履帶車(chē)輛懸掛系統(tǒng)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

代健健， 陳軼杰， 毛 明

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京100072)

坦克裝甲車(chē)輛的高機(jī)動(dòng)性雖然由動(dòng)力、傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，但最終由行動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而懸掛系統(tǒng)又是整個(gè)行動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵，因此，懸掛系統(tǒng)性能好壞將嚴(yán)重影響整車(chē)機(jī)動(dòng)性的水平.隨著ISD懸掛的快速發(fā)展及扭桿油氣復(fù)合懸掛構(gòu)型設(shè)想的提出，以上述兩種懸掛形式為代表的新型懸掛，使得履帶車(chē)輛懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更多的選擇.為掌握履帶車(chē)輛懸掛系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，立足于現(xiàn)有文獻(xiàn)，分析研究了被動(dòng)懸掛、半主動(dòng)懸掛、主動(dòng)懸掛及新型懸掛的特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，給出了我國(guó)履帶車(chē)輛懸掛系統(tǒng)發(fā)展方向的建議.

1 被動(dòng)懸掛

履帶車(chē)輛懸掛系統(tǒng)是指將車(chē)體與負(fù)重輪連接起來(lái)的所有部件的總稱(chēng)，包括彈性元件、減振元件、限制器、導(dǎo)向裝置等[1].被動(dòng)懸掛是指懸掛的彈性和阻尼參數(shù)不會(huì)隨外部狀態(tài)而變化的懸掛形式.按彈性元件分類(lèi)，懸掛系統(tǒng)可分為扭桿懸掛、油氣懸掛、混合懸掛等.

1.1 扭桿懸掛

扭桿懸掛主要由扭桿彈簧、減振器及平衡肘等組成.受篇幅限制，本節(jié)只對(duì)扭桿彈簧開(kāi)展分析，減振器及平衡肘不做相關(guān)介紹.扭桿彈簧實(shí)際上是橫向安裝在車(chē)底甲板上的細(xì)長(zhǎng)金屬桿，通過(guò)扭轉(zhuǎn)吸收地面對(duì)車(chē)體的沖擊能量.它具有安裝空間小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、保護(hù)性好及工藝相對(duì)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但扭桿懸掛剛度幾乎不變，固有頻率較高，俯仰角振動(dòng)的阻尼力不足，且受扭桿材料性能限制，懸掛動(dòng)行程較小，導(dǎo)致其對(duì)路面適應(yīng)能力不足，因此限制了履帶車(chē)輛越野速度的提高.常用的扭桿懸掛安裝布局如圖1所示.

圖1 常用扭桿懸掛安裝布局

主戰(zhàn)坦克常常采用高強(qiáng)度扭桿彈簧作為懸掛系統(tǒng)的彈性元件，如我國(guó)現(xiàn)役的99系列主戰(zhàn)坦克、美國(guó)的M1系列主戰(zhàn)坦克、德國(guó)“豹2”坦克均安裝了扭桿懸掛系統(tǒng).“豹2”坦克的行動(dòng)裝置具有良好的減振性能，負(fù)重輪行程比“豹1”坦克提高了30%，總吸功能力提高79%，達(dá)到422 kN·m，在高度為500 mm的起伏路面上行駛時(shí)，其速度可達(dá)“豹1”的2倍[2]；早在1977年，美國(guó)M1主戰(zhàn)坦克動(dòng)行程達(dá)到了381 mm，名義剪應(yīng)力達(dá)到了1 318 MPa[3]；俄羅斯的T-90S的動(dòng)行程達(dá)到了320 mm，而名義剪應(yīng)力更是達(dá)到了1 588 MPa[4].而我國(guó)扭桿懸掛的動(dòng)行程一般不超過(guò)300 mm，名義剪應(yīng)力不超過(guò)1 300 MPa，與國(guó)外先進(jìn)坦克應(yīng)用的扭桿懸掛還有一定差距.

