一种微型车用半轴全浮支承式动力储备驱动后桥

吴先友，刘 仁

(1.重庆先友科技开发有限公司，重庆400051;2.重庆交通大学，重庆400074)

截至2015年，我国农村公路总里程将达到390万km，可以实现所有乡镇和90%的村通行车辆，支持发展农村配送物资［1］，这充分显示了国家对农村公路运输事业的高度重视，农村经济的发展必须以交通为先行。在“十二五”期间，随着我国农村公路通车里程的增长，一种为农业服务的、价廉物美、节能(减排)、机动性良好、运输成本低的微型车辆制造工业将有巨大的发展空间。

目前我国的五大汽车制造集团和全国大部分汽车制造商都在生产发动机排量为1.0～1.3 L的微车。本文的核心技术，就是在微型汽车的传动系统中装置一个动力储备变速箱，以提高整车的技术性能，这对促进我国农村与城镇之间的物流事业和降低运输成本，将起到关键的作用。

微车用全浮式动力储备驱动后桥，能使国产微型汽车的动力性、加速性和燃料经济性等3项主要技术指标获得较好的提升，并满足我国农村与城镇间“物流”事业的需求。动力储备驱动车轿采用了“整体全浮式结构轿壳，半轴为全浮支承式”，这种结构型式车桥具有较大的物资装载质量，使微车的吨·百公里油耗明显下降，实现了公路运输的低碳效应。

1 理论依据

半轴全浮支承式动力储备驱动后桥应用于微型车上，是综合“重型汽车”中“加力副变速箱”的应用理论，并转化到微型汽车的驱动桥上的。这种整体式结构驱动桥改变了目前我国国产微型汽车所通用的半轴半浮支承结构式驱动桥。其结构设计具有足够的刚度、强度，从而提高了整车的安全性、可靠性和驱动桥的使用寿命。

机动车的后桥驱动力Pk为［2］:

式中:Pk为机动车驱动桥驱动力，kN;Me为机动车驱动桥输出扭矩，kN·m;ik为机动车主降速比;i0为发动机携带变速箱的传动比;i1为动力储备后桥齿轮箱传动比;ηm为机械效率;rk为轮胎半径，mm。

由式(1)可看出，决定微型车的驱动后桥驱动力Pk与发动机的额定输出扭矩Me、驱动后桥的主降速比ik、发动机携带变速箱的传动比i0、动力储备变速箱的传动比i1和机械效率ηm成正比，与轮胎滚动半径rk成反比。假设式(1)中的Me、ηm和rk为一个常数，余下的主降速比ik、传动比i0和i1这3个技术参数即为笔者讨论的技术核心要素。

由《汽车理论》［2］和《汽车构造》［3］可知:汽车传动系统的首要任务是能够可靠地与发动机协同并协调工作，以确保微型车辆在各种路面上行驶时都必须具有良好的技术性能。因此，对传动系中主降速比ik及发动机携带的变速箱和动力储备变速箱传动比i0及i1的正确选择，是提高微车技术性能的重要途径。

2 传动机构传动比选择

2.1 主降速比选择

主降速比即发动机在直接挡时的曲轴转速与最高车速之比。为了保证车辆在最高挡(直接挡)行驶时具有足够动力储备，根据文献［4-5］来选择主传动比，转速系数

直接挡行驶时传动比为1，即i0=1;满载工况下轮胎滚动半径rk=0.4 m;发动机曲轴转速n=1 500 r/min;按我国现有农村公路路况，车辆平均最高时速为Ua=50 km/h;ηm取值原则:一般微型载货车取28～35，重型货车取40～45，本文中 ηm=30;2.65为设计常数。代入式(2)中，可计算出ik:，按式(2)计算:

因此，主降速比取 4.5∶1。

主传动器的结构形式为单级齿轮传动，它具有体积小、重量轻和传动效率高等优点。该结构在我国重型汽车和装载量5 t以上车辆的驱动桥上被大量采用，但在微车上的转化应用是个创新。

目前国产微型车的主降速比一般为3.5∶1～4.0∶1，笔者设计的主降速比 4.5∶1，较国产微型汽车的主降速比提高了。主降速比提高的目的是为了降低车速和提高驱动轮的输出转矩以提高车辆的动力性。主降速比的选定主要考虑微车的最高时速。我国的微车技术是引进日本成套技术，逐步进行国产化而形成目前我国的微车产业。由于微车传动系中的主降速比都已做出了“定型”，很难予以改造。半轴全浮支承式动力储备驱动桥应用于微型车上，可对现有的国产微型汽车的驱动后桥进行技术改造，也可将半轴全浮支承式动力储备驱动桥应用于我国目前农村普遍使用的平板三轮货车的驱动桥上。

