扭桿油氣復(fù)合懸掛特性研究

代健健，毛 明，陳軼杰，張亞峰，杜 甫

(中國(guó)北方車輛研究所， 北京 100072)

履帶車輛懸掛系統(tǒng)是履帶車輛實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)性的重要組成部分。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外高機(jī)動(dòng)履帶車輛懸掛系統(tǒng)主要采用扭桿懸掛和油氣懸掛[1]。扭桿懸掛具備制造簡(jiǎn)單、工藝成熟、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但由于剛度幾乎不變，導(dǎo)致其對(duì)路面的適應(yīng)性較差。油氣懸掛具有明顯的非線性、變剛度等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的路面適應(yīng)能力，但油、氣密封可靠性差和溫升導(dǎo)致的懸掛特性及車姿變化。在實(shí)際工程中，扭桿彈簧的故障主要是由于過(guò)載或疲勞而斷裂，油氣彈簧的故障主要是由于溫升過(guò)載或疲勞引起密封失效和車姿變化。

為提高履帶車輛機(jī)動(dòng)性和可靠性，一些科研院校開(kāi)展了一系列研究及探索[2-6]，例如：內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)研發(fā)了高強(qiáng)度扭桿彈簧新材料，使扭桿最大許用應(yīng)力超過(guò)1250MPa，從而提高了扭桿懸掛的性能和可靠性；中國(guó)北方車輛研究所積極開(kāi)發(fā)各型油氣懸掛，已應(yīng)用在多種輕中型履帶車輛上。為提高主戰(zhàn)坦克的機(jī)動(dòng)性能和行動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，2017年，中國(guó)北方車輛研究所提出了將扭桿彈簧和油氣彈簧并聯(lián)的復(fù)合懸掛的構(gòu)型設(shè)想，相對(duì)扭桿懸掛能提高懸掛系統(tǒng)的性能，又能滿足扭桿彈簧和油氣彈簧的可靠性要求，本研究就是針對(duì)這種新構(gòu)型的復(fù)合懸掛開(kāi)展特性建模及其載荷匹配對(duì)特性的影響規(guī)律研究。

1 復(fù)合懸掛彈性特性

本文以某型履帶車輛為研究對(duì)象，旨在提高其行駛平順性，使乘員獲得更舒適的駕乘感受，以進(jìn)一步提高越野速度。考慮到實(shí)際過(guò)程中扭桿彈簧與油氣彈簧的失效形式，綜合各自優(yōu)勢(shì)，將油氣彈簧取代減振器，并承擔(dān)扭桿懸掛部分載荷，起到儲(chǔ)能和減振的作用?？紤]到履帶車輛懸掛空間布置要求及彈性元件技術(shù)成熟度，設(shè)計(jì)了如圖1所示的扭桿油氣復(fù)合懸掛，在該模型中，油氣彈簧上鉸支點(diǎn)和扭桿固定端與車體連接，下鉸支點(diǎn)通過(guò)平衡肘上的銷耳與平衡肘連接。

圖1 扭桿—油氣復(fù)合懸掛三維圖

工作原理圖如圖2，H為車底距地高，E為平衡肘轉(zhuǎn)動(dòng)中心與車底距離，HL為履帶板高度，D為負(fù)重輪直徑，δ為輪緣變形量，R為平衡肘轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，r為拉臂OB的長(zhǎng)度，l為油氣彈簧任意位置的長(zhǎng)度，α為平衡肘與水平線的夾角。

圖2 復(fù)合懸掛工作原理圖

在壓縮行程時(shí)，負(fù)重輪帶動(dòng)平衡肘逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，扭桿彈簧與油氣彈簧儲(chǔ)存能量，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能，同時(shí)油氣彈簧產(chǎn)生一定阻尼力，轉(zhuǎn)換為熱能；在復(fù)原行程時(shí)，扭桿彈簧與油氣彈簧釋放能量，推動(dòng)平衡肘順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，同時(shí)油氣彈簧產(chǎn)生較大阻尼力，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能。

