高速履帶車輛不同位置扭力軸剛度變化規(guī)律研究

徐國英，王 闖，姚新民，王 濤

(裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072)

【裝備理論與裝備技術】

高速履帶車輛不同位置扭力軸剛度變化規(guī)律研究

徐國英，王 闖，姚新民，王 濤

(裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072)

扭力軸是現代坦克最重要的彈性元件，其本身體積較小所處的工作環(huán)境也較為惡劣還要承受大量擾動載荷，坦克達到一定行程后扭力軸剛度會發(fā)生變化，針對坦克不同位置扭力軸承受不同擾動載荷，造成其剛度變化不同的問題；通過測量兩種不同車型坦克的不同位置的扭力軸的剛度，探究坦克的不同位置的扭力軸的剛度變化規(guī)律；分析得出距離車體質心距離越小扭力軸剛度變化越小，安裝減震器可以有效減少扭力軸剛度變化的結論。

懸掛裝置；扭力軸剛度；測試實驗

扭力軸一般是安裝在車體與負重輪之間，一端固定在車體上，一端隨著負重輪的擺動，然后通過自身沿軸心的旋轉變形來吸收負重輪擺動能量，達到吸收坦克振動的目的。扭力軸是現代坦克最主要的懸掛零件，但是由于其工作環(huán)境惡劣，需要承載大量的擾動載荷，所以使用一段時間后容易發(fā)生斷裂，易造成故障[1-4]。

坦克行駛過程中，扭力軸受到大應力交變載荷的作用，扭力軸常常發(fā)生斷裂現象，疲勞斷裂是其主要的失效形式[5-6]。坦克不用位置的扭力軸受到的擾動載荷不同，其剛度變化不同，使用壽命也就不盡相同，研究不同位置扭力軸剛度變化規(guī)律，更加了解扭力軸斷裂的原因，對科學制定扭力軸更換時間有積極的意義[8-11]。

1 扭力軸剛度變化的影響

扭力軸主要通過吸收坦克的振源引起的振動，達到保護坦克的部件以及避免乘員受到強烈振動和沖擊[2-3]。扭力軸隨著坦克的行駛里程的增多，扭力軸不斷地發(fā)生扭轉，當坦克行駛到一定里程的時候，扭力軸因為扭轉而發(fā)生蠕變、磨損，導致扭力軸的剛度會變小。同時扭力軸前期的扭轉變形在之后漸漸不能滿足要求，只能通過超負荷吸收儲存負重輪沖擊能量來緩解沖擊，這樣就加劇了扭力軸的疲勞損壞，使其剛度下降更快。

扭力軸剛度變化直接決定負重輪懸掛剛度進而影響著車輛的舒適平穩(wěn)性和可靠耐久性[5-7]。

1.1 車輛舒適平穩(wěn)性指標

車輛舒適性指標一般用車輛垂直振動和俯仰振動周期表示[1-2]，縱向角振動周期的表達式為

(1)

式(1)中:Cxi為第i個負重輪的懸掛剛度；li為第i個負重輪到質心的水平距離；n為側的負重輪個數；Iy為懸掛質量對于通過其質心橫軸的轉動慣量。

垂直線振動周期為

(2)

計算小幅振動時，懸掛剛度取車輛靜平衡位置的數值。

1.2 可靠耐久性指標

可靠耐久性指標一般用總比位能表示，平衡肘接觸到限制器時，所有扭力軸可以吸收的總能量和車輛的懸掛重力之比λq稱為總比位能，其表達式為

(3)

式(3)中Gx為懸置質量，一般有Gx=(0.85～0,90)G，為第個扭力軸的最大位能，其值由下式求得

(4)

式(4)中:Ki為第個扭力軸的剛度；θmax i為第i個扭力軸從自由位置到平衡肘撞到限制器時的扭轉角度。平衡肘安裝在扭力軸上，二者的扭轉角相同，其一般表達式為

θi=(α0i-αi)

(5)

式(5)中:α0i為第i個平衡肘的初始安裝角；αi為該平衡肘當前的角度，水平線以上取負值。

因為Ai的一部分是要平衡車體懸置重量的，所以這一部分不參加吸收沖擊能量，因此也用動比位能作為衡量指標

(6)

式(6)中Adi為第i個扭力軸的最大許用位能扣除支撐的懸置重量外剩余的位能。

扭力軸剛度和負重輪懸掛剛度的關系為

(7)

通過公式可以看出扭力軸剛度直接決定負重輪懸掛剛度，而負重輪懸掛剛度的增大，會引起車體固有頻率增大，固有頻率的增大勢必會使振動周期減小，振動周期減少又將使坦克的平穩(wěn)性變壞，同時提高了總比位能和動比位能，使車輛舒適平穩(wěn)性有所提高。

2 不同位置扭力軸剛度的變化

扭力軸剛度隨著車輛行駛里程的增多，其剛度會發(fā)生變化，同一車型不同位置的扭力軸發(fā)生變化的幅度也會有區(qū)別，通過對A、B兩種車型坦克的不同位置扭力軸剛度的測量，來探究不同位置剛度變化的大小及其原因。

