6 ×6 無(wú)人駕駛車輛懸架系統(tǒng)技術(shù)方案

李栓成，孔瑞祥，陳 欣，秦萬(wàn)軍，王一超

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161;3.71357 部隊(duì)，山東 萊陽(yáng)265206)

美國(guó)陸軍研制的未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)(future combat system，F(xiàn)CS)是由多種系統(tǒng)集成的多功能、網(wǎng)絡(luò)化、輕型化、智能化武器系統(tǒng)，隨著技術(shù)的不斷成熟，該系統(tǒng)已經(jīng)逐步裝備美陸軍部隊(duì)。后勤機(jī)器人車輛MULE，亦稱為運(yùn)輸型“騾子”(圖1 所示)，作為FCS 中的主要運(yùn)輸裝備，主要用于部隊(duì)士兵運(yùn)送武器、彈藥和給養(yǎng)。1 臺(tái)MULE 能夠支援2 個(gè)徒步步兵班，并具備在復(fù)雜地形上伴隨步兵班的機(jī)動(dòng)能力。其主要任務(wù)是為徒步步兵班運(yùn)輸1 900 ～2 400 lb(1lb =0. 454 kg)的裝備和帆布背包，也能夠執(zhí)行傷員后送任務(wù)。

圖1 后勤機(jī)器人車輛MULE

“騾子”的6 ×6 底盤(pán)配有獨(dú)立鉸接式懸架裝置，使其在崎嶇的地形上具備高度的機(jī)動(dòng)性，越障高度達(dá)到1.5 m，大大超過(guò)了美國(guó)陸軍現(xiàn)役其他任何輪式或履帶式車輛的越障高度。其越壕寬也達(dá)到1.5 m，車輛行駛側(cè)坡角度大于40°，涉水深至少為1.25 m。“騾子”采用制動(dòng)式轉(zhuǎn)向裝置，并采用混合電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，每一個(gè)輪胎的輪轂內(nèi)都裝有電動(dòng)機(jī)?！膀呑印本哂泻芨叩目箽裕? 個(gè)輪胎受損或被打掉，剩余的其他5 個(gè)輪胎仍能保持足夠的機(jī)動(dòng)能力。

為滿足未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)物資運(yùn)輸要求，本文以后勤機(jī)器人車輛MULE 為參考，對(duì)6 ×6 無(wú)人駕駛車輛懸架系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了獨(dú)立鉸接懸架系統(tǒng)技術(shù)方案，并對(duì)其進(jìn)行了分析計(jì)算。該項(xiàng)研究將對(duì)我軍未來(lái)無(wú)人駕駛車輛的研制提供參考。

1 基本要求

基于無(wú)人駕駛車輛各種越障及隱身功能，對(duì)懸架系統(tǒng)提出以下要求。

(1)各驅(qū)動(dòng)車輪采用各自獨(dú)立的懸架系統(tǒng)，以保證某一車輪懸架系統(tǒng)損壞，其他車輪懸架系統(tǒng)正常工作。

(2)各車輪的獨(dú)立懸架擺臂可前后大角度擺動(dòng)，單邊擺動(dòng)角度大于90°，并在各擺動(dòng)位置能夠?qū)崿F(xiàn)懸架的緩沖減振功能。

2 布置方案及結(jié)構(gòu)

針對(duì)無(wú)人駕駛車輛對(duì)懸架系統(tǒng)的要求，其懸架系統(tǒng)已經(jīng)脫離傳統(tǒng)的輪式車輛懸架的概念。因此，本文提出了采用旋轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)懸架擺臂的擺動(dòng)、以橡膠彈簧作為減振和緩沖元件的獨(dú)立鉸接懸架結(jié)構(gòu)(如圖2 所示)。該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)懸架擺臂的前后大角度擺動(dòng)，同時(shí)在任何擺角可實(shí)現(xiàn)懸架功能。該懸架系統(tǒng)主要由懸架擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、懸架機(jī)構(gòu)2 個(gè)部分組成。