由于阻尼力僅由油氣彈簧承擔(dān)，其減振閥的設(shè)計(jì)方法等同于純油氣懸掛的減振閥的設(shè)計(jì)方法，因此復(fù)合懸掛的阻尼特性與油氣懸掛的阻尼特性相同。

1.1 彈性特性數(shù)學(xué)建模

復(fù)合懸掛同時(shí)采用扭桿懸掛和油氣懸掛，必然涉及承載力分配的問(wèn)題，靜平衡位置扭桿懸掛和油氣懸掛各自承擔(dān)靜載荷的大小對(duì)懸掛參數(shù)及特性有重要影響，如：油氣彈簧初始充氣壓力、扭桿彈簧工作直徑等參數(shù)會(huì)根據(jù)承載力進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。引入靜載荷分配系數(shù)λ，對(duì)靜平衡位置時(shí)二者承擔(dān)的靜載荷進(jìn)行分配，λ定義為扭桿懸掛靜載荷與懸掛系統(tǒng)靜載荷的比值。若單輪靜平衡位置承載力為Ffj，則扭桿懸掛靜載荷Fnj=λFfj，油氣懸掛靜載荷Fyj=(1-λ)Ffj。

初步設(shè)計(jì)時(shí)，以車底距地高H、負(fù)重輪動(dòng)行程fd等參數(shù)作為設(shè)計(jì)輸入，假定油氣彈簧主活塞與浮動(dòng)活塞橫截面積相等，油氣彈簧氣體為理想氣體。

1.1.1 扭桿懸掛彈性特性

負(fù)重輪行程f與α的關(guān)系：

f=R(sinαj-sinα)

(1)

式中，αj為平衡肘位于靜平衡位置時(shí)與水平線夾角，αj=arcsin[(H+E-HL-0.5D+δ)/R]。以靜平衡位置為零點(diǎn)，規(guī)定靜平衡位置向上為正，向下為負(fù)。

扭桿直徑d為扭桿彈簧最關(guān)鍵的參數(shù)，應(yīng)當(dāng)滿足最大剪切應(yīng)力τmax小于許用剪切應(yīng)力[τmax]：

(2)

式中：d為扭桿直徑；Gt為扭桿材料剪切模量；L為扭桿工作長(zhǎng)度；W為扭桿材料抗扭截面系數(shù)，W=πd3/16；θmax為扭桿最大扭轉(zhuǎn)角。

在fd一定的條件下，扭桿扭轉(zhuǎn)到最大角度時(shí)平衡肘與水平線的夾角α1：

α1=arcsin[(H+E-HL-0.5D+δ-fd)/R]

(3)

扭桿彈簧的靜扭矩Mj：

(4)

式中：θj為扭桿從初始安裝位置扭轉(zhuǎn)到靜平衡位置的扭轉(zhuǎn)角，即靜扭角?？傻门U靜平衡位置剪切應(yīng)力τj=Mj/W。

靜扭角θj與θmax、α1、αj的關(guān)系：

θj=θmax-(αj-α1)

(5)

綜合式(2)～式(5)，可推出d與[τmax]的關(guān)系：

(6)

在設(shè)計(jì)d時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)系列直徑d代入式(6)，可驗(yàn)證d是否滿足強(qiáng)度條件，若不滿足，說(shuō)明在該直徑下，扭桿將會(huì)發(fā)生斷裂；若任意d都不滿足要求，則說(shuō)明設(shè)計(jì)的動(dòng)行程fd過(guò)大。

平衡肘初始安裝角α0=αj+θj，將其代入式(1)可得負(fù)重輪靜行程fj。

扭桿懸掛彈性力Fn[1]：

(7)

扭桿懸掛剛度系數(shù)Kn[1]:

1.1.2 油氣懸掛彈性特性

懸掛杠桿比I=|OD|/Rcosα，|OD|為平衡肘轉(zhuǎn)動(dòng)中心距油氣彈簧上、下鉸支點(diǎn)中心線的距離，靜平衡位置杠桿比Ij=|OD|j/Rsinαj。