扭桿懸掛經(jīng)常在強(qiáng)沖擊、大負(fù)載下工作，工作失效的主要形式是因過(guò)載或疲勞而引起的扭桿彈簧斷裂.當(dāng)前研究主要集中在新型材料研制、制造工藝優(yōu)化及懸掛布局等方面，以提高扭桿彈簧強(qiáng)度、疲勞壽命及懸掛和整車(chē)性能.美國(guó)采用真空電弧重熔方法冶煉的30VAR鋼制造扭桿，工作壽命提高了近4倍[2].用于坦克裝甲車(chē)輛的扭桿彈簧通常采用45CrNiMoVA鋼，通常要求疲勞試驗(yàn)壽命不少于70萬(wàn)次.李文剛及李樹(shù)梅等[5-6]先后針對(duì)某型扭桿彈簧臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)發(fā)生早期斷裂的現(xiàn)象開(kāi)展研究，采用斷口分析和金相檢驗(yàn)等研究方法分析扭桿斷裂原因，結(jié)果表明：花鍵表面存在脫碳現(xiàn)象；在交變載荷沖擊下，在花鍵齒根產(chǎn)生疲勞源，使其在扭轉(zhuǎn)9萬(wàn)次時(shí)斷裂；在熱處理加熱時(shí)，添加覆蓋物和涂料以保護(hù)花鍵齒，此外采用(430±20)℃回火，以避開(kāi)回火脆性溫度能夠預(yù)防扭桿彈簧早期疲勞斷裂.

在實(shí)際扭桿彈簧加工過(guò)程中，蒸汽膜內(nèi)氣體流動(dòng)規(guī)律及由蒸汽膜方式向沸騰方式轉(zhuǎn)型的先后順序影響工件冷卻快慢和均勻性，導(dǎo)致淬火態(tài)硬度低且高低不均.杜勤等[7]應(yīng)用田口的穩(wěn)健設(shè)計(jì)思想研究了預(yù)處理和終處理過(guò)程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，結(jié)果表明：熱處理工藝參數(shù)、預(yù)扭角度、扭轉(zhuǎn)速度及輥壓力對(duì)扭桿彈簧的疲勞壽命起關(guān)鍵作用，應(yīng)用田口方法確定的最佳工藝加工的扭桿彈簧疲勞壽命得到大幅提高.

此外，扭桿懸掛有很多布置方案，如：最常用的兩軸不同心布置的單扭桿式懸掛裝置和兩軸同心布置的單扭桿式懸掛裝置.不同布局形式有不同的懸掛及整車(chē)性能.徐國(guó)英等[8]計(jì)算并對(duì)比了等剛度、不等剛度等多種布局下的行駛平順性和緩沖可靠性的相關(guān)指標(biāo)，分析了扭桿不等剛度布局下的大剛度扭桿布置在中部負(fù)重輪上的的合理性，結(jié)果表明：等剛度布局具有較好整車(chē)性能，大剛度扭桿在中部布置性能較好.

1.2 油氣懸掛

油氣懸掛主要由油氣彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)等組成.油氣彈簧集成了彈性元件和阻尼元件，從而起到緩沖減振的作用，省去了扭桿懸掛中單獨(dú)的減振器結(jié)構(gòu).

履帶車(chē)輛使用油氣懸掛的出發(fā)點(diǎn)是利用其非線性、變剛度特性及可實(shí)現(xiàn)車(chē)姿調(diào)整、懸掛閉鎖等功能，能夠在一定程度上提高平均越野速度，改善車(chē)輛的平順性，但密封及可靠性等問(wèn)題制約了其在重載主戰(zhàn)坦克上的推廣應(yīng)用.

國(guó)外有關(guān)國(guó)家對(duì)油氣彈簧研究起步較早，有成熟的理論體系，日本、英國(guó)及法國(guó)等國(guó)已能成熟應(yīng)用于各型主戰(zhàn)坦克.日本最新研制的10式主戰(zhàn)坦克采用了先進(jìn)的電控油氣懸掛，可實(shí)現(xiàn)車(chē)姿調(diào)整及懸掛閉鎖等功能，最大速度可達(dá)70 km/h，能較好地適應(yīng)日本的多起伏地形.同樣采用油氣懸掛的90式坦克負(fù)重輪行程高達(dá)500 mm，能以較高的車(chē)速(40 km/h)在起伏地上行駛，調(diào)節(jié)車(chē)體后可越過(guò)1 m高的垂直障礙.法國(guó)勒克萊爾主戰(zhàn)坦克也采用了油氣懸掛裝置，最大越野速度可達(dá)55 km/h以上，可順利通過(guò)0.8 m高垂直墻及3 m寬壕溝.美國(guó)的14KISU肘內(nèi)油氣懸掛是M1坦克的原始設(shè)計(jì)，若取代標(biāo)準(zhǔn)扭桿懸掛可減重約1 000 kg，延長(zhǎng)履帶壽命，提高射擊精度，改善乘坐舒適性，野外試驗(yàn)1 600 km無(wú)需維修，并通過(guò)了10 000 km當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)[2].

