履帶行走機(jī)構(gòu)張緊力分析

潘仕衛(wèi)，馬星國，尤小梅，葉 明，龔雪蓮

(1.沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110159;2.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京100072)

履帶行走機(jī)構(gòu)是履帶車輛的一個(gè)重要組成部分，履帶過分松弛會(huì)導(dǎo)致在行走中產(chǎn)生脫鏈和振跳現(xiàn)象;履帶過緊，則會(huì)增大磨損，因此履帶必須有合適的張緊度［1］。

K.Hub等［2］根據(jù)某履帶車輛的模型，提出履帶誘導(dǎo)輪附近張緊力的計(jì)算方法。袁芬等［3］考慮行駛過程中慣性力的影響，提出更加精確的誘導(dǎo)輪張緊力的計(jì)算方法，且通過與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證其計(jì)算方法是可行的。肖勇開等［4］建立履帶車輛動(dòng)力學(xué)模型，著重分析預(yù)張緊力對(duì)車輛平順性的影響，通過比較得出8%車重的預(yù)張緊力為最佳結(jié)果，張緊力過大，車輛振動(dòng)加劇，磨損加劇;張緊力過小，容易脫輪。本文運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件Recurdyn建立履帶車輛模型，分析履帶張緊力變化情況;通過改變預(yù)張力、速度、路面等影響履帶張緊力變化的因素，進(jìn)行多組運(yùn)算，對(duì)比分析履帶張緊力的變化情況。

1 履帶車輛建模

1.1 實(shí)體模型

在多體動(dòng)力學(xué)軟件Recudyn中使用 Track(HM)建立履帶車輛的動(dòng)力學(xué)模型，單側(cè)履帶系統(tǒng)有1個(gè)主動(dòng)輪、1個(gè)誘導(dǎo)輪、5個(gè)負(fù)重輪、3個(gè)托帶輪、166塊履帶板，驅(qū)動(dòng)輪前置，履帶塊結(jié)構(gòu)為雙銷履帶，負(fù)重輪結(jié)構(gòu)采用雙輪緣式結(jié)構(gòu)。誘導(dǎo)輪上配置液壓張緊裝置［5］，以調(diào)整履帶的張緊程度，保證履帶鏈環(huán)在行駛過程中的穩(wěn)定性。履帶車輛全重為15.5T，最大載人量為15人，每側(cè)履帶的接地長L為3.84m，履帶中心距B為2.73m，履帶板寬度為0.23m。模型如圖1所示。

圖1 履帶車輛模型

1.2 運(yùn)動(dòng)約束

履帶系統(tǒng)各輪、平衡肘與車體、負(fù)重輪與平衡肘之間均以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，限位器固定車體上，與平衡肘用接觸約束連接;緩沖器與車體移動(dòng)副連接，同時(shí)連接拉伸彈簧;平衡肘與車體由扭桿彈性連接。建模時(shí)扭桿作用力通過在旋轉(zhuǎn)副上添加旋轉(zhuǎn)彈簧來實(shí)現(xiàn)。模型中共有35個(gè)旋轉(zhuǎn)副，6個(gè)移動(dòng)副。

2 結(jié)果與分析

運(yùn)用Recurdyn軟件進(jìn)行不同預(yù)張力、速度及路面直行三組仿真計(jì)算，分析預(yù)張力、速度及路面對(duì)于張緊力的影響。

2.1 預(yù)張緊力對(duì)于張緊力的影響

預(yù)張緊力是車輛不動(dòng)時(shí)，履帶環(huán)依然均勻張緊，相鄰履帶板間受到的力［6］。預(yù)張緊力對(duì)履帶張緊力的影響較大，行駛部分采用剛性履帶時(shí)，履帶的預(yù)張緊力不超過8kN;對(duì)裝用彈性履帶的車輛，按其質(zhì)量確定，預(yù)張緊力達(dá)到20kN［7］;對(duì)中型和重型軍用履帶車輛，預(yù)張緊力在30kN或30kN以上。模型選取10kN、20kN和40kN預(yù)張力三種情況，對(duì)張緊裝置進(jìn)行預(yù)加載荷。車輛于0～5s內(nèi)在自身重力作用下落至水平路面，在減震器作用下迅速吸振后處于水平靜止?fàn)顟B(tài);5～8s內(nèi)車輛開始加速，由0km/h加速到20km/h，8s后速度維持20km/h。