對(duì)于油氣彈簧，在設(shè)計(jì)時(shí)通常使靜平衡位置的壓強(qiáng)在某值Pj0附近較為合適，可根據(jù)Fyj和Ij推出理論上的浮動(dòng)活塞直徑dh0，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選取相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)浮動(dòng)活塞直徑dh。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)dh求出靜平衡位置的壓強(qiáng)Pj=Fyj/(Ij·Ah)。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[7-8]：

(常數(shù))

(8)

任意位置油氣彈簧壓強(qiáng)P：

(9)

式中：lmax為油氣彈簧上下鉸接點(diǎn)最長(zhǎng)距離(位于初始安裝位置時(shí))；l為任意位置油氣彈簧上下鉸接點(diǎn)距離。

油氣懸掛彈性力Fy：

Fy=Ah(P-Pa)I

(10)

油氣懸掛剛度系數(shù)Ky:

(11)

因此，復(fù)合懸掛彈性力Ft=Fn+Fy。復(fù)合懸掛剛度系數(shù)K=Kn+Ky。

1.2 復(fù)合懸掛性能參數(shù)

復(fù)合懸掛的性能參數(shù)涉及緩沖可靠性和行駛平順性兩個(gè)方面。緩沖可靠性表示彈性元件的疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備，常用動(dòng)比位能Ed來(lái)評(píng)價(jià)。行駛平順性表示對(duì)地面不平度的隔振性能，常用自由振動(dòng)周期Tj來(lái)評(píng)價(jià)。

動(dòng)比位能Ed[9]：

(12)

自由振動(dòng)周期Tj[9]：

(13)

式中：m為簧上質(zhì)量；Kj為靜平衡位置復(fù)合懸掛剛度。

動(dòng)比位能越大，表示坦克裝甲車輛彈性元件吸收振動(dòng)能量的能力越強(qiáng)。在負(fù)重輪行程一定的條件下，動(dòng)比位能越大，要求彈性元件剛度越大，但剛度越大，會(huì)使自由振動(dòng)周期越小，車輛行駛平順性越差。因此，復(fù)合懸掛的性能參數(shù)Ed和Tj是一對(duì)矛盾參數(shù)，只能折中設(shè)計(jì)。

1.3 仿真分析

根據(jù)懸掛布置空間及密封件性能等方面的約束，初步設(shè)計(jì)復(fù)合懸掛部分參數(shù)如表1所示。

編程仿真分析可得油氣懸掛、扭桿懸掛、復(fù)合懸掛的彈性特性曲線和剛度特性曲線，如圖3、圖4所示。

表1 部分設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 復(fù)合懸掛彈性特性曲線

圖4 復(fù)合懸掛剛度特性曲線

圖4～圖5中扭桿懸掛彈性力幾乎呈線性增長(zhǎng)，其剛度變化不大，而油氣懸掛在小行程時(shí)彈性力變化不大，剛度較小，在大行程時(shí)呈現(xiàn)較明顯的非線性特性，剛度增長(zhǎng)較快，最大行程時(shí)的剛度比靜平衡位置的剛度大15倍以上，復(fù)合懸掛彈性力符合預(yù)期增長(zhǎng)趨勢(shì)，在小行程時(shí)基本呈線性增長(zhǎng)，在大行程時(shí)迅速增長(zhǎng)，具有一定程度的非線性。

1.4 復(fù)合懸掛靜載荷分配研究

為獲得理想的目標(biāo)特性曲線，在H、fd等參數(shù)一定的條件下，為方便對(duì)比分析，盡可能使fj保持一致，研究復(fù)合懸掛中扭桿懸掛和油氣懸掛靜載荷匹配對(duì)懸掛性能的影響規(guī)律。利用Matlab編程仿真分析，得到λ從0到1，即純油氣懸掛—復(fù)合懸掛—純扭桿懸掛變化過(guò)程中的彈性元件參數(shù)及復(fù)合懸掛性能參數(shù)變化情況如表2所示。