2.1 實車試驗

為了反映普遍性，試驗選取A、B兩種車型的坦克，保證著每輛車都沒有更換過扭力軸，A型坦克負重輪有5個位置相應的扭力軸也就有5個位置，5根扭力軸的理論剛度值相同，且第一和第五位置安裝有減震器。B型坦克扭力軸有6個位置。第一、二、六扭力軸的理論剛度值相同且安裝減震器，第三、四、五扭力軸的理論剛度值相同并且沒有安裝減震器。

實驗測試的A型坦克的行程分別是：7 284 km，9 523 km，11 921 km，14 451 km，16 000 km。實驗測試的B型坦克的行駛里程分別是：3 900 km，5 929 km，6 700 km，8 000 km。實驗是通過對平衡肘上施加的拉力和相應的平衡肘轉角來確定扭力軸剛度值。受實驗的環(huán)境的限制，我們采用傳統(tǒng)的杠桿與支架配合進行實驗。

如圖1所示，實驗首先卸掉需要測量扭力軸的負重輪，將杠桿一端靠近車體并固定，下面的鋼絲繩圈套在負重輪軸上，上面的拉力環(huán)套扣于三角支架的掛鉤上，同時使得組合起來的鋼絲繩圈、拉力傳感器和拉力環(huán)保持在鉛垂方向上，在杠桿和拉力環(huán)之間安裝拉力傳感器來記錄力的大小，逐漸下方負重輪，記錄負重輪軸抬升高度f、平衡肘與水平方向夾角α。

圖1 實驗示意圖

在負重輪軸上施加一垂直方向的作用力P，使得扭力軸轉過一定角度α，此時扭力軸的扭矩為

TT=KT(α0-α)=PRacosα

(8)

則扭力軸的剛度可以表示為

(9)

由于實驗的條件有限，在測出每一根扭力軸多組剛度中，計算每一根扭力軸的算術平均剛度值，以減小實驗系統(tǒng)誤差和偶然誤差。

即經過N次測量的扭力軸的算術平均剛度值為

(10)

計算A、B兩種車型的坦克各個扭力軸剛度，計算結果見表1、表2。

表1 A型坦克扭力軸剛度實驗值3

表2 B型坦克扭力軸剛度實驗值

為了便于進行比較，更好的反映扭力軸剛度的變化趨勢，這里我們據所測的實驗值計算各個扭力軸剛度的減少量占本來剛度值的百分比。計算結果見表3、表4。

表3 A型坦克實驗扭力軸剛度的減少量

表4 B型坦克實驗扭力軸剛度的減少量

2.2 扭力軸剛度變化規(guī)律

然后繪制兩種坦克剛度減少量的變化趨勢如圖2所示。通過圖2我們可以得出，A型坦克扭力軸的剛度是隨著坦克行駛里程的增加而逐漸變小，也就是扭力軸會變軟。而且其速度是越來越快。同一輛坦克上左二、左三和左四位置的扭力軸剛度值的減少量大于左一和左五位置剛度值的減少量，其中左二位置的扭力軸剛度值的減少量最大。

圖2 A型坦克扭力軸剛度值減少量的變化趨勢

因為坦克在進行作戰(zhàn)和訓練任務時，經過起伏路段造成車體發(fā)生俯仰振動，產生俯仰角，此時坦克前后負重輪相對于車體的位移最大，即前后負重輪對應的扭桿彈簧變形最大，而負重輪的動行程從車體前后方向向質心位置逐漸降低，所以靠近質心位置的扭力軸剛度變化量較小，但由于左一和左五負重輪處安裝有液力減振器，使得兩處扭力軸在扭轉過程中得到緩沖，所以剛度的減小量相對較小?？梢姕p震器對剛度變化起到額至關重要的作用。

從圖3可以看出B型坦克扭力軸剛度變化相比較A型較小，應為B型坦克采用6個負重輪和較為先進的懸掛，同一位置的扭力軸隨坦克行駛里程的增多，其剛度的減小量逐漸增大。一、二、三扭力軸，左一扭力軸剛度的減少量大于左六扭力軸，因為車體質心偏后，車身在作俯仰振動時，左一負重輪的動行程要大于左六負重輪處，即左一扭力軸的扭轉角要大于左六扭力軸，因此左一扭力軸的減少量大于左六扭力軸。同時還可以看出左二扭力軸剛度減少量少于左一扭力軸，一方面的原因是坦克在行進過程中一般第一個負重輪是第一個受到沖擊，這個時候駕駛員往往下意識降低車速來保持駕駛平衡，這樣就造成第一根扭力軸扭轉的強度比其他扭力軸大很多，另一方面原因是左二扭力軸距離車體質心距離要小于左一扭力軸。而第三位置扭力軸剛度變化幅度小于第四位置，前面說到質心位置偏后，第四位置扭力軸距離質心更小，應該是第四位置的變化最小，可能是因為第三位置扭力軸前面的第一第二位置扭力軸都安裝有減震器，幫助第三位置承擔了大量的擾動載荷，而第四位置后面只有第六位置扭力軸有減震器，所以第三位置扭力軸變化幅度最小。