在應(yīng)用方面，我國(guó)的輕型空降戰(zhàn)車(chē)采用了油氣懸掛，具備調(diào)節(jié)車(chē)姿的功能，ADK17導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)及122 mm火箭炮也采用了油氣懸掛，提高了發(fā)射平臺(tái)的射擊穩(wěn)定性及機(jī)動(dòng)性.

在油氣懸掛建模方面，WeigelM等[9]基于標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)諧激勵(lì)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了油氣懸掛的非參數(shù)模型；FarjoudA等[10]建立了單筒式油氣懸掛的非線性參數(shù)化模型，研究了不同孔參數(shù)、過(guò)渡區(qū)對(duì)其非線性特性的影響，并采用試驗(yàn)方法對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)識(shí)別；李躍等[11]利用統(tǒng)計(jì)線性化方法，分析了油氣懸掛關(guān)于線性剛度的迭代收斂性，并驗(yàn)證其有效性，但不具備實(shí)時(shí)性；董懷力[12]應(yīng)用實(shí)際氣體狀態(tài)方程和Blasius公式建立了油氣懸掛數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證了模型的正確性，仿真分析了油氣懸掛激勵(lì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)其位移、速度特性曲線的影響規(guī)律.

在油氣懸掛特性研究方面，油氣彈簧參數(shù)及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)參數(shù)變化會(huì)對(duì)懸掛特性及整車(chē)平順性和操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響.仝軍令等[13]研究了主活塞直徑、減振閥上的阻尼孔及單向閥水力直徑等關(guān)重參數(shù)的變化對(duì)行駛平順性、動(dòng)行程和動(dòng)載荷等懸架性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明油氣彈簧的主活塞直徑影響最大.油氣懸掛溫升問(wèn)題與其存在的摩擦力及減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，溫升導(dǎo)致懸掛特性和車(chē)姿發(fā)生一定程度的改變.Jeong-UK Seo等[14]對(duì)磁流變阻尼油氣彈簧的溫升特性進(jìn)行了研究.目前我國(guó)油氣彈簧溫升問(wèn)題的研究理論體系還不夠健全，無(wú)法精確預(yù)測(cè)、控制溫升情況，理論與試驗(yàn)還有一定誤差.溫升導(dǎo)致的車(chē)姿變化可通過(guò)車(chē)姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采取相應(yīng)的控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，黃剛等[15]通過(guò)內(nèi)外環(huán)不同的控制策略可實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的控制.

我國(guó)油氣彈簧的設(shè)計(jì)主要受密封件性能的限制，靜密封問(wèn)題較易解決，高速高壓動(dòng)密封問(wèn)題較難解決，還需要從結(jié)構(gòu)型式、材料配方及裝配工藝開(kāi)展研究.Schmidt T等[16]使用有限元方法計(jì)算了密封的混合潤(rùn)滑對(duì)彈性體流體動(dòng)力潤(rùn)滑的影響；陳軼杰、高曉東、桂鵬等[17-19]研究設(shè)計(jì)了帶環(huán)型閥片的阻尼閥結(jié)構(gòu)，對(duì)其溫升特性及新型組合密封形式展開(kāi)研究，并研究了阻尼閥系參數(shù)對(duì)油氣懸掛減振器示功特性的影響規(guī)律.