表2 彈性元件參數(shù)及復(fù)合懸掛性能參數(shù)

在每個(gè)λ取值時(shí)，扭桿直徑d和浮動(dòng)活塞直徑dh取標(biāo)準(zhǔn)值，dh在λ為0～0.5時(shí)為70 mm。這是由于油氣懸掛承受載荷過(guò)大，所需要的dh已超過(guò)布置空間限制；對(duì)于dh和H0的設(shè)定應(yīng)當(dāng)以使復(fù)合懸掛具有一定程度的非線性特性及Pmax不超過(guò)壓力閾值為依據(jù)?？蓮谋?中看出以下幾點(diǎn)：

1) 復(fù)合懸掛使扭桿懸掛、油氣懸掛各自分擔(dān)一部分載荷，降低了扭桿彈簧的剪切應(yīng)力和油氣彈簧的壓強(qiáng)，因而相對(duì)于純扭桿懸掛和純油氣懸掛，彈性元件可靠性得到提高，振動(dòng)周期和動(dòng)比位能介于純扭桿懸掛和純油氣懸掛之間。因此，扭桿油氣復(fù)合懸掛的實(shí)質(zhì)是行駛平順性在純油氣懸掛和純扭桿懸掛之間折中，并使彈性元件可靠性提高。

2)λ增大，d逐漸增大，dh在布置空間限制下逐漸減小，H0逐漸減小。

3) 隨著λ增大，Ed逐漸增大，說(shuō)明緩沖可靠性提高，Ts減小，說(shuō)明行駛平順性變差。

4)λ為0～0.3時(shí)，油氣懸掛起主要作用，因而此區(qū)間復(fù)合懸掛靜剛度較小，自由振動(dòng)周期比較理想，但油氣懸掛承載過(guò)大，導(dǎo)致油氣彈簧壓力過(guò)大，對(duì)密封件要求較高。λ為0.8～1時(shí)，扭桿懸掛起主要作用，剛度較大，因而動(dòng)比位能較大，但扭桿彈簧剪切應(yīng)力較大，甚至超過(guò)許用剪切應(yīng)力，發(fā)生斷裂；通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)復(fù)合懸掛特性曲線基本貼合扭桿懸掛特性曲線，油氣懸掛此時(shí)所起作用已經(jīng)很小，復(fù)合懸掛非線性較弱，如圖5所示。因此，在不考慮溫升帶來(lái)的特性變化的條件下，λ在0.3～0.8，才可能使復(fù)合懸掛工程可實(shí)現(xiàn)，并達(dá)到利用油氣懸掛非線性特性的初衷。

然而當(dāng)車輛長(zhǎng)時(shí)間工作或在惡劣工況下行駛時(shí)，油氣彈簧溫度升高，氣體膨脹，會(huì)導(dǎo)致車姿發(fā)生一定程度變化，懸掛特性也會(huì)發(fā)生一定變化，若車姿變化較大，將會(huì)影響車輛的正常行駛。

圖5 λ為0.8的彈性特性曲線

2 油氣懸掛的溫升引起車姿變化對(duì)復(fù)合懸掛性能的影響

油氣懸掛的溫升會(huì)導(dǎo)致車姿升高，假設(shè)新靜平衡位置溫度為T1，車姿升高量為H1，則溫度變化系數(shù)TK為：

TK=T1/Tj

(14)

由式(8)可推出：

Pj1(H0-sj1)=TK(H0-sj)Pj

(15)

式中：sj為車姿升高前的油氣彈簧靜行程；Pj1、sj1分別為車姿升高后的氣體壓強(qiáng)和油氣彈簧靜行程。

車姿升高H1，αj將增大，扭桿懸掛在新靜平衡位置的彈性力Fnt1將減小ΔF，而復(fù)合懸掛靜載荷不變，因此車姿升高將引起載荷轉(zhuǎn)移，扭桿懸掛減小的彈性力ΔF將增加到油氣懸掛上，λ為0.5時(shí)的載荷轉(zhuǎn)移原理圖如圖6。

