復(fù)合懸掛在履帶車輛上的應(yīng)用研究

代健健， 毛 明， 陳軼杰

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

履帶車輛懸掛系統(tǒng)是履帶車輛實現(xiàn)機(jī)動性的重要組成部分.在單輪懸掛中，將扭桿懸掛和油氣懸掛并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式稱為復(fù)合懸掛.文獻(xiàn)[1]針對扭桿油氣復(fù)合懸掛建立了彈性特性數(shù)學(xué)模型，引入了靜載荷分配系數(shù)，開展靜載荷分配研究，結(jié)果表明：扭桿油氣復(fù)合懸掛的實質(zhì)是行駛平順性在油氣懸掛和扭桿懸掛之間折中，并使彈性元件可靠性提高，靜載荷分配系數(shù)對復(fù)合懸掛特性參數(shù)和彈性元件的可靠性有重要影響.為分析復(fù)合懸掛在高機(jī)動履帶車輛上的應(yīng)用潛力，在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上，開展復(fù)合懸掛多體動力學(xué)建模、剛度阻尼匹配研究及靜載荷分配系數(shù)的研究.

1 多體動力學(xué)模型的建立

高機(jī)動履帶車輛多體動力學(xué)模型由車體和行動系統(tǒng)構(gòu)成，其中，行動系統(tǒng)由懸掛系統(tǒng)(含緩沖器)、履帶行駛系統(tǒng)(4輪一板)和張緊裝置等組成.不考慮車體側(cè)傾的影響，只需建立包含單側(cè)行動系統(tǒng)的半車模型，采用自下而上的建模順序建立高機(jī)動履帶車輛參數(shù)化模型.

復(fù)合懸掛由油氣彈簧、扭桿彈簧、拉臂和平衡肘等組成.油氣彈簧一端連接在車體上，另一端通過固連在平衡肘上的拉臂作用于平衡肘.扭桿彈簧一端固定在車體一側(cè)，另一端連接于車體另一側(cè)的平衡肘.油氣彈簧由活塞和缸筒組成，采用桿件表示，其彈性力采用Axial力表示，采用公式表示其動態(tài)彈性力大小；其阻尼力采用油氣彈簧阻尼力與主活塞速度的關(guān)系曲線表示，如圖1所示.

圖1 復(fù)合懸掛參數(shù)化模型

為分析復(fù)合懸掛應(yīng)用在高機(jī)動履帶車輛上的動力學(xué)響應(yīng)，行動系統(tǒng)建模時，采用與某型主戰(zhàn)坦克相同的布局形式和參數(shù)，即負(fù)重輪、誘導(dǎo)輪、主動輪、托帶輪間的位置關(guān)系、車輛重心位置及其至彈性中心的距離、各負(fù)重輪所分配的懸掛靜載荷、負(fù)重輪直徑及平衡肘曲臂半徑均與其保持一致.采用實測坨里越野試驗場路面，最終建立的高機(jī)動履帶車輛半車多體動力學(xué)模型如圖2所示.為對比分析復(fù)合懸掛與該主戰(zhàn)坦克的扭桿懸掛在平順性上的表現(xiàn)，同時建立其多體動力學(xué)模型.

圖2 采用復(fù)合懸掛的履帶車輛半車多體動力學(xué)模型

2 扭桿直徑及阻尼匹配對加速度響應(yīng)的影響

履帶車輛實際行駛數(shù)據(jù)表明：第1、2、6負(fù)重輪處受到?jīng)_擊較大，其中第1負(fù)重輪處受到的沖擊振動最大、動載荷較大，因此第1負(fù)重輪處的負(fù)重輪動行程通常較大，平衡肘中心離車底較高，使其具備較大的動比位能以吸收足夠的沖擊能量，從而避免與障礙物或路面發(fā)生撞擊；第3、4、5負(fù)重輪受到一定程度的沖擊振動，但小于其它負(fù)重輪所受載荷，一般其負(fù)重輪動行程小于其他負(fù)重輪.

在扭桿油氣復(fù)合懸掛中，所有扭桿彈簧具有相同的工作直徑，所有油氣彈簧具有相同的外形參數(shù)，使得其具備較好的通用性[2].

2.1 與某型主戰(zhàn)坦克加速度響應(yīng)結(jié)果對比

為分析將油氣彈簧直接復(fù)合到某型主戰(zhàn)坦克的扭桿彈簧上這一硬復(fù)合方案的動力學(xué)響應(yīng)，將扭桿工作直徑設(shè)計為52 mm，主活塞直徑設(shè)計為70 mm.此外，為使油氣彈簧在行程末端提供較大的彈性力，在設(shè)計時，改變參數(shù)以使油氣彈簧具有較大彈性力，并使油氣彈簧最大壓強(qiáng)小于60 MPa.

復(fù)合懸掛方案1：第1至第6負(fù)重輪每個負(fù)重輪上的復(fù)合懸掛靜載荷分配系數(shù)分別為0.4、0.5、0.7、0.7、0.7、0.4，應(yīng)保證扭桿最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力；第1至第6負(fù)重輪的負(fù)重輪動行程分別為280 mm、230 mm、200 mm、200 mm、210 mm、230 mm；阻尼采用常通孔式的雙向非對稱阻尼，單向孔直徑2 mm，常通孔直徑4.4 mm.

