基于層次分析法的液壓驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)車輛底盤設(shè)計(jì)方案優(yōu)選

王 超，何曉輝，沈新民，劉安心，徐 磊

（陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

為了進(jìn)一步提高戰(zhàn)術(shù)車輛的機(jī)動(dòng)性、能量回收率和越野性能等優(yōu)點(diǎn)，本文依據(jù)項(xiàng)目要求將設(shè)計(jì)出某型戰(zhàn)術(shù)車輛三種底盤方案以滿足相應(yīng)軍用需求。

1 層次分析法

層次分析法（AHP）是美國國家工程院院士Saaty教授提出的一種多指標(biāo)決策分析方法。該方法廣泛應(yīng)用于工程、經(jīng)濟(jì)、軍事、政治、外交等領(lǐng)域，是一種定量分析與定性分析相結(jié)合的有效方法[1-2]。層次分析法通過對評價(jià)目標(biāo)進(jìn)行逐層分解，細(xì)化指標(biāo)，在對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行評判得分，并乘以相應(yīng)權(quán)數(shù)后得出最終結(jié)論[3]。該方法計(jì)算過程相對簡單，對戰(zhàn)術(shù)車輛底盤設(shè)計(jì)方案的評價(jià)將定量與定性問題相結(jié)合，從而得到更為客觀、真實(shí)的評價(jià)結(jié)果[4]。

2 液壓驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)車輛底盤設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)

液壓驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)車輛可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)的不同設(shè)計(jì)出多種方案。每種方案都有自己的特點(diǎn)，根據(jù)項(xiàng)目要求和原型車特點(diǎn)，下面給出三種設(shè)計(jì)方案。

2.1 方案一

在汽車的后橋前部裝一個(gè)液壓泵/馬達(dá)，并將液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置完整。其基本技術(shù)方案見圖1.

圖1 方案一

液壓泵/馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)后橋工作，并可以由這個(gè)液壓泵/馬達(dá)完成常規(guī)制動(dòng)，而前輪的常規(guī)制動(dòng)裝置和液壓泵/馬達(dá)則同時(shí)完成車輛的緊急制動(dòng)時(shí)[5-6]。本方案對原車底盤改動(dòng)很小，控制策略較為簡單，制動(dòng)安全性好，但幾乎是直接把液壓系統(tǒng)加裝到底盤上，整車的質(zhì)量劇增，改裝后離地間隙沒有改變，沒有提高戰(zhàn)術(shù)車輛的越野性能。

2.2 方案二

在車輛前橋的左右車輪各裝一個(gè)液壓泵/馬達(dá)，并將液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置完整。其基本技術(shù)方案見圖2.

圖2 方案二

車輛的驅(qū)動(dòng)由這兩個(gè)液壓泵/馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)。制動(dòng)方式與方案一相同。本方案拆除前輪驅(qū)動(dòng)橋及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等，相對于方案一減輕了整車整備質(zhì)量并可以實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，系統(tǒng)能量損失減小，燃油經(jīng)濟(jì)性變好，但相對方案一控制系統(tǒng)難度加大。

2.3 方案三

在車輛的前后左右四個(gè)車輪各裝一個(gè)液壓泵/馬達(dá)，并將液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置完整。基本方案見圖3.

圖3 方案三

該方案中的四個(gè)液壓泵/馬達(dá)可以根據(jù)車輛的行駛工況需要同時(shí)或單獨(dú)進(jìn)行工作。液壓系統(tǒng)的四個(gè)液壓泵/馬達(dá)實(shí)現(xiàn)車輛的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)。四個(gè)液壓泵/馬達(dá)在控制系統(tǒng)控制下可以單獨(dú)或同時(shí)工作，因此，該種方案可以很大程度上提高車輛的操縱穩(wěn)定性和通過性。由于采用了四個(gè)液壓泵/馬達(dá)，在相對于采用兩個(gè)變量液壓泵/馬達(dá)的車輛來說，其排量可以降低一倍。這樣可以減小體積，方便其在車輛上的安裝布置[7-8]。燃油經(jīng)濟(jì)性得到了很大的提升。但每個(gè)車輪上都裝了一個(gè)變量液壓泵/馬達(dá)，這使車輛的造價(jià)較高，且需要專門的輪邊馬達(dá)。整車控制系統(tǒng)也變得十分復(fù)雜。

