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2008年(第30卷)第9期
汽车工程
Automotive Engineering 2008(Vo1.30)No.9
2008165
中国首批第三代越野汽车东风“猛士"的开发
黄松
(东风汽车公司,武汉430056)
[摘要】东风汽车公司通过在设计思想、设计理论与方法、技术和产品等方面的创新,完成了我国首批第三代
越野汽车——东风“猛士”的开发,其整体技术性能达到国际领先水平。
关键词:第三代越野汽车;东风“猛士”;开发;创新
The Development of Dongfeng“Mengshi”.the First of 3
Generation Off-road Vehicle in China
Huang Song
Dong]e'ngMotor Corporation,Wuhan 430056
[Abstract]Through innovations in de sign ideology,design theory and methodology,technology and prod—
uct,Dongfeng Motor Company has completed the development of the first of 3 generation off-road vehicle‘Meng—
shi’in China.with an overall technical performance reaching the leading level in the world.
Keywords:3一generation off-road vehicle;dongfeng“Mengshi”:development;innovation
打击系统,能与其它武器装备协同,有战略战役机动
月IJ吾
能力,形成作战体系的现代军车设计思想。
总装备部汽车试验场结合部队战略战术需要,
研究分析了国际各种高机动性越野汽车,建立了机
动性车辆分类和高机动性越野汽车指标论证等模型
及指标论证技术体系,用以指导东风“猛士”的研
制,保证了项目的技术先进性和可行性。
在开发过程中全面借助计算机辅助设计开发工
20世纪60年代我国完成了第一代军用越野汽
车的研制,8O年代通过引进、改造、换型和补充型
谱,完成了第二代的研制。进入21世纪后,部队为
了提高我军野战机动能力,决定依托国内整体工业
发展实力,打破国外技术壁垒,自主开发我国首批国
际第三代高机动性战术车辆系统。为此提出了很高
的战术技术指标,不仅要实现从无到有填补产品空
白,总体目标还要超过美军第三代轻型高机动性战
术车辆Humvee A2。
2002年总装备部下达研制命令,要求5年完成
研制装备部队,且基本型的国产化率要达100%。
具,运用各专业领域的计算机软件,建立整套CAE
仿真计算验证体系。在研发流程中进行设计、试制、
试验、生产、客户评价、服务维修全价值链的流程再
造,整理出科学先进的流程和管理细则,建成高机动
性越野汽车研制流程。
2设计理论与方法的创新
1设计思想的创新
2.1军用越野汽车发动机性能要求
将作为承载运输工具的军车设计思想,提升到
要具备战术机动、火力配置和防护能力(包括电磁)
的战术平台设计,要考虑搭载侦察、信息通讯、地空
高机动性越野汽车对有铺装路面加速、高速行
驶能力、越野路面起步越障能力和整体经济性都有
很高的要求,为此必须提高发动机的性能。
原稿收到日期为2008年3月18日,修改稿收到日期为2008年6月12日。
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汽车工程 2008年(第30卷)第9期
根据军用越野汽车发动机性能要求重新开发东
区别是恶劣的路面条件。根据大量的实践与探索,
风康明斯电控发动机,经过匹配开发,改变发动机万
有特性,经大量的性能、可靠性和整车匹配试验,最
终“猛士”的动力性提高、油耗下降,行驶油耗仅为
10.4L/100km,是Humvee A2油耗的2/3,整车续驶
