履帶車輛混合懸掛動態(tài)特性與匹配研究

張玉珍， 馬國新

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

油氣懸掛具有很強的非線性特性，非常適合越野車輛，尤其是它具有其它懸掛所沒有的可調(diào)性，這是它得到廣泛應用的原因之一.隨著油氣懸掛技術(shù)的成熟和發(fā)展，很多履帶車輛采用了油氣懸掛，使車輛的相關(guān)性能得到了提高.而扭桿懸掛近年來的技術(shù)進步，單從特性上講，其基本接近油氣懸掛所能達到的性能，與油氣懸掛相比具有重量輕、便于安裝、可靠性高、維修保養(yǎng)方便等優(yōu)點.于是人們就產(chǎn)生了將這兩種懸掛混合來使用的想法，以便發(fā)揮它們各自的優(yōu)越性.結(jié)果近年來在世界上出現(xiàn)了為數(shù)不多的混合懸掛車輛，我國的混合油氣懸掛也正在研制中.

存在的問題是，目前對裝用混合懸掛后的車輛的性能缺乏分析研究.與純油氣懸掛車輛和純扭桿懸掛車輛相比，它有哪些缺點和不利因素不甚了解.因而在設(shè)計中有很大的盲目性，結(jié)果給項目研制留下了很多遺憾.

針對上述問題，我們對油氣扭桿混合懸掛的履帶車輛進行了整車動態(tài)性能的分析計算，并與純油氣和純扭桿懸掛車輛進行了對比分析.

1 分析計算所采用的數(shù)學模型

假設(shè)車輛直線行駛，兩條履帶通過的路面歷程相同，車體兩側(cè)安裝對稱相同的懸掛裝置，這樣履帶車輛振動系統(tǒng)可以用圖1那樣的模型來表示.

圖1 油氣與扭桿混合懸掛履帶車輛的動態(tài)系統(tǒng)

對油氣扭桿混和懸掛系統(tǒng)來說，1、2、6輪上裝有油氣懸掛，3、4、5輪上裝有扭桿懸掛.

如果只考慮車輛的等速運動，即不考慮X方向的加速度、牽引力和制動力，方程可表達為:

式中:mZ為車輛懸置質(zhì)量;n為車輛一側(cè)輪數(shù);FZi為作用到第i個負重輪上的力，i=1，…，n;T0為側(cè)履帶預張緊力;Gn為車輛懸置重量;Iψ為車體縱向轉(zhuǎn)動慣量;Li為第i個負重輪到質(zhì)心的距離.

如果考慮X方向的加速度、牽引力和制動力，那么方程就比較復雜.方程與下列參數(shù)有關(guān):

式中:mX為車輛平移質(zhì)量;PT為在動態(tài)中地面與行動系統(tǒng)相互作用的水平力 (牽引力);γi，γn分別為在第i個和第n個負重輪下面起伏路面的傾角;TCB，Tρ分別為履帶環(huán)的自由段和工作段的張緊力;ρ為輪 (履帶)與土壤相互作用時的摩擦角;βK，βV為履帶前后支段的接近角和離去角;G0為車輛質(zhì)量;La，Lb分別為質(zhì)心到主動輪和誘導輪的水平方向的距離;a1，a2分別為質(zhì)心到主動輪和誘導輪的垂直方向的距離.

詳細內(nèi)容請參考有關(guān)文獻［1-3］.

分析計算所采用的路面為典型隨機越野起伏路面，平均波長為6.167 m，平均不平度高度為0.133 m.計算所用車輛原始參數(shù)為40 t履帶車輛，這里不再一一列舉.

2 油氣和扭桿的懸掛特性

在進行分析計算以前，根據(jù)原車前后油氣懸掛的機構(gòu)型式、安裝方案、氣室容積、充氣壓力、動靜行程以及扭桿懸掛的相關(guān)參數(shù)，先對混裝的油氣懸掛和扭桿懸掛的特性分別進行了計算，見圖2，以便為整車動態(tài)特性計算分析作準備.