因此，油氣懸掛在新靜平衡位置的彈性力Fyj1為：

Fyj1=Fyj+ΔF

(16)

車姿升高后，杠桿比變?yōu)镮1，由式(10)可推出Fyj1和Pj1、I1的關(guān)系。且sj與H1存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可通過(guò)迭代法求出H1的值。

利用Matlab編程，得到了不同λ下的車姿變化量隨溫度的變化曲線，如圖7所示。

圖6 載荷轉(zhuǎn)移原理圖

圖7 不同λ下的H1與溫度的關(guān)系曲線

從圖7可看出，隨著溫度的升高，H1基本上呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，在λ為0.4時(shí)，溫度升高至130 ℃，車姿變化量達(dá)到了靜行程的38.1%，會(huì)影響車輛的行駛狀態(tài)。當(dāng)λ逐漸增大，車姿升高量逐漸減小，且增長(zhǎng)趨勢(shì)也減緩，當(dāng)λ為0.8時(shí)，溫度升高至130 ℃時(shí)，車姿變化量為靜行程的8.9%。由此可見(jiàn)溫升和λ對(duì)車姿變化量影響較大。

溫升導(dǎo)致車姿發(fā)生變化引起載荷轉(zhuǎn)移，會(huì)使懸掛特性曲線發(fā)生改變。λ為0.5時(shí)，溫度升高至130 ℃與常溫下的車姿變化前后的懸掛特性曲線對(duì)比如圖8所示。

圖8 車姿變化前后懸掛特性曲線對(duì)比

由圖6可知，扭桿懸掛在新的靜平衡位置的靜載荷減小，但只是靜平衡位置點(diǎn)發(fā)生改變，因此在圖8中扭桿懸掛特性曲線在溫度變化時(shí)是重合的。而油氣懸掛靜載荷則相應(yīng)增加，油氣懸掛的特性曲線將會(huì)發(fā)生變化，從圖8中可看出，油氣懸掛彈性力整體較車姿變化前增大，因而使得復(fù)合懸掛的彈性力整體增大。

根據(jù)圖8和式(12)、式(13)可知，復(fù)合懸掛動(dòng)比位能增加，緩沖可靠性得到提高；復(fù)合懸掛靜剛度在車姿變化前后基本不發(fā)生改變，因此車姿變化對(duì)自由振動(dòng)周期影響不大。

另一方面，油氣彈簧壓強(qiáng)增大才使得油氣懸掛彈性力增大，因此，溫升后的氣體壓強(qiáng)也是考慮的因素之一。經(jīng)計(jì)算，在130 ℃時(shí)，Pmax上升到了60 MPa。若油氣懸掛承載較大，則壓強(qiáng)會(huì)更高，密封件將受到更大壓力。因此，對(duì)于本設(shè)計(jì)的復(fù)合懸掛，在H和fd一定和當(dāng)前密封件技術(shù)水平下，λ應(yīng)當(dāng)在0.5～0.8選擇較為合適。

3 結(jié)論

1) 扭桿油氣復(fù)合懸掛的實(shí)質(zhì)是行駛平順性在純油氣懸掛和扭桿懸掛之間折中，并使彈性元件可靠性提高；

2) 靜載荷分配系數(shù)λ對(duì)復(fù)合懸掛特性參數(shù)和彈性元件的可靠性有重要影響；

3) 在現(xiàn)有扭桿材料和油氣彈簧密封技術(shù)水平下，λ應(yīng)當(dāng)為0.5～0.8，才能實(shí)現(xiàn)該復(fù)合懸掛工程，且性能有所提高；

4) 采用復(fù)合懸掛后，油氣懸掛的溫升引起車姿升高現(xiàn)象較純油氣懸掛有明顯改善，不會(huì)對(duì)行駛平順性產(chǎn)生影響。