里程提高到1 000km。
2.2操纵稳定性
提出整车扭转刚度在悬架、车架、车身三者的量化分
配比例,为提高高机动性越野汽车坏/无路平顺性、
承载能力、可靠性和轻量化提供了依据。
3技术创新
3.1零部件可靠性
东风“猛士”前后轴均为单胎,满载时后轴载荷
是前轴载荷的2倍,基本车型(长头单排软高顶)的 高机动性越野汽车标志性结构(前后大行程独
侧向风压中心靠近后轴,这种技术状态的高速稳定
性是汽车设计的难题。东风“猛士”达到了极限稳
态转向设计目标:在前轴载荷1.7t、后轴载荷3.3t
和侧向加速度0.4g以上时,转向特性为稳定的不足
转向。
通过设计方法的创新,用转向梯形矩形化优化
前轴内外轮转角差,提高转向横拉杆位置,达到了操
纵稳定性的设计目标。
2.3越野几何通过性参数系统化
结合越野汽车的统计数据和使用条件,与主战
坦克几何通过性参数建立关系,将几何通过性参数
指标的经验设计方法上升为系统性的设计方法,推
导出最小离地间隙、越障高度等计算公式,提出了确
定最大爬坡度、接近角、离去角和纵向通过角的原
则,使车辆具有最佳的几何通过性,并与随行装备协
调一致。推导出的计算公式见表1。
表1越野汽车几何通过性参数计算公式
项目 计算公式 项目 计算公式
最小离地 hl≥0.22B(轮 纵向通过 根据最大爬坡
间隙hl 距) 角口 度确定口≥31。
越障高度 h2I>0.22(B+轮 接近角
胎断面宽度/2) ',I、 ’,l> ,,,l>
最大爬坡度 根据路面附着系
离去角Y2
确定原则
化
+离去角的变
数确定为60%
2.4传动系
根据汽车实际需要和多年的探索以及实践提出
用40%坡道起步载荷进行高机动性越野车传动系
载荷设计理论,用主、被动锥齿轮疲劳寿命30万次
作为驱动桥的可靠性考核标准。在进行极限运动
(如过垂直障碍)时传动系考虑了承受冲击能力和
轻量化的要求,使“猛士”传动系承受冲击能力超过
了Humvee A2。
2.5高机动性越野汽车悬架、车架、车身扭转刚度
量化分配理论
高机动性越野汽车与其它车型在使用上的主要
立悬架)的可靠性一直是技术难点。德国著名越野
车Unimog因可靠性难以解决,没有采用前后独立悬
架。Humvee是高机动性越野汽车第一个采用前后
独立悬架的车型,但它限制了悬架的动行程,并将球
头定为易损件。限制车轮动行程增加了悬架击穿概
率,影响平顺性;减少左右车轮落差,减小附着力,影
响通过性;将球头定为易损件影响汽车的使用。“猛
士”为了突破越野行驶最大平均车速和越障能力,悬
架行程比Humvee A2加大了70mm,可靠性的焦点
集中在悬架球头和转向柱销上。
悬架上球头弹性材料为丁腈材料;下球头壳体
局部加强,减小壳体内部油槽;上下球头通过改进防
尘罩材料和紧固方式,确定公差带、铆接工艺,彻底
解决了上下球销座开裂、球头松动、防尘罩破裂等问
题。寿命比Humvee A2高2倍,彻底解决了独立悬
架的可靠性难题。
根据球面结合方式补偿间隙,增加转向垂臂和
随动臂支撑的有效距离,采用铜衬套和聚氨酯弹簧
补偿垫片,有效解决了转向柱销大载荷下的松旷问
题。悬架球头和转向柱销可靠性的大幅提高使大行
程、大承载独立悬架的可用性升级,大大提高了整车
的可靠性。
车身地板采用独特的正反帽式组合结构,与柔
性车身相适应,解决了多点悬置长宽车身悬置开裂
和松动难题。发明了桁架梁与板件结合的车身地板
结构,同时满足长头和短头车身变形需要。车身连
接以铆钉铆接和螺栓连接为主,以适应大扭转路面
使用环境。
3.2高低温极端环境适应技术
发明冷却风扇传动装置,解决了发动机散热器、
中冷器、动力和传动机油冷却器、空调冷凝器等多层
重叠斜置,迎风面积小,风阻大的发动机冷却难题,
解决了发动机曲轴扭振引起的噪声问题。东风“猛
士”高温环境温度达到55℃,比Humvee A2的46℃
提高9℃,大大增强高温环境适应性。
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2008(Vo1.30)No.9 黄松:中国首批第三代越野汽车东风“猛士”的开发 ?733?