3 底盤最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的AHP決策過程

3.1 最優(yōu)設(shè)計(jì)方案AHP模型的建立

層級結(jié)構(gòu)的最高層為決策目標(biāo)即底盤最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。第二層為準(zhǔn)則層，這一層包含了機(jī)動(dòng)靈活性、操縱控制性和燃油經(jīng)濟(jì)性，它們是實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)方案所涉及的評價(jià)準(zhǔn)則和影響評價(jià)的因素。它們還可以包含若干子準(zhǔn)則層，機(jī)動(dòng)靈活性可分解為體積、整備質(zhì)量、離地間隙和差速轉(zhuǎn)向四個(gè)子準(zhǔn)則，操縱控制性可分解為能源管理系統(tǒng)控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制、傳動(dòng)系統(tǒng)控制和制動(dòng)安全性四個(gè)子準(zhǔn)則，燃油經(jīng)濟(jì)性可分解為傳動(dòng)系統(tǒng)總效率、能量利用率、制動(dòng)能的回收再利用效率和系統(tǒng)能量損失四個(gè)子準(zhǔn)則。第三層為方案層，此層為實(shí)現(xiàn)最理想結(jié)果提供可選擇的不同方案。遞階層次結(jié)構(gòu)中的層數(shù)由所評價(jià)方案的復(fù)雜程度決定，越復(fù)雜的方案層次也越多；但是為了避免運(yùn)算的困難，一般每一層次中，各元素所支配的子元素不超過9個(gè)。見圖4.

圖4 最優(yōu)設(shè)計(jì)方案AHP模型

3.2 最優(yōu)設(shè)計(jì)方案判斷矩陣分析

結(jié)合該戰(zhàn)術(shù)車輛的實(shí)際需求根據(jù)專家意見和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對機(jī)動(dòng)靈活性、操縱控制性和燃油經(jīng)濟(jì)性三個(gè)準(zhǔn)則進(jìn)行兩兩比較來打分。為了使判斷定量化，一般采用1-9比例標(biāo)度法[9]，一級判別矩陣如表1.

表1 第一層指標(biāo)判別矩陣

λmax為矩陣的最大特征值，CI和CR分別為判斷矩陣一致性指標(biāo)和隨機(jī)一致性比率。RI可通過矩陣判斷隨機(jī)一致性指標(biāo)表查出[10]。經(jīng)過計(jì)算，該矩陣滿足一致性檢驗(yàn)。

3.3 二級指標(biāo)組合權(quán)重計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

根據(jù)以上的步驟同理計(jì)算出各基層因素在相應(yīng)準(zhǔn)則中的權(quán)重，見表2~4.

表2 機(jī)動(dòng)靈活性有關(guān)指標(biāo)判別矩陣

表3 操縱控制性有關(guān)指標(biāo)判別矩陣

表4 燃油經(jīng)濟(jì)性有關(guān)指標(biāo)判別矩陣

以上各判別矩陣均通過一致性檢驗(yàn)，因此，比較矩陣有效。

3.4 指標(biāo)項(xiàng)組合權(quán)重

當(dāng)一級指標(biāo)和二級指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)求出后，即可得到各指標(biāo)的組合權(quán)重，將其進(jìn)行排序，如表5所示。

表5 目標(biāo)權(quán)重計(jì)算及排序

3.5 最優(yōu)設(shè)計(jì)方案選擇

邀請專家評價(jià)打分，通過計(jì)算得出各方案的最終綜合分?jǐn)?shù)，選出最優(yōu)方案，見表6，方案三得分最高，為83.882分，方案二次之，為82.089分，方案一得分最低，為75.153分。由此可知方案三為最佳方案。

表6 底盤設(shè)計(jì)方案評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

基于層次分析法模型，對液壓驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)車輛底盤設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化選擇。在本文研究中可以得出以下結(jié)論：

（1）方案一由于液壓馬達(dá)與車橋相連，所以無差速轉(zhuǎn)向，整車質(zhì)量和體積很大但控制簡單、制動(dòng)安全性較好。

（2）方案二體積質(zhì)量相對于方案一較小，且燃油經(jīng)濟(jì)性四項(xiàng)均高于方案一，控制難度也比方案三低，但沒有解決離地間隙問題，不能滿足戰(zhàn)術(shù)車輛越野性能。

（3）方案三在三個(gè)方案中燃油經(jīng)濟(jì)性四項(xiàng)最好，且拆除了所有車橋，大幅度提升了離地間隙，滿足戰(zhàn)術(shù)車輛越野性能。

（4）根據(jù)層次分析法模型對三種方案評價(jià)最終得分分別為75.153、82.089和83.882分，這表明方案三是液壓驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)車輛底盤設(shè)計(jì)方案的最佳選擇。

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