1.3 混合懸掛

車(chē)首、車(chē)尾的懸掛在減小俯仰角振動(dòng)中的作用大于中間負(fù)重輪上的懸掛，而可調(diào)式油氣懸掛造價(jià)較高，因此在高強(qiáng)度扭桿問(wèn)世之后，科研人員便嘗試將中間負(fù)重輪的油氣懸掛替換成高強(qiáng)度扭桿懸掛，而車(chē)首、車(chē)尾懸掛采用可調(diào)油氣懸掛，這種懸掛形式稱(chēng)為混合懸掛[2].某型混合懸掛布置圖如圖2所示.

圖2 混合懸掛布局圖

混合懸掛兼顧了高強(qiáng)度扭桿彈簧和可調(diào)油氣彈簧兩種懸掛的優(yōu)點(diǎn)，既保證了懸掛的功能又降低了油氣懸掛系統(tǒng)造價(jià)，節(jié)省了車(chē)姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)的液壓源和連接管線，一定程度上提高了懸掛的可靠性，是坦克裝甲車(chē)輛懸掛裝置發(fā)展的方向之一.韓國(guó)的K1、日本的88式坦克及我國(guó)的PGZ-09型雙35 mm自行高炮都采用了混合懸掛，減小了車(chē)體俯仰給乘員造成的不舒適，并可實(shí)現(xiàn)車(chē)姿可調(diào)、懸掛閉鎖功能，提高了武器命中精度.

扭桿懸掛的剛度特性接近于線性，油氣懸掛的剛度特性具有非線性，要充分發(fā)揮扭桿懸掛與油氣懸掛的性能特點(diǎn)，載荷及特性匹配是關(guān)鍵.張玉珍、方永壽等[20-21]先后對(duì)混合懸掛的動(dòng)態(tài)特性及特性匹配進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了特性匹配是混合懸掛設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)，說(shuō)明較好的匹配能夠?qū)崿F(xiàn)較好的平順性.

混合懸掛性能上雖然較純扭桿懸掛好，功能上也能實(shí)現(xiàn)車(chē)姿可調(diào)、懸掛閉鎖等，但仍然存在一定的局限性，如在單輪懸掛上，依然面臨著扭桿懸掛應(yīng)力較大、油氣懸掛過(guò)載帶來(lái)的密封和可靠性問(wèn)題.此外，混合懸掛屬于被動(dòng)懸掛，懸掛性能有限，并不能根據(jù)來(lái)自地面的激勵(lì)主動(dòng)改變剛度或阻尼的參數(shù)，因此主動(dòng)懸掛便應(yīng)運(yùn)而生.

2 主動(dòng)、半主動(dòng)懸掛

2.1 主動(dòng)懸掛

主動(dòng)懸掛的概念最早是由美國(guó)的Federspiel-La-brose教授于1955年提出，用作動(dòng)器替代彈性元件與阻尼器，根據(jù)設(shè)定的控制策略，最大限度降低車(chē)體振動(dòng)，改善車(chē)輛的平順性和安全性，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛減振特性的最優(yōu)化[2].當(dāng)前主動(dòng)懸掛主要分為3類(lèi)：主動(dòng)油氣懸掛、電磁主動(dòng)懸掛、饋能式主動(dòng)懸掛.理論上主動(dòng)懸掛能顯著提高車(chē)輛機(jī)動(dòng)性，提高行進(jìn)間射擊精度和操控性，但其需要安裝復(fù)雜的液壓管路，成本高，可靠性低，體積龐大，增加了車(chē)輛總重量，且需要消耗大量的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，因此應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克在工程上較為困難.

美國(guó)L-3電子通信公司研制的電控主動(dòng)懸掛系統(tǒng)(ECASS系統(tǒng))用高能帶寬度的可控機(jī)電致動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的橫向、縱向搖動(dòng)及車(chē)輛平穩(wěn)起伏的主動(dòng)控制，致動(dòng)器還起到電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的作用，還能實(shí)現(xiàn)車(chē)姿調(diào)平功能，研究結(jié)果表明：ECASS系統(tǒng)顯著提高了越野機(jī)動(dòng)性及其裝載能力.在L-3公司資助下，2011年Beno等人以“槍騎兵”偵察車(chē)為試驗(yàn)平臺(tái)，比較裝配混裝懸掛、原電磁主動(dòng)懸掛、新改進(jìn)后的電磁主動(dòng)懸掛、磁流變半主動(dòng)懸掛等不同懸掛對(duì)車(chē)輛平順性的影響[22]，又以此試驗(yàn)平臺(tái)，研制了圖3所示的旋轉(zhuǎn)式電磁懸掛系統(tǒng)并申請(qǐng)了專(zhuān)利[23]，試驗(yàn)結(jié)果表明越野機(jī)動(dòng)性提高了50%，穩(wěn)定性提高了30%.