圖2 獨(dú)立鉸接懸架系統(tǒng)示意

(1)懸架擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)油缸組成，其工作原理如圖3 所示。旋轉(zhuǎn)油缸將液壓能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，并在2 個(gè)方向產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩。結(jié)構(gòu)上主要由封閉的圓柱形液壓缸、限位塊和帶葉片的旋轉(zhuǎn)軸組成。當(dāng)液壓作用在葉片的任何一邊時(shí)，都將使旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)油缸輸出轉(zhuǎn)矩決定于葉片的承壓面積、葉片的數(shù)量及液體的壓力，旋轉(zhuǎn)的速度取決于液體的流量和液壓系統(tǒng)的壓力容積。旋轉(zhuǎn)油缸有單葉片和雙葉片2 種，對(duì)于特殊用途可以采用3 個(gè)或更多的葉片，在液體壓力相同的情況下，隨著葉片數(shù)量的增加，輸出轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)增大。單葉片旋轉(zhuǎn)角度大(最大280°)，輸出轉(zhuǎn)矩低;雙葉片旋轉(zhuǎn)角度小(最大100°)，輸出轉(zhuǎn)矩大?？紤]到無(wú)人駕駛車輛單個(gè)車輪擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大，而擺臂要求的擺動(dòng)角度(從一端極限位置轉(zhuǎn)到另一端極限位置)超過(guò)180°，因此，本方案選用單葉片式旋轉(zhuǎn)油缸。

圖3 旋轉(zhuǎn)油缸工作原理示意

(2)懸架機(jī)構(gòu)。采用橡膠彈簧作為減振和緩沖元件。橡膠彈簧本身具有一定彈性，可作為懸架系統(tǒng)的彈性元件;同時(shí)，橡膠彈簧在變形過(guò)程中，依靠橡膠分子之間的摩擦，具有一定的阻尼作用，可作為懸架系統(tǒng)的阻尼元件。本方案中采用橡膠彈簧結(jié)構(gòu)，使懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸減小、成本降低，且橡膠彈簧免于維護(hù)。

通過(guò)采用本方案懸架系統(tǒng)，無(wú)人駕駛車輛可實(shí)現(xiàn)正常行駛狀態(tài)、趴下?tīng)顟B(tài)、最高狀態(tài)、越臺(tái)階狀態(tài)和側(cè)坡行駛狀態(tài)(如圖4 所示)。

圖4 無(wú)人駕駛車輛各種姿態(tài)示意

3 單個(gè)車輪懸架剛度計(jì)算

3.1 橡膠彈簧扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算

從圖2 可以看出，懸架壓縮時(shí)有相間60°的3塊扇形橡膠彈簧工作?，F(xiàn)將其中一塊橡膠彈簧作為研究對(duì)象，計(jì)算其扭轉(zhuǎn)剛度，然后計(jì)算3 塊橡膠彈簧并聯(lián)工作的扭轉(zhuǎn)剛度。

單塊扇形橡膠彈簧計(jì)算示意如圖5 所示。圖中，R為橡膠彈簧的平均工作半徑，θ 為彈簧的扇形角度，當(dāng)彈簧受力增加ΔF時(shí)，橡膠彈簧的變形為Δθ。設(shè)橡膠彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度為K'

圖5 扇形橡膠彈簧計(jì)算示意

θ，則

式中:ΔM為橡膠彈簧的轉(zhuǎn)矩變化量，N·mm;Δθ為橡膠彈簧的轉(zhuǎn)角變化量，(°)。

對(duì)于橡膠彈簧的壓縮變形，在主要應(yīng)用范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系可表示為

式中:σ 為應(yīng)力，MPa;ε 為應(yīng)變，%;Eα為表觀彈性模量，MPa。

根據(jù)式(2)得

式中:AL為橡膠彈簧承載面積，mm2;θ 為彈簧的扇形角度，(°)。

將式(3)代入式(1)得

橡膠彈簧在壓縮時(shí)，其表觀彈性模量Eα與橡膠元件的幾何形狀有關(guān)，可表示為

式中:i為幾何形狀影響系數(shù);G為橡膠的切變模量，MPa。

對(duì)于圖5 中的扇形橡膠彈簧，在平均工作半徑R較大時(shí)，可以近似視為矩形彈簧，而對(duì)于矩形彈簧，幾何形狀影響系數(shù)i=3.6(1 +2.22S2)，其中，S為橡膠彈簧承載面積AL與自由面積AF之比，對(duì)于矩形彈簧為