圖2 油氣和扭桿懸掛原始特性

由圖2的特性曲線可以看出:前后油氣懸掛特性不相同，尤其是前后油氣懸掛特性與扭桿懸掛特性相比差別更大.

3 油氣扭桿混合懸掛履帶車輛動態(tài)性能分析

根據(jù)上述的數(shù)學模型和原車的懸掛特性曲線，在指定的路面上進行了動態(tài)性能包括行駛平順性、功率消耗、動態(tài)行程、負重輪動態(tài)力等方面的計算.為了便于對比分析，分別對混合懸掛、純扭桿懸掛和純油氣懸掛進行了上述性能的計算.

3.1 駕駛員處振動加速度

駕駛員處振動加速度是評價車輛舒適性的重要指標之一，3個車的計算結(jié)果見圖3.

圖3中的QB表示油氣和扭桿混合懸掛車輛，Q表示純油氣懸掛車輛，而B則表示純扭桿懸掛車輛.從圖3可以看出:純扭桿懸掛在15～55 km/h的范圍內(nèi)有較好的平順性，油氣懸掛次之，油氣扭桿混合懸掛性能最劣，其突出特點是共振峰值較高，綜合加強了純油氣和純扭桿懸掛車輛的共振趨勢.如果將振動加速度水平定為一個1g，那么，純扭桿懸掛車的車速能達到38 km/h，純油氣懸掛車速可達28 km/h，油氣扭桿混合懸掛車輛的車速只有26 km/h.如果將振動水平提高到1.5g，純油氣和扭桿車輛均能達到41 km/h，而扭桿和油氣混合懸掛只有31 km/h的車速.

圖3 駕駛員處振動加速度

3.2 減振器的吸收功率

減振器吸收功率是表征懸掛系統(tǒng)匹配的指標之一，高的平順性、小的吸收功率是好的懸掛匹配.3種車輛在各種不同車速下的吸收功率示于圖4中.

圖4 減振器吸收功率

由圖4可見油氣扭桿混合懸掛減振器的吸收功率均高于純扭桿和純油氣懸掛車輛，尤其在大于35 km/h以上時更為嚴重.在一定條件下吸收功率多，但又沒有起到更好的減振作用，增加了發(fā)動機的功率消耗，降低了減振器的可靠性.對照圖3和圖4看，純扭桿和純油氣懸掛車輛有較低的振動加速度和較低的功率消耗，而油氣扭桿混合懸掛車輛有高的振動加速度且有高的功率消耗.

3.3 負重輪動態(tài)行程

負重輪動態(tài)行程是評價車輛動態(tài)穩(wěn)定性的重要指標，大的動態(tài)行程具有大的動態(tài)力，故它也是關(guān)系到油氣彈簧和扭桿可靠性的指標.對于氣囊式油氣彈簧來說，大的動態(tài)行程意味著膠囊承受大的動態(tài)壓縮量，減少了氣囊的使用里程.對扭桿來說，大的動態(tài)行程就意味著扭桿承受大的動態(tài)應力，同樣降低扭桿的使用里程.大的動態(tài)位移使車輛處于不穩(wěn)定狀態(tài).同樣條件下的3種車輛的動態(tài)行程示于圖5中.

圖5 負重輪行程均方根值

由以上平順性分析可知:在我們選定的路面上，3種車輛在指定的加速度下，車速均不會超過40 km/h，而就在這個可實現(xiàn)的車速以下，油氣扭桿混合懸掛的車輛比其余2種車輛的動態(tài)行程在大部分車速下超過一倍.

3.4 負重輪動態(tài)力沿負重輪順序數(shù)的分布

負重輪動態(tài)力沿負重輪順序數(shù)的分布追求趨于均勻，非均勻突變性的分布會將動態(tài)力集中到某一負重輪上，造成該輪的早期破壞.分析計算表明:同一車輛，不同車速，其呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律.將15 km/h和30 km/h車速下3種車輛的動態(tài)力分布規(guī)律分別示于圖6和圖7中.