2.2 变速箱传动比选择

汽车变速箱传动比的选择与车辆技术性能关系十分密切。汽车发动机变速器的最大传动比与最小传动比之比值越大，挡位设置就越多，车辆在行驶过程中对其挡位选择范围也越多，能使整车能发挥出良好的动力性和经济性。

国产微型汽车一般都设置有3个前进挡和1个倒挡组成变速箱，能在良好路面上、在额定时速完成其额定装载量。但是，目前国产微型汽车的变速箱传动比的比值小，挡位设置少，车辆行驶在公路上选择挡位的范围也少，因此，造成整车的技术性能不能有效发挥。并且，国产微车的主降速比ik和变速箱传动比i0均比本文的主降速比和变速传动比约小40%，因此国产微型汽车最高设计时速达98 km，与我国现有城镇和农村的公路路面条件是不相适应的。

“动力储备变速箱”装置在驱动桥主降速锥齿轮轴的动力输入端，机构中具有高挡、低挡和直接挡的3挡变速箱。高挡的传动比为i高=3.04∶1，在良好的路面上保证整车的加速度性能;低速挡传动比i低=6.14∶1，提高了驱动轮的输出转矩，保证车辆动力性和越野性;直接挡i直接=1∶1，车辆正常运行时使用。因此，微型货车上的挡位设置从3个前进挡改造成为6个前进挡。挡位越多，对汽车发动机而言，能增加发动机在发出最大功率附近时高功率的机会就越多，从而提高了微车加速性和爬坡性能［2］;另一方面，就燃料经济性而言，挡位越多，发动机在低燃油消耗率工作区可能性的机遇就越大。这样，实现了降低能耗，降低了排放污染物，而且增加了动力性能。汽车挡位的增多能改善汽车的动力性和经济性，尤其是微车更为显著。

3 微车比功率

3.1 比功率

对汽车动力性和经济性影响最大的参数有2个:①发动机的输出功率;②传动机构中变速箱和主传动的传动比。汽车行驶时功率平衡方程式为［2］:

式中:Pk为发动机输出功率;G为车辆重力;f为滚动阻力系数;C为空气阻力系数;A为汽车迎风面积;Uamax为最高车速;η为机构传动效率。

由式(3)确定车辆自重与载货的总质量(m)和微车发动机额定输出功率等技术和结构参数，获得微车的比功率为:

由于微车在农村公路上行驶的设计平均最高时速为50 km/h，为计算方便，忽略不计式(4)中的G、f、C、A 等参数，从而有:

载货汽车的比功率是衡量汽车动力性的一个重要指标。比功率随着汽车的总质量的增大而逐渐减小。目前国内外都对载货汽车的比功率作出规定，以保证车辆在道路上行驶时的动力性，防止性能差的车辆堵塞道路。

3.2 实例分析

国产微型汽车整车技术指标为:发动机排量为1.0～1.3 L，额定输出功率为30 ～55 kW，额定装载量为500～1 500 kg，车辆自重700～1 000 kg。现用下述2例比较微型汽车的比功率。

3.2.1 国产微型汽车比功率

设微型汽车排量为1 L，额定输出功率30 kW，装载量为500 kg，车辆自重为700 kg(含驾驶员及附加设备)，则其比功率为:

3.2.2 装置半轴全浮式动力储备驱动后桥的国产微型汽车比功率

国产微型汽车装用半轴全浮式动力储备驱动后桥后，装载质量从500 kg提升到1 000～1 500 kg，若按装载质量为1 000 kg计算，则其比功率为:

现有国产微型汽车的比功率大，说明它动力性好、时速高，但额定装载量只有500 kg，功率利用率低，经济性差。

国产微型汽车经过技术改造装用半轴全浮式动力储备驱动后桥后，其比功率下降了约34%，但其功率利用率却获得明显提升。

总之，比功率之规定是为了保证车辆在公路上行驶时具有一定的动力性和经济性。比功率这一个指标也是在汽车设计时选择发动机的功率和变速机构的结构型式和传动比的重要依据。

由于微型车行驶道路条件变化很大，尤其是我国农村公路，车辆必须具有足够的动力储备。动力储备驱动后桥依据公式(1)的理论，主降速比ik变速箱传动比i0和动力储备变速箱传动比i1的乘积数比国产微型汽车增大了，从而微车的后桥驱动力Pk获得了相应的提高。

