吨 ４．４箱长与轴距的匹配 悬的底盘，车箱改装的长度不是可以随意增加 的。如果箱长匹配过短，底盘改装空间就没有得 车箱箱长与底盘轴距匹配是否合理会对轴荷 产生一定影响，并影响整车性能。如果车箱长度 过长，重心过度后移，上坡时容易造成翘头，且前 到充分利用，有时也会造成空车重心较靠前而产 生一些问题，比如在湿泥坡道路面上，由于湿土 轴负荷过轻，引起转向发漂，甚至失去转向带来 危险，质心后移也容易形成过度转向，操纵稳定 性变差，带来安全隐患，所以对于一定轴距和后 路面附着系数较低及空车后轴荷较小带来后轴 附着力不足，无法克服坡道阻力，发生空车上坡 驱动轮打滑的问题。 ・３０・ 自卸车底盘设计特点分析／桑璨如 ５地区及功能适应性 由于不同区域和用户对自卸车的使用要求不 同，如山区和平原地区，及主要用于公路运输或工地 运输的车辆，对自卸车设计提出了适应不同区域和 用途的设计需求，如对承载系统区分出轻量化和重 载型，对动力系统区分低速动力型和高速经济型。 一方面．对于一些平原地区市场或主要用于公 路运输的车辆，路面相对较好，多为等级公路，要求 车辆轻量化、低油耗、车速较高，最高车速可达９０～ １００ ｋｍ／ｈ 车辆对动力性要求相对较低，经济性要 求相对提高。根据法规要求，商用汽车的总质量受 到，减轻整备质量就意味着可以提高装载质 量，即增加了载质量利用系数。汽车质量减轻，意 味着燃油消耗的降低，有利于提高运输效率、降低 运输成本。由于这些地区对超载较严，底盘和 上装都需要轻量化设计，车箱的边板、底板料厚都 可以适当减薄，底盘的承载系统如车架、板簧可以 进行轻量化设计。高强度钢板大梁、铝合金材料油 箱得以应用，零部件在保证强度和刚度满足使用 要求的前提下，采用ＣＡＥ分析手段优化结构，采 用轻量化设计。 另一方面．对于主要用于工地及短途运输或 用于山区市场的车辆，属于重载型，路况较差，对 动力性要求较高，最高车速一般７０～８０ ｋｍ／ｈ。通过 性要求相对较高，承载系统要求坚固耐用。车架、 板簧等承载系统需要加强型设计，车箱料厚也相 应增加。 同样的车辆，用途不同，装载物质不同，也带 来承载的很大差异，如运煤的车辆相对较轻，而 沙石会重一些，如果是矿石特别是铁矿石，重量 会大大增加。如西北运煤市场需要轻量化车型，而 用于砂石料运输对车辆的承载系统会有加强的要 求。比如同样对于５５００ ＩＴｌｍ￣２３００ ｌｑｌｍ￣８００ ｍｌＴｌ （长Ｘ宽×高）的车箱，运输货物不同，其货物质量 差异较大，见表２。 表２不同货物质量差异 物料名称 堆密度／ｔ・ｍ 货物重量／ｔ（对应５ ５００ｘ２ ３００￣８００车箱） 娴煤 Ｏ ８ ８．１ 细砂（干） １．４～１．６５ ｌ５ ２ 细砂（湿） １．８￣２．１ ２０－２ 赤铁矿 ２．０—２．８ ２５－３ 瓣 究 ６人性化设计 近年来，随着技术进步和用户对工作环境的改 善要求，低成本的自卸车配置也在不断提升，新一代 自卸车在舒适性、使用便利性方面取得了很大进步， 人性化设计得到更多体现。美观大气的车身造型、流 线型仪表，驾驶室人体工程学设计，配备空调，令工 作环境更为舒适：浮动式驾驶室、气囊减振式座椅， 改善乘坐舒适性：可翻式前罩，ＣＡＮ总线组合仪表， 电动车窗、中控／电动门锁，油箱锁、点火锁、车门锁， 三锁合一，电动后视镜等，为使用和维护带来更多便 利 ７ 结束语 随着自卸车销售区域的增多，以及地域、用途、 用户需求的不同，市场需求进一步细分，如主要用于 公路运输的自卸车与主要用于工地的自卸车底盘， 以及用于平原地区和山区的自卸车底盘的设计需求 明显不同。对于差异化需求应有差异化设计，不能一 种配置打遍天下。对于某地区用户反映的问题要全 面考虑其使用区域、使用特点，是否具有普遍性和代 表性，根据区域特点合理开发和销售车型，逐步丰富 产品系列，尽量避免因车辆使用不合理带来的赔偿。 随着技术的不断进步和发展，模块化、集成化、轻量 化、人性化、环保化、智能化设计理念的逐步应用，自 卸车设计也必将不断呈现出新的特点，在车辆的可 靠性、工况适应性、安全性、舒适性等技术提升上不 断前行。 参考文献： 『１］中国汽车工业协会．２０１１年１—６月自卸车市场分析［Ｒ］． ２Ｏｌ１． ［２］黄松，史建鹏．越野汽车动力总成匹配仿真研究［Ｊ］．汽车 科技：２００８（５）１５—１７． ［３］刘惟信．汽车设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００１． ・３１・