圖3 B型坦克扭力軸剛度值減少量的變化趨勢

3 扭力軸變化的影響因素的分析

通過實驗可以看出扭力軸變化是有一定根據的，是有規(guī)律可循的。我們可以做出合理的推論與猜想，以下幾個因素是扭力軸變化的影響因素。

3.1 距離質心距離

從實驗可以看出，在同一坦克的扭力軸剛度相同，且在沒有減震器的情況下，距離質心位置越近的扭力軸，剛度變化量越小，其發(fā)生斷裂的可能就越小。如A型坦克第三個位置的扭力軸也就是距離質心距離最小的扭力軸剛度變化最小，而第二位置和第四位置的扭力軸剛度變化相對較大。B型坦克距離質心距離大第一和第六位置扭力軸剛度變化幅度大，而距離質心距離小的三四位置扭力軸剛度變化幅度小。所以說距離質心距離是扭力軸剛度變化的一個重要因素。

3.2 減震器阻尼力

實驗中A型坦克首尾位置扭力軸變化相對較小，就有安裝減震器有阻尼力的作用。而B型坦克通過比較第二位置和第五位置的扭力軸剛度變化，也可以看出減震器可以有效減小扭力軸剛度變化。

坦克前后負重輪有較大的振動加速度，所以一般在坦克的最前端和最后端負重輪處安裝減振器，從而達到衰減坦克產生的縱向角振動，當負重輪受到地面垂直方向力而上升時，負重輪受到扭力軸彈簧的阻力和減振器的阻力，減振器阻尼力增加，而負重輪受到的垂直方向力和扭力軸的剛度保持不變，則負重輪垂直方向的振動加速度就會減小，相應的對車體的沖擊和扭力軸受到的扭力就會減弱，扭力軸剛度變化趨勢減弱，前后扭力軸剛度變化較小就有阻尼力的原因。

4 結論

本文首先論述了扭力軸變化對坦克自身的影響，然后針對坦克不同位置的剛度變化規(guī)律不同的特點，選取多種里程的A、B兩種坦克，對其懸掛關鍵彈簧元件扭力軸的剛度進行了測量，其中著重對各個坦克不同位置的剛度變化進行了測量，分析得出車體質心距離越小剛度變化越小，安裝減震器可以有效減小扭力軸剛度變化的結論。

[1] 王彥才.車輛扭桿彈簧設計與制造[M].北京：國防工業(yè)出版社，1996:1-6.

[2] 閆清東，張連第，劉輝.坦克構造與設計[M].北京：北京理工大學出版社，2006:421-429.

[3] 黃璉.坦克結構與計算[M].長春:裝甲兵技術學院，1985:417-530.

[4] 丁法乾.履帶式裝甲車輛懸掛系統(tǒng)動力學[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004:198-222.

[5] 王良曦，王紅巖.車輛動力學[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008.1-24.

[6] 孫偉，李軍，劉西俠.裝甲車輛構造[M].北京:裝甲兵工程學院，2006:139-152.

[7] 尤·帕·沃爾科夫，阿·弗·巴依科夫，彼·得·巴·拉·諾夫.履帶車輛的設計與計算[M].北京:北京理工大學出版社，1996:490-512.

[8] 陳兵，顧亮，王文瑞.主戰(zhàn)坦克懸掛系統(tǒng)發(fā)展趨勢研究[J].車輛與動力技術.2003(4):50-54.

[9] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社，1989:21-34.

[10]李傳才.履帶式裝甲車輛懸掛性能研究與仿真[D].太原:中北大學出版社，2013:10 -58.

[11]張克健.車輛地面力學[M].北京:國防工業(yè)出版社，2002:90-102.

(責任編輯 周江川)

Research on Changing Rule of Torsional Axis Stiffness Indifferent Positions of Tanks

XU Guo-ying, WANG Chuang, YAO Xin-min, WANG Tao

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Torsion bar is the most important elastic element of modern tanks. The volume of torsion bar is small and its working environment is harsh. It also needs to bear the disturbance load repeatedly. Therefore, the stiffness of torsion bar will change when the tank reaches a certain mileage. The stiffness changes of torsion bars in different positions of the same tank are not identical because of the different load they take. Through the measurements of the stiffness of torsion bars in different positions on two models of tanks, we explored the rule of the torsion bar stiffness change in different positions of tanks. The conclusion is that the torsion bars closer to the vehicle centroid suffer smaller stiffness change, and the shock absorber can help reducing the stiffness change effectively.

tank suspension; stiffness of torsion bars; experiment measuring

2015-03-20

徐國英(1965—)，男，博士，副教授，主要從事車輛工程研究。

10.11809/scbgxb2015.08.002

徐國英，王闖，姚新民，等.高速履帶車輛不同位置扭力軸剛度變化規(guī)律研究[J].四川兵工學報，2015(8):5-8.

format:XU Guo-ying, WANG Chuang, YAO Xin-min, et al.Research on Changing Rule of Torsional Axis Stiffness Indifferent Positions of Tanks[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):5-8.

TJ811

A

1006-0707(2015)08-0005-04