发动机总成加装热敏陶瓷低温进气预热装置,
开发大功率减速起动机,采用低温大放电电流蓄电
池,起动机、蓄电池和预热装置良好匹配,在环境温
度一41℃时,不采取附加装置可在4min内启动,提
蔽ECU等措施,适应电磁极限环境。
3.6提高整车轻量化水平
散热器、中冷器、机油冷却器,风扇离合器、分动
器、主减速器、气泵、风扇传动齿轮箱、制动总泵、电
动绞盘等壳体,轮边减速器侧盖板,后货箱门、厢式
车身后背门、工具箱盖板等均采用铝合金材料。护
风圈、发动机罩、短头车型车门、挡泥板、发动机内鼓
高低温环境适应性。
3.3制动系统技术
由于布置紧凑,使用环境复杂,常规的真空助力
器难以满足体积小、质量轻、制动压力大、响应快速
的技术要求。开发出以动力转向泵产生的高达
包等均采用SMC材料。发动机罩为SMC片材模具
热压成形。
12.5MPa的液压油为动力源,以可控水击效应为动
力传输的液压助力器,外形尺寸仅为常规系统的
1/10,制动响应时间从0.6s减小到0.1 s。
通过采用陶瓷改性树脂基低金属配方摩擦材
料,提高行车制动器热容量和使用寿命,制动器容量
从适应整车总质量5t提高到7t,制动能力和寿命与
Humvee A2相比提高40%。
为了解决液压制动系统大坡道驻车技术难题,
发明了双级螺旋斜面的楔形摇臂结构。为防止拖
磨,制动单边间隙为0.5mm,双级螺旋斜面的楔形结
构一级斜面30。螺旋升角快速消除制动间隙,第二级
斜面12。产生较大制动夹紧力。使“猛士”的驻车制
动坡度增至40%,比Humvee A2的20%提高了1
倍。
3.4涉水泥泞路面适应技术
为适应长时间涉水、泥浆行驶,发明了轮边减速
器输入轴的三刃口双油封,防漏油与进水。创新主
减速器密封轴承,发明单端面密封型深沟球轴承,能
承受长时间泥水浸泡。主减速器、轮边减速器密封
性超过Humvee A2。
为提高底盘各总成涉水和泥泞行驶的密封可靠
性,取消各总成传统的通气塞,采用集中通气系统,
发明油气分离器,分离传动系运转后温度升高导致
润滑油挥发产生的油气。
发电机、起动机达到IP57防护等级,电动气泵
达到IP55防护等级;采用全密封结构灯具、配电盒、
仪表、传感器、刮水电机、电器开关、整车线束插接
件;线束穿孔进行整体硫化,线束内部的导线进行密
封处理,密封式蓄电池电缆线、整车电器件全部达
l m水下浸渍水平,提高车身密封性和电器部件可靠
性。
3.5电磁兼容
通过整车线路和电子产品的内部接地设计、整
车线束的屏蔽设计,采用无触点闪光器,改进空调调
速控制电路,线束中采用滤波抑制干扰,采用铜网屏
零部件多功能化,如座椅多种选择,底部框架多
功能化;主油箱采用吊带安装方式;动力总成采用三
点悬置加钢丝绳限位;简化结构,减轻质量。
对车架、车身进行反复多轮有限元分析,优化总
体结构和减小尺寸。通过增加横梁工艺孑L尺寸和数
量,减轻质量。悬架三角臂采用焊接箱形中空结构。
车身为无框架钢铝混合铆接结构,横梁、地板保
护板、后轮罩、前围左右鼓包均为铝合金材料。钢铝
材料之间设置非金属隔膜,铆接孔内设非金属衬套,
非金属衬套及密封胶将钢与铝隔离开,阻断电化学
腐蚀。
3.7提高汽车安全性
创新车身防滚翻保护装置。研制了接近气压制
动吨位的液压4通道ABS,在ABS系统基础上拓展
出ASR,4个车轮根据路面附着变化情况独立控制,
ASR系统和机械差速器协调各自的作用时间和范围
并互相配合。掌握了大吨位ABS系统的整车匹配
技术,使猛士在配置上超过Humvee A2。
4产品创新
在“猛士”的整车设计开发过程中,创新系列
化、模块化设计思路,采用一套底盘系统去匹配多种
动力总成和车身型式,组成高机动性越野汽车车族。
东风“猛士”车族包括四缸中冷发动机手动变速器、
电控发动机手动变速器和自动变速器等3种动力系
统;车身型式有单排软顶、单排硬顶、双排溜背软顶、
双排溜背硬顶、厢式硬顶、厢式高硬顶、短头软顶、短
