仿鲸水陆两栖概念车设计*

◆李媛 胡文波

作者：李媛，武汉理工大学华夏学院汽车工程系教师，研究方向为汽车CAD/CAE；胡文波，武汉理工大学华夏学院汽车工程系车辆工程专业学生（430223）

人类使用车辆已有两千多年的历史，但直到19世纪以后才出现机动车。1765年瓦特改良了蒸汽机，从此揭开了工业革命的序幕，这也是汽车革命的开始。从蒸汽机车到汽油机车前后经历了一百多年的探索，经过很多人的不懈努力，才发展到今天的汽车。现在的汽车不仅仅是日常生活的代步工具，更是国家各项高新技术的结合产品。车辆数量的爆炸式增长在给大众带来便捷出行的同时，也制造出了前所未有的交通压力。只有改变车辆的性能及用途，才能有效地解决这一问题。

由此笔者有了设计两栖车的想法，把“车—船”结合，制造仿鲸两栖概念车。该两栖车可以极大地改善人民的水陆出行条件。本文着重对两栖车的车身、水陆动力切换方面进行创新设计。

1 车身与车身骨架设计

仿鲸两栖概念车是车—船结合体，其车身设计不仅需要达到普通车辆的要求，同时也要达到小型船舶的标准。车身设计应具有合理的外部形状，以便车辆行驶时能有效地引导周围的气流，提高车辆的动力性、燃油经济性和行驶稳定性[1]，并改善发动机的冷却条件和室内通风性。而车架的结构形式首先要满足车辆总体布置的要求，使得车辆在复杂多变的行驶过程中，固定在车架上各总成和部件之间不能发生干涉。因此，车架应具有足够的强度和刚度。

车身设计机动车需要有符合其各项规定及要求的车身，船舶必须有满足其各种技术与标准的船体，水陆两栖车的车身是前两者的结合体。两栖车可以在浅水里行驶，但更多时候是在陆地上行驶。根据汽车理论知识，汽车在平直良好路面上行驶时，其阻力主要是滚动阻力和空气阻力[1]。滚动阻力与行驶路面、行驶车速以及轮胎的结构、材料、气压等值有关，一般没有太大的方法改进。空气阻力中，形状阻力所占的比重较大，改善车身的流线形状，是减小空气阻力的关键。

结合船体构造和仿生学理论，笔者设计了仿鲸鱼外形的车身，如图1所示。这样的车身不仅满足了在水中航行时流体理论的要求，也有效地减小了在陆地行驶时的空气阻力。

图1 仿鲸两栖概念车车身效果图

车身骨架设计动车的车架与车身几乎融为一体，特别是小型的机动车。船舶的船体骨架[2-3]则是由龙骨、旁龙骨、肋骨、龙筋、舭龙骨、船首柱和船尾柱构成，它们共同组成了船舶骨架。仿鲸两栖概念车车身骨架不仅要能承受住陆地行驶时的较猛烈的冲击，同时也要承受住在水中行驶时纵向上的弯曲力矩[3]，此外横向构件也要承受横向的水压力，保持车身的几何形状。

图2 仿鲸水陆两栖概念车鸟巢式车身骨架图

笔者设计的车身骨架受到鸟巢的启发，这样的车身设计不仅可以提高车身各个方向上的强度，同时把车身下部的棱角设计成鸟巢的弯曲及搭边结构[4]。此外，横向上的分层结构处理也将让车具有一定的抗沉能力（进行分舱密封处理）。这种鸟巢式的结构设计让乘坐人员得到更有效的保护。在陆地上行驶时，乘坐人员相对于一般机动车乘坐人员具有更大的离地高度，在撞击时受到的冲击波能量更小；在水中行驶时，乘坐人员的乘坐高度永远在水平面以上，在发生事故时具有更多的安全时间及救援机会。仿鲸两栖概念车鸟巢式车身骨架如图2所示。

2 动力装置

机动车的动力装置主要分为汽油机和柴油机，其中汽油机主要用于小型车辆，而柴油机主要用于大型车辆。船舶的动力装置有很多，其中各种设备的用途是不同的。大型船舶动力装置的常规组成分为主机、辅助机械、管路系统和推进轴系[3]等。由于要兼顾汽车理论的最低要求，该两栖车结构设计必须简洁化和轻量化，故选用柴油机为两栖车主要动力源。