3.2.3 三轮汽车、三轮平板货车和正三轮摩托车

在微型车的系列产品中，还包括着三轮汽车，三轮平板货车和正三轮摩托车等。这些机动车辆都装置有发动机排量为200～300 mL的单双缸空气或水冷却的摩托发动机。例如:国内拥有量保持领先的三轮平板货车，其驱动后桥总成是采用动力储备驱动后桥，该车发动机排量为250～300 mL，额定输出功率12～14 kW，实际装载量依据公路路面条件一般在1 000～2 000 kg之间。设发动机排量为250 mL，额定输出功率12 kW，载货量为1 500 kg，则该三轮平板货车比功率为:

对于比功率这个重要理论指标，世界各国汽车制造商都是依据本国的汽车技术性能指标和现有公路条件作出各自的相关规定。我国国家标准GB 7258—2004《机动力运行安全技术条件》中规定了农用运输车等的比功率限值为4.0 kW/t，其它机动货车则为5.0 kW/t;德国Stveo规定大客车、货车和汽车列车等的比功率为6 kW/t;荷兰规定载货汽车比功率为4.2;俄罗斯规定货车的比功率为5.5 kW/t等。图1为部分我国国产货车的比功率。

图1 部分国产汽车比功率Fig.1 Specific power ratio of several home-made vehicles

4 半轴全浮式动力储备驱动后桥

4.1 国产微车驱动后桥

目前，国产微车的后桥都是采用半轴半浮式支承型式结构，该结构的后桥车轮与桥壳无直接联系，车轮支承于半轴外端，半轴承受着全部弯矩，且承载能力很低。这种结构形式的后桥通常在轿车设计上选用，不宜在货车上使用。

4.2 半轴全浮式动力储备驱动后桥

半轴全浮式动力储备驱动后桥的结构型式见图2。该结构的动力储备箱中的动力输入轴与驱动桥的主传动锥齿轮轴构成一体，当输入动力从动力储备变速箱中的主传动齿轮轴(1)直接带动主降速从动盘齿轮(6)，并通过差速行星齿轮组合中的內花键齿轮带动半轴(2)，并经轴承(5)把动力输入桥壳(3)带动轮毂(4)形成整车动力输出。

图2 全浮式微车用动力储备驱动后桥剖面Fig.2 Rear drive axle section of full floating power-reserved minicar

图3为半轴全浮式驱动后桥的结构示意，该结构后桥的轮胎与地面接触时的地面受力分析，也称之为汽车地面力学。

图3 全浮式驱动后桥轮胎地面受力分析Fig.3 Force analysis of full floating power-reserved rear drive axle

图3中，后桥驱动轮的作用力包括有垂直反力Fz，切向反力Fy，侧向反力Fx，该3个反力形成驱动轮在水平面内的弯矩和横向平面产生的弯曲力矩，并由“轮毂4”通过2个“轴承5”传递给“桥壳1”，作用在“主降速从动盘齿轮6”上的力和弯矩全部由桥壳直接承受。也就是说车轮和桥壳能支承整个汽车的总质量，而与半轴无关。半轴只承受转矩，而两端均不承受任何反力和弯矩，这是半轴全浮式动力储备驱动后桥在微车中应用的又一个特点。

5 结语

装用半轴全浮式动力储备驱动后桥的微型车，是适应于目前我国农村-城镇之间作为集散物资的重要运载工具之一，它的机动性、适应性、经济性和吨·百公里燃料低的节能效益，能以较大幅度的降低运输成本，并实现了公路运输的低碳效应。

［1］经济日报.2015年农村公路总里程将达到390万公里［EB/OL］.(2011-02-11)［2011-02-19］.http://finance.sina.com.cn/roll/20110211/09183591416.shtml.

［2］于志生.汽车理论［M］.北京:清华大学出版社，2000:75-80.

［3］陈永瑞.汽车构造［M］.长春:吉林工业大学出版社，2000:40，151-153.

［4］汽车教研室.汽车理论［M］.长春:吉林工业大学出版社，1962:168-170.

［5］刘仁.对青藏高原开发东风牌半挂汽车的探讨［J］.重庆交通学院学报，1986，5(3):143-150.LIU Ren.An inquiry into development of Auto Semitrailer for Qinghai-Ttibetan Plateau［J］.Journal of Chongqing Jiaotong Institute，1986，5(3):143-150.