圖3 旋轉(zhuǎn)式電磁作動(dòng)器

主動(dòng)懸掛的研究主要分為4個(gè)部分：高性能作動(dòng)器的研究設(shè)計(jì)、饋能式主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的研究、控制策略研究以及底盤(pán)各主動(dòng)控制系統(tǒng)的聯(lián)合控制研究[2].KalpeshSingal等[24]對(duì)無(wú)外力源自適應(yīng)天棚阻尼主動(dòng)懸掛開(kāi)展了相關(guān)研究，對(duì)比了主動(dòng)懸掛與被動(dòng)懸掛在寬頻范圍內(nèi)的性能，當(dāng)激勵(lì)頻率低于0.4 Hz時(shí)，主動(dòng)懸掛性能比被動(dòng)懸掛差，而基于天棚阻尼饋能的主動(dòng)懸掛能夠使車(chē)輛在全頻范圍內(nèi)有較好的效果.2016年，馮占宗等[25-26]建立了高速履帶車(chē)輛電磁懸掛饋能減振器的復(fù)雜制動(dòng)力學(xué)模型，分析了關(guān)重參數(shù)的影響規(guī)律及功率供需矛盾問(wèn)題.

在控制算法方面，近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在履帶車(chē)輛懸掛控制方面進(jìn)行了大量研究[27-30]，提出了自適應(yīng)控制、模糊控制等多種控制算法，但很難滿(mǎn)足多目標(biāo)的控制要求，為此，提出了聯(lián)合控制多種算法，提高了控制穩(wěn)定性和精確性.張進(jìn)秋等[31]采用LQR最優(yōu)主動(dòng)控制算法對(duì)電磁主動(dòng)懸掛開(kāi)展了仿真分析，結(jié)果表明該控制方法可行性高，車(chē)輛行駛平順性得到了大幅度提高.盡管相關(guān)成果較多，但均未能順利進(jìn)入工程裝車(chē)階段.主要有以下幾方面制約因素：系統(tǒng)的強(qiáng)非線性、控制輸入的不精確性、目標(biāo)控制的復(fù)雜性、解耦控制和故障時(shí)的穩(wěn)定性、與車(chē)輛底盤(pán)其他主動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)合控制問(wèn)題、控制系統(tǒng)與控制算法的快速高效性以及控制系統(tǒng)的體積、重量、成本等，因此工程中還只能采用較簡(jiǎn)單的控制算法[2].

2.2 半主動(dòng)懸掛

半主動(dòng)懸掛的出現(xiàn)晚于主動(dòng)懸掛，主要指懸掛減振器阻尼力可調(diào)的懸掛，主要由彈性元件、阻尼可控減振器(阻尼元件)、控制系統(tǒng)等部件組成.半主動(dòng)懸掛理論上能夠提高車(chē)輛行駛平順性及通過(guò)性，但其可靠性不足，只是主動(dòng)懸掛不成熟或成本過(guò)高的一種無(wú)奈選擇.

在半主動(dòng)懸掛應(yīng)用方面，美國(guó)坦克機(jī)動(dòng)車(chē)研發(fā)及工程中心先后在M1A1及M2等車(chē)上進(jìn)行肘內(nèi)比例閥-氣體變阻尼半主動(dòng)懸掛道路試驗(yàn)，建立了專(zhuān)用機(jī)動(dòng)技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)(MTTB).道路試驗(yàn)結(jié)果表明，與被動(dòng)懸掛相比，半主動(dòng)懸掛在一定程度上提高了車(chē)輛的乘坐舒適性，平均降低車(chē)身垂直振動(dòng)加速度26%、側(cè)傾角振動(dòng)8%、俯仰角加速度30%;在越障試驗(yàn)中，半主動(dòng)懸掛的極限行駛速度平均提高14%，最大提高68%[32]。可見(jiàn)半主動(dòng)懸掛在履帶車(chē)輛上具有很好的應(yīng)用前景.