式中:a為橡膠彈簧長(zhǎng)度，mm;b為橡膠彈簧寬度，mm;h為橡膠彈簧高度，mm。

對(duì)于式(5)中的切變模量G，在技術(shù)條件中一般不規(guī)定，而是規(guī)定橡膠的硬度。切變模量G和肖氏硬度HS 的關(guān)系在實(shí)用范圍內(nèi)可近似表示為

將式(5)代入式(4)得

懸架工作時(shí)有3 塊扇形橡膠并聯(lián)工作，因此，橡膠彈簧的的扭轉(zhuǎn)剛度Kθ為

3.2 單個(gè)車輪懸架剛度計(jì)算

設(shè)懸架擺臂的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，擺臂的初始擺角為φ0，懸架在地面向上的作用力P的作用下，擺動(dòng)角度變?yōu)棣?，懸架垂直方向變形量為f。單個(gè)車輪懸架剛度計(jì)算示意如圖6 所示。

圖6 單個(gè)車輪懸架線剛度計(jì)算示意

由圖6 的幾何關(guān)系可得

位移對(duì)轉(zhuǎn)角的微分為

又，橡膠彈簧的角位移為

則

力P對(duì)轉(zhuǎn)角φ 微分為

4 實(shí)例計(jì)算

(1)懸架剛度的計(jì)算。依據(jù)無(wú)人駕駛車輛初步戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，無(wú)人駕駛車輛為6 ×6 驅(qū)動(dòng)，滿載質(zhì)量2.5 t，每個(gè)車輪采用擺臂式獨(dú)立鉸接懸架支承，要求在戰(zhàn)場(chǎng)條件下，當(dāng)某2 個(gè)車輪被炸毀時(shí)，車輛能夠依靠其他4 個(gè)車輪正常行駛。因此，每個(gè)車輪的承載質(zhì)量為2.5/4 =0.625 t。無(wú)人駕駛車輛的懸架初始計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1［4］。

表1 無(wú)人駕駛車輛懸架初始計(jì)算參數(shù)

根據(jù)表1 初始參數(shù)及C與轉(zhuǎn)角φ 的關(guān)系，利用Matlab 可以得到C-φ 的關(guān)系曲線(如圖7 所示)。由圖7 可知，懸架是變剛度的，伴隨擺臂轉(zhuǎn)角的增加剛度降低。該變化曲線是此結(jié)構(gòu)形式懸架所特有的。

(2)懸架偏頻計(jì)算。懸架的偏頻是影響車輛平順性的重要參數(shù)，偏頻(n)可按式(13)計(jì)算:

因?yàn)闊o(wú)人駕駛車輛的滿載質(zhì)量為2.5 t，假設(shè)此時(shí)車輛6 個(gè)輪平均受力，則車輛行駛時(shí)單個(gè)懸架的承載質(zhì)量為M=2 500/6 =416.67 kg。

圖7 C-φ 關(guān)系曲線

聯(lián)立式(12)、(13)，利用Matlab 可以得到n-φ 關(guān)系曲線(如圖8 所示)。

圖8 懸架偏頻變化曲線

由圖8 可知，車輛懸架的擺臂角度φ 大于30°時(shí)，懸架偏頻n為1 ～1.6。該懸架符合平順性的基本要求。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)無(wú)人駕駛車輛的懸架要求，提出了鉸接式懸架結(jié)構(gòu)方案。該方案采用橡膠彈簧作為懸架的緩沖減振元件，在前后2 個(gè)方向可以大角度擺動(dòng)，使車輛的軸距隨擺臂的擺角而變化，明顯提高了車輛的越野行駛性能。

(2)以初步研究確定的無(wú)人駕駛車輛及懸架相關(guān)初始參數(shù)，計(jì)算了橡膠彈簧扭轉(zhuǎn)剛度，得出鉸接懸架剛度曲線。結(jié)果表明，隨著擺臂角度的增大，懸架剛度逐漸減小。

(3)對(duì)懸架偏頻進(jìn)行分析計(jì)算得出，車輛懸架的擺臂角度大于30°時(shí)，懸架偏頻n為1 ～1.6，符合平順性的基本要求。

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