履帶張緊力變化如圖2曲線所示，從圖中曲線可以看出，履帶張緊力隨履帶預(yù)張緊力的增大而增大，且在履帶均速行駛時(shí)，履帶的張緊力在預(yù)張緊力值上下波動(dòng);在0～5s加速過程中，履帶張緊力先減小，后增大，主要由于松邊履帶在初始狀時(shí)處于松弛狀態(tài)，加速時(shí)，松邊的履帶板之間不是拉力作用，而是擠壓力作用，因此會(huì)有一個(gè)力的減小過程;隨著速度的提高，松邊開始張緊，張緊力值逐漸增大;速度穩(wěn)定后，履帶張緊力的變化具有周期性，變化周期與預(yù)張緊力無關(guān)。車輛行駛過程中，上支履帶為緊邊，因此當(dāng)履帶板與主動(dòng)輪嚙合時(shí)，張緊力出現(xiàn)極值;當(dāng)履帶退出嚙合時(shí)，進(jìn)入松邊，張緊力值往往較小。

圖2 不同預(yù)張力履帶張緊力仿真曲線

2.2 不同速度仿真

不同速度行駛時(shí)，車輛的俯仰角變化不同，履帶板上下振動(dòng)也不同。設(shè)定履帶預(yù)張力為20kN，車輛在干沙路面分別以20km/h和30km/h行駛，速度仿真曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，車輛速度為30km/h時(shí)，履帶張緊力小于速度為20km/h時(shí)，且履帶張緊力在行駛過程中，振動(dòng)幅度變小，振動(dòng)周期變短。

2.3 同路面仿真

履帶與地面直接接觸，因此路面對(duì)履帶車輛的行駛性能影響較大，尤其在沙地行駛時(shí)。車輛在干沙路面行駛時(shí)存在下陷，因此有泥沙進(jìn)入下支履帶和負(fù)重輪之間，這對(duì)履帶系統(tǒng)的影響較嚴(yán)重。選用2種典型路況，堅(jiān)實(shí)與干沙路面，保持履帶預(yù)張緊力為20kN，履帶行駛速度為20km/h，進(jìn)行車輛的行駛仿真，對(duì)比履帶車輛的動(dòng)態(tài)張緊力。

圖3 不同速度履帶張緊力仿真曲線

圖4 不同路面張緊力仿真曲線

仿真結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，當(dāng)車輛速度穩(wěn)定在20km/h時(shí)，履帶張緊力成周期性變化。干沙路面行駛，張緊力的振動(dòng)幅度大于堅(jiān)實(shí)路面，且干沙行駛時(shí)極小值較為突出，這主要由于干沙路面泥沙較松散，車輛在干沙路面行駛時(shí)有一定下陷。高速行駛時(shí)，履帶車輛起伏大，因此履帶的振動(dòng)較大。上支履帶緊邊張緊力突變，出現(xiàn)極大值;下支履帶松邊張緊程度差，出現(xiàn)極小值，易出現(xiàn)脫輪或耙齒現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文用Recurdyn軟件中的高速履帶模塊建立履帶車輛的多剛體模型，分析預(yù)張緊力、速度、路面三個(gè)因素對(duì)履帶張緊力的影響。結(jié)果表明:履帶行走機(jī)構(gòu)張緊力隨預(yù)張緊力的增大而增大，且在履帶均速行駛過程后，履帶行走機(jī)構(gòu)張緊力在預(yù)張緊力上下波動(dòng);速度的提高使張緊力的振動(dòng)幅度變小、變化周期減小，但極大值出現(xiàn)頻率增大;干沙路面張緊力狀況不夠理想，張緊力的振動(dòng)幅度大于堅(jiān)實(shí)路面，極小值較突出，松邊張緊程度差，易出現(xiàn)脫輪或耙齒現(xiàn)象。

［1］姚友良.履帶車輛行走裝置動(dòng)力學(xué)仿真［J］.機(jī)械與電子，2011(21):95-96.

［2］Hub K，Cho B H.Development of a track tension monitoring system in tracked vehicles on flat ground［J］.Journal of Automobile Engineering，2001，215(5):567-578.

［3］袁芬，張明.高速履帶車輛誘導(dǎo)輪張緊力的計(jì)算與仿真［J］.車輛與動(dòng)力技術(shù)，2008，109(1):44-50.

［4］肖永開，李曉雷.高速履帶車輛履帶預(yù)張緊力對(duì)平順性影響［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2006，23(7):253-255.

［5］史力晨，王良曦，張兵志.履帶車輛轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)仿真［J］.兵工學(xué)報(bào)，2003，24(3):289-293.

［6］閻清東，張連第，趙毓芹.坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)(上)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2007.

［7］宋晗，李曉雷.履帶張緊力的多體動(dòng)力學(xué)仿真［J］.車輛與動(dòng)力技術(shù)，2005，98(2):24-27.