在半主動(dòng)懸掛研究方面，主要集中在智能材料及控制策略?xún)煞矫?前者主要涉及磁流變液減振器和電流變液減振器，后者主要涉及最優(yōu)控制策略、自適應(yīng)控制、滑?？刂萍澳：刂频?Jurkiewicz Andrzej、K El Majdoub、高曉東、孔令杰及武云鵬等對(duì)履帶車(chē)輛半主動(dòng)懸掛的懸掛模型、控制策略及新型材料的研究較為深入，取得了較多的成果[33-37]，但尚未能成熟應(yīng)用主戰(zhàn)坦克上或應(yīng)用性能不夠理想而被迫放棄.

傳統(tǒng)彈簧-阻尼懸架系統(tǒng)雖然經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，但一直存在整車(chē)平順性和操縱穩(wěn)定性的矛盾，只能折中設(shè)計(jì)，限制了整車(chē)性能的提高，主動(dòng)、半主動(dòng)懸掛雖然理論上能明顯提高車(chē)輛行駛平順性，但面臨較多技術(shù)難題，還不能應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克上.近年來(lái)國(guó)內(nèi)外科研人員不斷探索新的懸掛形式以提高懸掛及整車(chē)性能，因此以慣容-彈簧-阻尼懸掛(ISD懸掛)和扭桿油氣復(fù)合懸掛為代表的新型懸掛應(yīng)運(yùn)而生.

3 新型懸掛

3.1 ISD懸掛

慣容器于2001年由Smith教授根據(jù)機(jī)電相似理論首次提出，在第二類(lèi)機(jī)電相似理論中，由于質(zhì)量元件與電容元件不能完全對(duì)應(yīng)，引入慣容的概念，可將對(duì)應(yīng)關(guān)系變成慣容與電容對(duì)應(yīng)，因而解決了質(zhì)量元件“接地”的難題，由此形成了新機(jī)電相似理論.慣容器具有兩個(gè)獨(dú)立且能夠自由運(yùn)動(dòng)的端點(diǎn)，其質(zhì)量較小，具有獨(dú)立的慣質(zhì)系數(shù)，它無(wú)需附加任何端點(diǎn)在慣性基礎(chǔ)上，具有有限線性行程.慣容器的本質(zhì)是利用其內(nèi)部的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在與之相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)物體之間提供一種產(chǎn)生慣性力的“虛質(zhì)量”[38].

但慣容器存在被擊穿、背隙及非線性等問(wèn)題.慣容元件在行程超過(guò)其上限時(shí)會(huì)被擊穿，將無(wú)法正常工作，懸掛性能將迅速降低.背隙存在于機(jī)械式慣容器中，影響機(jī)械結(jié)構(gòu)中的彈性力，進(jìn)而影響力學(xué)特性.在機(jī)械系統(tǒng)中，摩擦力、背隙、彈性效應(yīng)是產(chǎn)生非線性特性的主要原因，而在流體系統(tǒng)中的非線性特性則是由油液的遲滯摩擦、彈性可壓縮性及液壓元件的阻尼力造成的.

近年來(lái)，慣容器得到迅速發(fā)展，已出現(xiàn)齒輪齒條、滾珠絲杠、液壓、流體等多種結(jié)構(gòu)形式的慣容器.其中絲杠旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠慣容器原理圖如圖4所示.飛輪和絲杠固結(jié)為端點(diǎn)b，沿軸線運(yùn)動(dòng)的螺母與行程室固結(jié)為另一端點(diǎn)a，兩點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲杠和飛輪一起旋轉(zhuǎn)，將直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).