主机动力柴油机具有热效率高，压缩比高，无需点火系统，经济性较好等优点[5]，初步选用柴油机作为两栖车的主动力。两栖车的动力主机不仅要满足机动车的性能要求，同时也要满足一般船舶动力的参数要求。最后选择康明斯KTA19-M柴油机（SO40382 cummins）作为两栖车的主机发动机。

水陆动力切换船舶中非常特殊的传动部分就是倒顺齿轮箱[2]，一般大小型船舶所用的都是不可反转的柴油机，这时，螺旋桨的正反转就要靠倒顺齿轮箱来解决了。同时，倒顺齿轮箱也具有减速、离合的作用。由于两栖概念车是轻量化设计[4]，而且具有独立的电驱装置，笔者将倒车的任务交给电驱装置。为了满足两栖车的特殊要求，笔者对倒顺齿轮箱做了全新的改进，设计出了能满足特殊两栖要求的分动器[6]。离合器及分动传动装置如图3所示。

图3 离合器及分动传动装置图

仿鲸水陆两栖概念车是通过水陆动力切换装置实现水中和陆地的行驶动力切换的。在水中行驶时，发动机提供的动力经过变速器传至输入轴1，输入轴与输入传动壳体2是通过花键连接的，输入传动壳体会随着输入轴一起等速转动。两个摩擦定盘3、7周边的花键与输入传动壳体的内花键相啮合，从而使得两个摩擦定盘随着输入传动壳体一起等速转动。动摩擦盘5向右移动时，使得水驱摩擦盘6移向定摩擦盘7，直到与水驱摩擦盘与定摩擦盘完全结合，从而使得水驱摩擦盘随着定摩擦盘一起转动。水驱摩擦盘的转动带动与其内花键相啮合的空心传动轴转动，空心传动轴通过其外花键使得输出轴（水中）8、9一起转动，这样动力就传到了与输出轴（水中）相连接的浆。在陆地行驶时，动摩擦盘5向左移动，使得陆驱摩擦盘4向定摩擦盘3移动，直到陆驱摩擦盘与定摩擦盘3完全结合，使得陆驱摩擦盘随着定摩擦盘一起转动，陆驱摩擦盘通过其内花键将动力传至输出轴（陆）10，这样输出轴（陆）通过传动轴将动力传到减速器、差速器、半轴及车轮。

3 底盘布置

底盘布置包括两个方面的内容：一个是机舱在整舱中的具体位置，另一个是动力装置中的各种设备在底盘中怎样布置。为了保证两栖车优良的综合性及安全性，笔者采用机舱中置[2]布置，这样的设计有很大的优点。第一，采用机舱居中布置，机舱的总重心在纵中剖面和横中剖面内，或很近，因而仿鲸水陆两栖概念车在满载或空载等装载变化时不会产生纵倾，或纵倾很小。同时，机舱进水后对两栖车不沉性的影响也不及同样容积的尾部机舱严重。第二，中布机舱的车体线性变化平缓，机舱底部也较平坦，容易布置设备。这样不仅可以让设备或装备总成按照设计的要求有效安装，而不会让设备由于空间或位置发生干涉，同时也有效地改善了整车前后轮承重比偏高等问题。

4 结语

通过对车辆与船舶知识点的融合，笔者设计出了仿鲸的汽车概念车身、仿鸟巢式车身骨架，同时对两栖车的主动力源的参数也进行选定，中间还对水陆动力切换进行了详细的解释，最后对整个底盘的布置也进行了分析，最大限度展示了两栖车的设计原理。综合上面所有的设计工作加上其他的细节特点，最后完成了所有设计工作，也达到了应有的预期效果。这辆外观新颖，富有机械感、科技感的两栖车被设计出来了。笔者认为这款两栖车的出现必将开拓机动车辆的另一个发展方向，不仅仅是追求机动车辆的速度、外观、品牌等因素，适用与实用才会是受大众欢迎的。同时多功能车辆的研究必然将是以后几年甚至几十年的发展方向。

[1]杨万福.汽车理论[M].广州：华南理工大学大学出版社，2010：10-11.

[2]施裕斌.船舶动力装置[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]叶明君.船舶结构与设备[M].大连：大连海事大学出版社，2012.

[4]彭文生，李志明，黄华梁.机械设计[M].2版.北京：高等教育出版社，2011.

[5]张志沛.汽车发动机原理[M].北京：人民交通出版社， 2011：82-108.

[6]陈家瑞.汽车构造[M].北京：人民交通出版社， 2011：70-73.