轻型卡车轻量化独立悬架的开发

　　卡车一般需要有效地实现人员和物资的安全运送，其运载效率通过可用空间与整车尺寸、负载量与总重量的比率来衡量。但是行业对于卡车的尺寸和载重量有着严格的限制。传统卡车底盘具有较大的簧下质量，在不平坦路面行驶时与车轮相互作用，舒适性较差。较大体积的卡车多采用梯形支撑框架，但其没有合适的载荷施加点来吸收侧向力。新项目实现了轻量化底盘设计（超轻型卡车底盘，ULTC），其具有中心管和独立悬架，重量范围为5.5至12吨车辆N2级，带有4×4底盘，适用于各种车轮底座。与轴支架解决方案相比，独立车轮悬架降低了簧下质量。簧下质量与簧上质量比值的降低可有效医生驾驶舒适性。此外，在车轮动态负荷受到道路的不利影响时，独立的悬架结构可减少簧下质量，降低驾驶者承受的垂直应力，从而提升舒适性。
　　
　　车型类别的选择
　　
　　关于ULTC项目车型的类别，工程师选择了载重12吨的卡车，并测试了多种驱动形式车型，如6×6和4×2，从而确保新方案适合平台化系统开发。
　　
　　轻量化
　　
　　研究者将传统的大量空间的重型梯形框架优化为中心管架结构。由于中心管架允许很大的惯性力矩和截面模量，从而实现高弯曲和扭转刚度。同时，需要采用强度较高的材料，如高强度钢、TRIP 钢（拉伸强度为780N / mm2，断裂伸长率为21%）。中心管架结构如图1。 　　两个纵向构件横向布置在中心管上方，以结合驾驶舱、车身和其他结构件。此外，纵向构件的后部可调节，从而省略附加支撑框架，底盘和车身直接通过中心管连接。中心管框架可实现整体构造，如图2所示。驱动器铰接，最大铰接角度保持低于驱动轴的角度，不会出现增加的磨损。中心管架上的车轮悬架双叉臂如图3所示。最后通过限元法（FEM）、拓扑优化和Ansys V12进行计算和优化。 　　动态结构设计
　　
　　设计方面，需要重点考虑坚固性和使用寿命，例如轮胎的磨损。车辆运动时，轮胎弹性变形以抵消振动。在转向时，转向角应尽可能小，以减少轮胎在路面上的磨损。为了实现这个目标，上叉臂设计得比下部短，并具有正倾角，使得压缩阶段期间弯度为负并且在回弹阶段期间为正。侧倾中心靠近路面，驱动轴的铰接角度减小。为了增加道路间隙，下叉臂平行于路面。因此，对于全轮驱动车型，实现了轴下方429mm的离地间隙。压缩和回弹状态的结果显示如图4。 　　轻量化设计结构验证
　　
　　该项目设计车型为5.5-12吨（车辆类N2，车辆总重量等级高达12吨）重型车，4×4底盘，如图5。其整备质量约为5150千克，与具有传统4×4底盘和刚性车轴的N2级车辆相比，这意味着平均重量减轻了4%-6%。此外，尚许多零部件未优化，例如车轮安装、转向部件及齿轮箱，因此轻量化的空间还将更大。根据有限元分析，框架还可以更轻。这个独立悬架项目的一个重要目标是簧下质量：ULTC的单轴非簧载质量为436千克（包括叉臂，车轮安装，制动器，传动轴，活塞弹簧，减速齿轮，完整的转向系统，无车轮。）对这种独立车轮悬架和类似的刚性轴系统减轻了约20%。除了轻量化，该结构还有很多优点：
　　
　　采用液压气动系统，不需要稳定器。
　　
　　车轮可以单独压缩，不会相互影响。
　　
　　独立车轮悬架可以更好地安装在多功能车或厢式车中。
　　
　　随着侧倾中心的位置变化，可对侧倾动量产生影响，与刚性轴相比，运动学设计选项有所增加。
　　
　　独立的车轮悬架及液压气动系统提高了舒适性，也降低了簧下质量。基于传统平台的模块化系统设计，除了转向部件以外可不改变其他零件，如前后桥等。因此，该系统设计可适应多种类型的底盘。
　　
　　小结
　　
　　除了空气弹簧外，传统卡车弹簧悬架的压缩行程较小，难以适应各种负载条件。独立车轮悬架的开发很好的解决了这个问题。传统刚性轴类悬架结构简单，成本低；但其簧下质量高达常常高达750kg（不含车轮），且主销倾角、车轮前束、轮距等仅可在设计范围内配置。相比之下，独立车轮悬架虽设计复杂但具有轻量化和低成本的优势，并且车轮悬架尺寸不受限制。车轮彼此之间不会相互影响，整个差速器不参与压缩运动，显著减少了簧下质量。此外，独立车轮悬架由于传动轴和支架不参与压缩和回弹运动，所需空间小于板簧悬架。中心管框架将允许更大的离地间隙（全轮变速），进一步改善装载高度。