头硬顶、敞篷火力突击车、防弹车型等共4O余种车
型。
面对国外的技术封锁,国产化率要达100%,完
成从发动机、传动系、底盘系统、轮胎到车身总成、电
器全部总成部件的高起点创新开发及各系统之间匹
配,并要考虑工艺条件,这是本项目的重要挑战。
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734? 汽车工程 2008年(第30卷)第9期
4.1全时四驱分动器
东风汽车公司联合国内生产厂家开发了全时四
驱链传动分动器的关键部件齿形链条,自行独立开
发行星齿轮减速、轴间转矩分配、轴间差速及锁止等
机构。
4.2限滑差速器和主减速器
国内首次在同类车上开发出自适应限滑差速
器,左右输出端直接连接盘式制动器,输人端装中央
制动器。主减速器左右输出轴轴端锁止采用螺母配
合轴端凹槽的形式。突破传统的主、被动锥齿轮正
副齿面布置,前后主减速器通用,提高通用性。
4.3轮边减速器
创新轮毂轴锁紧方式;通过齿根喷丸和先进热
处理工艺,提高齿轮寿命;通过对壳体和节臂CAE
分析轻量化。首次确定轮边减速器齿轮接触和弯曲
应力要求,建立台架疲劳试验方法。
4.4球笼万向节等速半轴
严格控制外形尺寸和质量,通过锻造提高薄壁
壳体强度,增大钢球等主要承载件的有效尺寸,将轮
边球笼万向节等速半轴的承载能力发挥到极致。解
决了汽车越过450mm垂直台阶时半轴冲击断裂的
难题。
4.5变刚度螺旋弹簧
双横臂独立悬架系统采用变刚度螺旋弹簧、大
阻尼液压减振器,系统刚度随载荷增加而增加,偏频
变化范围小。在没有资料借鉴的情况下,完成了变
丝径、变中径、变节距的变刚度螺旋弹簧设计,推导
出应力计算公式,制定热处理工艺和刚度疲劳台架
试验方法,掌握了核心技术。
4.6高性能防弹越野轮胎
新开发37×12.5R16.5无内胎低气压子午线越
野轮胎,采用大弧度设计思路,增大轮胎冠部接地面
积,采用新型耐磨材料配方和混合式越野花纹。轮胎
接地比压可降到140KPa,并可长距离长时间使用。
创新了聚氨酯复合材料轮胎内支撑体配方,内
层邵式硬度高,保证内支撑体与轮辋的紧密结合,外
层邵式硬度低提高缓冲性能。通过添加耐热耐磨添
加剂,提高耐热耐磨能力。根据战术技术指标要求,
轮胎泄气后在不同路面和车速组合下可继续行驶
30km。
发明便携式车轮内支撑拆装工具。利用蜗轮蜗
杆机构提供大传动比增力,通过对箍带的束紧作用
来实现对内支撑体的挤压,造成内支撑体弹性变形,
以便将其置于轮胎内,提高防弹支撑体的可用性。
4.7轮胎充放气系统
中央充放气系统由电动气泵、中央控制阀、车轮
手控制阀、电控装置、气路组成。开发了结构紧凑、
体积小的多功能集成控制阀,实现前后轮充放气、气
压测量、高低压报警、排气消声等功能。充放气系统
油气封体积小,线速度小,密封可靠性好,提升了车
辆软路面、沙地和雪地的通过能力。
在东风“猛士”的研制过程中还大量采用了新
工艺新材料。比如对开式车轮密封防松装配工艺、
20Cr2Ni4A半轴材料、AS7G03Y33高强度铝合金桥
壳、不锈钢紧固件、球笼外套薄壁件高频淬火工艺、
大螺纹孔行星铣加工工艺、热塑性弹性体等速半轴
密封套、非正交弧齿锥齿轮制造、传动轴花键尼龙喷
塑工艺、纳米润滑油抗磨降噪技术、达克罗涂镀工
艺、无骨架钢铝混合铆接车身技术、自适应限滑差速
器加工工艺、复杂薄壁铝合金壳体铸造、行星传动小
模数齿轮、无声强力链条传动、SMC片材热压成型制
造工艺、陶瓷改性树脂基低金属配方制动器摩擦材
料等。这些新工艺和新材料的应用保证了整车技术
先进性。
5结论
东风汽车公司历时6年,通过概念样车、初样
车、正样车3个阶段的设计计算和改进分析,超过20
万h总成台架试验,70台试验样车的试制,累计160
万km道路强化试验,反复进行唐古拉山、青藏高
原、新疆喀什、新疆吐鲁番、甘肃敦煌沙漠、黑龙江漠