圖6 15 km/h時各懸掛方案負重輪動態(tài)力對比

圖7 30 km/h時各懸掛方案負重輪動態(tài)力對比

由圖6圖7可知，在低車速下幾種車輛動態(tài)力的分布基本理想;而在高速時，呈現(xiàn)完全不同的分布規(guī)律，最理想的動態(tài)力分布是純扭桿車輛，而油氣扭桿彈簧混合懸掛的車輛的動態(tài)力分布具有很強的不均勻性和突變性，易造成個別車輪和懸掛早期故障.

4 油氣扭桿混合懸掛的匹配

從上述分析討論可得出結(jié)論:混合懸掛履帶車輛的各項動態(tài)特性均不如純扭桿懸掛方案和純油氣懸掛方案，它動態(tài)性能低劣，激發(fā)車輛共振的機率增多，對路面的適應性較差.但如果對油氣扭桿混合方案進行進一步優(yōu)選匹配會得到多大程度的改進呢?我們對這一問題作了進一步的工作.將1、2、6輪的油氣懸掛進行改進設(shè)計，使其有如圖8所示的懸掛特性.

圖8 優(yōu)化匹配方案懸掛特性

對新方案油氣扭桿混合懸掛履帶車輛的動態(tài)特性計算結(jié)果示于圖9～圖12中.由圖9～圖12可見，優(yōu)選匹配方案在振動加速度、吸收功率、負重輪動態(tài)行程和動態(tài)力沿各輪分布 (見圖6和圖7)等方面均得到了顯著的改進.該結(jié)果也說明在油氣扭桿混合懸掛的履帶車輛設(shè)計中，扭桿特性與油氣懸掛特性有一個最佳匹配問題，在設(shè)計中應特別注意.對原方案和新方案動態(tài)特性計算結(jié)果分析可發(fā)現(xiàn)，無論怎樣匹配懸掛特性，裝用油氣和扭桿混合的懸掛履帶車輛，其動態(tài)特性型態(tài)仍然不變，這是油氣和扭桿混合懸掛履帶車輛固有的，也是它的固有缺點.

圖9 改進方案的負重輪動態(tài)行程對比

圖10 改進方案的駕駛員處振動加速度對比

圖11 改進方案的減振器吸收功率的對比

圖12 優(yōu)化改進方案的總效果

5 結(jié)論

1)油氣扭桿混合懸掛履帶車輛的各項動態(tài)特性均不如純扭桿方案和純油氣懸掛方案，它動態(tài)性能低劣，激發(fā)車輛共振的機率增多，對路面的適應性較差，易造成車輛的早期故障.

2)在油氣扭桿混合懸掛的履帶車輛設(shè)計中，扭桿特性與油氣懸掛特性有一個最佳匹配問題，在設(shè)計中應特別注意.計算結(jié)果分析可發(fā)現(xiàn)，無論怎樣匹配懸掛特性，裝用油氣和扭桿混合懸掛的履帶車輛，其動態(tài)特性型態(tài)仍然不變，這是油氣和扭桿混合懸掛履帶車輛固有的，也是它的固有的問題.

3)根據(jù)上述討論，建議如果不是特殊需求的車輛，最好不要采用油氣扭桿混合懸掛的方案.

4)采用油氣扭桿混合懸掛的優(yōu)點是，它既充分利用了油氣懸掛的可調(diào)性，又充分利用了扭桿易安裝、成本低、可靠性高和易維修保養(yǎng)等優(yōu)點.但其帶來的車輛動態(tài)性能問題也不容易忽視.

［1］ I.M.Ibrabim，M.O.A.Mookhtar，A.M.El-Butch.Ner Suspension Design for Heavy Duty Trucks:Design considerations［C］.2003-01-3424.

［2］ А.В.Бойков， Ю.П.Волков， В.Е.Ролле. Расчет Плавности хода гусеничных машин ［ M ］.Ленинград，1990.

［3］ Ю.П.Волков，В.Е.Ролле，А.Д.Самойлов. Ходовая часть транспортных гусеничных машин ［M］.1997.