圖4 絲杠旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠慣容器

在ISD懸掛中，慣容器是一種新型儲(chǔ)能元件，能夠緩和地面沖擊，但慣容器無(wú)獨(dú)自承擔(dān)靜載的能力，故仍需由彈簧承擔(dān)靜載作用.彈簧-阻尼懸掛對(duì)緩和和衰減來(lái)自路面的高頻沖擊和振動(dòng)性能較好，但對(duì)其低頻部分的振動(dòng)熄振效果不好.由于慣容器具有通高頻、阻低頻的特性，因此ISD懸掛可降低人體敏感的低頻沖擊和振動(dòng).現(xiàn)階段的ISD懸掛在結(jié)構(gòu)上仍屬無(wú)源被動(dòng)懸掛，有較豐富的網(wǎng)絡(luò)特性，可向半主動(dòng)、主動(dòng)ISD懸掛發(fā)展.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在ISD懸架領(lǐng)域不斷探索，申請(qǐng)了很多專(zhuān)利，Smith教授及團(tuán)隊(duì)、Wang以及中國(guó)北方車(chē)輛研究所、江蘇大學(xué)及重慶大學(xué)等科研院校對(duì)慣容器開(kāi)展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，出現(xiàn)了較多形式的新型慣容器，并成功驗(yàn)證了ISD懸架系統(tǒng)有相對(duì)于傳統(tǒng)懸架明顯的優(yōu)勢(shì)，在方程式賽車(chē)、火車(chē)、摩托車(chē)等有著較為成功的應(yīng)用，但在履帶車(chē)輛上的應(yīng)用研究較少，杜甫、毛明等[39-40]建立了如圖5所示的21種具有慣容器的通用懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，并獲得部分發(fā)明專(zhuān)利[41]，并研究了ISD懸掛在高機(jī)動(dòng)履帶車(chē)輛上的合理布置形式，建立了整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，提出了參數(shù)優(yōu)化方法，結(jié)果表明:其中5種結(jié)構(gòu)具有較大的應(yīng)用潛力，并驗(yàn)證了慣容器阻低頻的特點(diǎn)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析及臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了ISD懸掛具有較大的研究及應(yīng)用于高機(jī)動(dòng)履帶車(chē)輛上的價(jià)值.

圖5 ISD懸掛通用工程結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段的ISD懸掛理論體系還不夠健全，且慣容器存在工藝、體積、性能及元件匹配等問(wèn)題，進(jìn)而影響其在試驗(yàn)中的性能表現(xiàn)，限制了ISD懸掛應(yīng)用于實(shí)際隔振體系中.因此，還需對(duì)慣容器及ISD懸架在以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究[42]：慣容器的高效率、小型化、高可靠性及非線性開(kāi)展創(chuàng)新設(shè)計(jì)及研究；模塊化、輕量化及集成化的ISD懸架的開(kāi)發(fā)；ISD懸架網(wǎng)絡(luò)綜合及履帶車(chē)輛應(yīng)用研究.

3.2 扭桿油氣復(fù)合懸掛

在實(shí)際工作中，扭桿彈簧的故障主要是由于過(guò)載或疲勞而斷裂，油氣彈簧常常出現(xiàn)的故障是由于過(guò)載或疲勞而造成密封失效，其油氣彈簧的溫升會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛姿態(tài)及特性發(fā)生變化，從而影響履帶車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性及戰(zhàn)斗力的發(fā)揮.2017年，中國(guó)北方車(chē)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，以既滿(mǎn)足扭桿彈簧和油氣彈簧的可靠性要求，又能提高整車(chē)懸掛系統(tǒng)的性能[43].相較于單一扭桿懸掛和油氣懸掛，理論上有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)與扭桿懸掛相比，具有明顯的非線性、變剛度及變阻尼特性.能夠很好地適應(yīng)不同路面環(huán)境帶來(lái)的沖擊與振動(dòng)，熄振速度更快，降低平衡肘撞擊限位塊概率，乘員感覺(jué)更加舒適.

2)延長(zhǎng)扭桿彈簧的使用壽命.在凹凸不平的路面行駛時(shí)，油氣彈簧將會(huì)分擔(dān)很大一部分沖擊與振動(dòng)，減少扭桿彈簧所承受的沖擊力，有效減少扭桿的塑形變形，保護(hù)扭桿彈簧，提高了扭桿彈簧可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命.

3)能改善油氣彈簧的溫升特性.扭桿彈簧為油氣彈簧分擔(dān)一部分承載力，能夠改善油氣彈簧的受力環(huán)境，改善其溫升特性，減小溫升帶來(lái)的車(chē)姿變化對(duì)懸掛特性的影響.