河、广东沿海和空投等各种环境各种地域试验和部
队使用试验,最终达到和超过研制总要求。东风“猛
士”与Humvee A2技术指标对比见表2。数据来自
于文献[1]和文献[2]。
东风“猛士”申报技术专利75项,发明专利授权
8项、实用新型授权36项,外观专利授权8项,发表
典型论文30多篇、专著2册。
通过“猛士”的研制,东风汽车公司掌握了高机
动性越野汽车先进技术,为今后高机动性越野车的
开发打下良好的技术基础。
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表2东风“猛士”和Humvee A2技术指标对比
项 目 “猛士” Humvee A2
装载质量/kg l 750 1 540
承载能力 质量利
用系数 O.54 0.49
动力性 最高车速/km?h l31 1l3
0~80km/h加速时间/ 17.1 21.3
经济性 越野工况统计油耗/IJ?(1OOkm) 11.3 19.2
50km/h等速油耗/L?(1OOkm) 10.4 15.6
生存性 燃油续驶里程/km l 0oO 443
环境适应性 极限高温/℃ 55 46
ABS(ASR)系统 装备 未装备
安全性 驻车制动器驻坡能力/% 40 18
制动系统承受总质量/t 7 5
0.4g侧向加速度以上时稳态转向特性 稳定 不稳定
平顺性 悬架动行程/lnln 270 2oo
驾驶员座椅处疲劳一工效降低界限/h 17.4 11.7
舒适性 防雨密封性/分 86 60
维修性 故障自诊断系统 有 无
可靠性 平均故障间隔里程/km(试验场强化路面) 4 298 4 20o
耐久性 悬架球头、转向柱销、车架纵梁、车身地板等主要易损件/km 18 0oo 5 ooO
(试验场强化路面)
通过性 多次越450mm台阶 传动系无问题 传动系失效
涉水深度/m 1.2 1.2
高机动性综合性指标 中国定远汽车试验场越野路面最大平均车速/km?h I1 04.8 38.2
车型系列化 短头车身、长头车身高硬顶车型 有 无
运输性指标 相当
中国人民解放军总装备部汽车试验场,2006.
参考文献 [2]Am Ge raI公司
.
H mvee A2产品介绍[EB/0L].[20o8—2]
[1]1.5吨级系列高机动性军用越野汽车设计定型试验报告[R]. h“p:// - ge“。Ial?co n/ 。hi。l。s-hⅡ wv?php?
(上接第741页)
此时max铊(t) =max[三 (£) q:]:2.38g, 通过半圆障碍的计算模型对车辆以不同试验车
满足评价指标要求。 速通过相应高度半圆障碍时平顺性进行的分析,使
多轴车辆过突起的平顺性问题得到较好的解决。
4结论
参考文献
提出了建立和求解8 X 8独立悬架车辆通过随
[1]余志生.汽车理论(4版)[M].北京:机械工业出版社,2006:
机路面和半圆障碍的振动模型的方法。
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通过对车辆行驶在C、D、E、F不同级随机路面
[2]Lee Richard A,Pradko Fred.Analytical AnalysisofHuman Vibra-
tion[C].SAE Paper680091.
时的平顺性进行的分析,通过在加速度均方根值和
[3]靳晓雄,张立军,江浩.汽车振动分析[M].上海:同济大学出版
平均吸收功率满足限定条件与车速关系的表达,揭
社。2002:74—81.
示了越野平顺性与机动性的关系,使车辆驶过随机
[4]赵祥君,陈欣,于坤炎.战术轮式车辆理论[M].北京:解放军出
道路的越野平顺性的评价更加全面。
版社,2006:144—148.
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