无扭矩平衡装置的研究与应用

乔慧 田祥林 王娜娜

摘 要：我国地域广阔，地形复杂，各种自然灾害、交通事故、等频繁发生，严重威胁人民生命财产安全。目前，国内用于医疗应急救援、通讯指挥、部队雷达的车辆，由于均装有精密仪器或设备，在经过恶劣道路条件后设备时常会出现故障问题，从而导致参与救援活动时受到一定的限制。为了更好提高汽车的通过性能和保护车厢及厢内的仪器设备，因此，研究开发具有抗颠簸功能的无扭矩平衡装置显得十分必要。通过科技攻关，无扭矩平衡装置技术在国內首次运用到医疗卫生装备上，填补了国内空白。该装置经过参加4·20芦山地震等医疗救援实际运用和部队实兵演练，验证了其在野外复杂恶劣路况条件下能够很好的保护车厢及内部精密设备，特别适合用于沙漠以及乡村土路等复杂路况载有精密设备的专用车辆上。

关键词：无扭矩平衡；抗颠簸；模块化；缓冲保护；高机动

引言

近年来，国内地质灾害频发，人道救援成为国家各级部门特别是应急救援部门和社会各界最关心的问题，而提高救援装备的高机动性、可靠性显得十分必要，特别是车厢内精密设备的缓冲保护。通过对陆地车辆上装设备的振动源进行分析，其主要影响因素有两个：一是来自车辆行进时的发动机自身振动；二是来自车辆行进时底盘轮胎的跳动振动（特别是坑洼路面）。显而易见，自身振动相对底盘车架对车厢的振动可以忽略不计。为解决该问题，国内现有的普遍解决方法有二：一是通过提高车内上装设备自身的抗颠簸能力；二是通过采用诸如减震器、缓冲橡胶垫等作为中间缓冲后再加以固定来降低颠簸。经过对上述两种方法的分析不难看出，不仅对设备本身提高了要求，而且涉及设备较多。

基于以上分析，提出了新的研究思路，通过在汽车底盘和车厢之间安装具有抗颠簸能力的无扭矩平衡装置[1]（Multi-Free-Low），再借助上述两种现有普遍解决方案，这样就大大提高了车辆的机动性和对设备的保护能力，甚至部分对精度要求较低的设备不需再逐个对设备本身和固定采用抗颠簸措施。

1 国内外现有连接对上装的影响

1.1 连接形式

国内传统汽车载有上装部分（货箱、车厢、方舱、油罐等）的副车架与主车架（底盘大梁）采用止推连接板、连接支架、U型夹紧螺栓[2]等刚性连接方式。虽然连接面采用胶垫或垫木，但缓冲减振能力有限，底盘与上装形成刚性整体。而国外在20世纪80年代初就开始发展这一新技术——无扭矩平衡装置[3]（Torsion-free-body）。

1.2 影响

国内车辆在行车时（尤其是越野），底盘的较大扭力和颠簸可直接传递到上装，上装也约束底盘大梁正常的自由扭曲，降低了越野通过性，增加了大梁的应力，易造成底盘和上装的疲劳破坏，减少车辆的寿命。同时在颠簸时上装重心偏移量和离心力较大，影响行车稳定性和车速。而国外安装了该平衡装置的车辆在大梁和上装之间形成柔性连接。克服传统刚性连接结构的弊端，增加汽车（尤其在越野条件下）使用寿命，提高行驶速度和安全性。

2 无扭矩平衡装置研究

通过对国外该装置的研究发现，装有该装置可以有效的提高整车机动性（尤其在越野条件下）和缓冲保护车厢及内部设备，但该装置需要安装于国内车辆底盘上，无论是从结构、材料、工艺还是其他相关（诸如性能试验）方面都需进一步研究。

2.1 原理

如图1，A，B，C三点决定一个平面，为了将车厢的重心落在BC线附近，我们采用二个三角形（2x3Point）来放置车厢底平面。图中L1和L2分别代表汽车底盘的二个纵梁，当汽车在越野道路上行驶时，纵梁L1和L2会严重扭曲，但是由于底盘中心线AA和三角形BC边的微弱变化，使得二个三角形几乎没有扭曲，保持了车厢底平面的无扭曲，这样就保证了车厢底平面的无扭矩。

2.2 结构

无扭矩平衡装置（Multi-Free-Low）通过特殊设计的模块化结构组合，采用高强度材料和特殊缓冲减震装置、专用方舱锁具等制造而形成高强度抗颠簸无扭矩车架，在大梁和上装之间形成柔性连接，克服传统刚性连接结构的弊端，增加汽车使用寿命，更有效地保护医疗方舱和内部医疗设备，提高行驶速度和安全性。在大梁左右±15°偏转扭曲时，上装基本无扭曲，使整车重心更低和重量更轻，性能更优越。其设计结构效果图见图2。由于系统是由模块化的组件构成，车辆底盘、副车架以及装载平台之间有明显的技术分隔点。

图2 无扭矩平衡装置结构效果图

2.3 功能特点

（1）当车辆在越野环境中行驶时，车子的底盘可自由扭转。（2）所有车轮始终与地面接触，保证车辆的驱动性能，提高机动性。（3）上装部分可通过2个三角形的弹性轴承吸收扭矩力。（4）汽车上装部分得到缓冲保护，减少颠簸。（5）正常路况及越野条件下通用，并能给车辆带来无限机动性能。（6）适合多种车体（车体可卸/更换）、系统重量低、重心低等。

2.4 国外现有结构及效果对比

国外早期的无扭矩平衡装置（Torsion-free-body）采用中央放置的通轴结构和前后铰接支撑，通过装载平台可绕中央通轴转动来保护上装设备。而后期的无扭矩平衡装置（Multi-Free-Low）通过优化结构，取消圆管作为轴，设计为副车架和装载平台通过2x3Point连接形式。由图3可以看出，在同样路况扭曲条件下达到相同效果的同时，既减轻了重量，降低了成本，又可将上装高度降低100mm高度。

3 无扭矩平衡装置的试验与应用

3.1 性能试验

做二个500mm高的跳板，分别置于对角的前后轮下，对汽车底盘的大梁严重扭曲变形观察，当我们把目光聚焦到车子的厢体底平面（即无扭矩平衡装载平台）和底盘大梁时，经检查，通过装有无扭矩平衡装置的厢体，即使大梁随颠簸路面任意扭曲，而上装车厢变形程度很小，基本无扭曲。

3.2 应用领域

由于采用模块化结构设计，可根据不同车厢长度和载重量较快实现设计和制作，适用于几乎所有越野和非越野卡车及长度，适应整车最大载重量36吨。运送部队或军用物资车辆；燃料运输，粮食运输车辆；医疗、通讯、抢险、维修车辆；向灾区运送各种救灾物资车辆等。

4 结束语

针对国内事故灾害频发，地形复杂等特点，为提高应急条件下车辆机动性及保障车厢和厢内精密设备性能更可靠，该装置作为国家“十二五”科技支撑计划项目和重庆市科技攻关计划项目中关键技术的研究。通过系统性能试验和“4·20”芦山地震应用结果表明，无扭矩平衡装置在运输移动医疗、通讯系统等车辆过程中对于缓冲保护精密仪器设备及厢体起着重要作用。

参考文献

[1]Crossmobil GmbH.Heavy Goods Vehicle [P].GermanyEP1231129A

2，Aug 14，2002.

[2]徐达，蒋崇贤.专用汽车结构与设计[M].北京：北京理工大学出版社，1998.

[3]Zeppelin-Systemtechnik GmbH.Truck [P].Germany EP0583750A2， May 27，1997.