4)增加油氣彈簧可靠性.扭桿彈簧的使用，可降低油氣彈簧氣室氣壓，從而降低了對(duì)組合密封的要求，增加了油氣彈簧的可靠性和耐久性.

5)良好的使用維護(hù)性.復(fù)合懸掛設(shè)計(jì)中所有的復(fù)合懸掛的幾何尺寸都相同，外觀相同，只是油氣彈簧的充氣壓力，阻尼閥不同，不會(huì)出現(xiàn)扭桿直徑不一致的情形，因此具有良好的使用維護(hù)性.

此外，若油氣懸掛遭到破壞，扭桿懸掛可降級(jí)使用，雖然性能不如復(fù)合懸掛，但依然可以使用，提高了戰(zhàn)場(chǎng)生存能力.

文獻(xiàn)[43]對(duì)復(fù)合懸掛在靜平衡位置的扭桿、油氣懸掛的靜載荷分配開(kāi)展了相關(guān)研究，并考慮了車(chē)姿變化對(duì)復(fù)合懸掛特性的影響.研究結(jié)果表明：復(fù)合懸掛的實(shí)質(zhì)是綜合油氣懸掛和扭桿懸掛各自的優(yōu)勢(shì)，并提高彈性元件的可靠性.在一定條件下，靜載荷分配是復(fù)合懸掛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，存在合理分配范圍，但其研究并未得到試驗(yàn)驗(yàn)證，還需在以下幾個(gè)方面開(kāi)展深入研究：復(fù)合懸掛的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，開(kāi)展輕量化、模塊化研究；整車(chē)復(fù)合懸掛非線性特性?xún)?yōu)化匹配；搭建復(fù)合懸掛試驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)展各項(xiàng)試驗(yàn).

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以扭桿懸掛、油氣懸掛和混合懸掛為代表的被動(dòng)懸掛、主動(dòng)懸掛、半主動(dòng)懸掛以及以ISD懸掛和扭桿油氣復(fù)合懸掛為代表的新型懸掛的現(xiàn)狀及應(yīng)用的研究分析，對(duì)我國(guó)履帶車(chē)輛懸掛系統(tǒng)的發(fā)展提出以下幾點(diǎn)建議：

1)深入研發(fā)可工程應(yīng)用的主動(dòng)、半主動(dòng)懸掛.主動(dòng)、半主動(dòng)懸掛相較于被動(dòng)懸掛，其技術(shù)上更為先進(jìn)，能夠明顯改善履帶車(chē)輛平順性及操縱穩(wěn)定性，使其成為未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向，但必須解決關(guān)鍵技術(shù)難題才能應(yīng)用于復(fù)雜工況的高機(jī)動(dòng)重載主戰(zhàn)坦克上.

2)積極研究新型懸掛.以ISD懸掛及扭桿油氣復(fù)合懸掛為代表的新型懸掛具有較大的應(yīng)用于高機(jī)動(dòng)履帶車(chē)輛的潛力，值得繼續(xù)就上文所提到的相關(guān)問(wèn)題深入開(kāi)展研究.

3)重視基礎(chǔ)理論研究，改進(jìn)材料與工藝.我國(guó)在履帶車(chē)輛上應(yīng)用的油氣懸掛及整車(chē)非線性振動(dòng)理論、減振器的熱力學(xué)、特性匹配等基礎(chǔ)理論研究還不夠完善，應(yīng)當(dāng)重視相關(guān)基礎(chǔ)研究.此外，還應(yīng)當(dāng)改進(jìn)扭桿彈簧和油氣彈簧的材料和制造、裝配等工藝，以提高彈性元件的力學(xué)性能，進(jìn)而提高懸掛系統(tǒng)的性能.

4)提高懸掛可靠性.不論哪種懸掛形式，懸掛可靠性直接影響履帶車(chē)輛在戰(zhàn)場(chǎng)上機(jī)動(dòng)性及戰(zhàn)斗力的發(fā)揮，我國(guó)履帶車(chē)輛懸掛都面臨著可靠性問(wèn)題，因此懸掛高可靠性應(yīng)當(dāng)作為工程應(yīng)用的重點(diǎn).