圖3、圖4分別為硬復(fù)合的復(fù)合懸掛方案1與純扭桿懸掛方案在駕駛員處垂向加速度均方根值的對比圖及繞橫軸俯仰角加速度均方根值的對比圖.

圖3 駕駛員處垂向加速度響應(yīng)對比圖

圖4 繞橫軸俯仰角加速度響應(yīng)對比圖

仿真結(jié)果表明：采用硬復(fù)合的方案1的車輛在高速行駛時的加速度響應(yīng)比純扭桿懸掛差，出現(xiàn)上述變化趨勢的原因經(jīng)初步分析認(rèn)為：

1)扭桿工作直徑較大.復(fù)合懸掛方案1的扭桿工作直徑相同，與原車采用的純扭桿懸掛相比(原車采用了2種工作直徑的扭桿結(jié)構(gòu)，復(fù)合懸掛方案1只采用了1種工作直徑)，只改變了第5、6負(fù)重輪的扭桿工作直徑，因此扭桿懸掛的靜剛度幾乎不變，而油氣彈簧分擔(dān)一部分載荷，具有一定剛度系數(shù)，因此復(fù)合懸掛剛度大于純扭桿懸掛的剛度，導(dǎo)致行駛平順性變差；

2)阻尼與剛度的匹配問題.對于懸掛系統(tǒng)，剛度與阻尼的匹配十分重要，若不能較好匹配，會出現(xiàn)即使阻尼較大而平順性較差的現(xiàn)象.

2.2 扭桿工作直徑對加速度響應(yīng)的影響

在復(fù)合懸掛方案1的基礎(chǔ)上，保持油氣彈簧阻尼分配方案不變，將所有扭桿工作直徑從52 mm減小至46 mm，扭桿應(yīng)力條件得到改善；在滿足最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力的條件下，負(fù)重輪動行程設(shè)計為290 mm、245 mm、210 mm、210 mm、220 mm、240 mm.經(jīng)計算，各扭桿彈簧的靜應(yīng)力、最大應(yīng)力和油氣彈簧最大壓強(qiáng)均滿足條件.動力學(xué)仿真結(jié)果對比如圖5、圖6所示.

圖5 駕駛員處垂向加速度響應(yīng)對比圖

圖6 繞橫軸俯仰角加速度響應(yīng)對比圖

仿真結(jié)果表明：扭桿工作直徑對復(fù)合懸掛加速度響應(yīng)較為敏感.減小扭桿工作直徑后，與純扭桿懸掛相比，質(zhì)心處垂向加速度和俯仰角加速度均方根值分別最大下降14.26%和14.18%，但對高速行駛時的加速度響應(yīng)改善有限，還需對剛度和阻尼進(jìn)行匹配.

2.3 阻尼匹配對加速度響應(yīng)的影響

保持扭桿工作直徑為46 mm、負(fù)重輪動行程等參數(shù)不變，改變阻尼匹配方案，以研究阻尼匹配對加速度響應(yīng)的影響.

改變單向孔和常通孔直徑，將第1和第6負(fù)重輪、第2和第5負(fù)重輪、第3和第4負(fù)重輪分別采用相同大小的阻尼，共形成4種阻尼匹配方案，如表1所示.

表1 阻尼匹配方案 mm

4種阻尼匹配方案與純扭桿懸掛仿真結(jié)果對比如圖7、圖8所示.

圖7 駕駛員處垂向加速度響應(yīng)對比圖

圖8 繞橫軸俯仰角加速度響應(yīng)對比圖

阻尼匹配方案2與方案1相比，增大第1、6負(fù)重輪的單向孔直徑，也即降低壓縮行程阻尼力，加速度均方根值明顯降低；阻尼匹配方案3與方案2相比，增大了第2、5負(fù)重輪的單向孔直徑，加速度響應(yīng)改善稍好一些，且更有利于抑制高速行駛振動；阻尼匹配方案4與方案3相比，增大了第3、4負(fù)重輪的單向孔直徑，在40 km/h以下行駛時，加速度均方根值略低，但在速度大于40 km/h后，加速度均方根值有快速增大的趨勢，相比之下，阻尼匹配方案3為4個方案中的最優(yōu)方案.

以上分析驗證了2.1節(jié)的造成硬復(fù)合方案加速度響應(yīng)較差的原因分析，表明了扭桿工作直徑和阻尼匹配對加速度響應(yīng)有重要影響.

3 多種復(fù)合懸掛匹配方案對比仿真分析

基于上述分析，在扭桿應(yīng)力和油氣彈簧最大壓強(qiáng)滿足閾值條件的前提下，油氣彈簧主活塞直徑均為70 mm，共設(shè)計以下6種復(fù)合懸掛匹配方案，如表2所示.

表2 復(fù)合懸掛匹配方案

采用復(fù)合懸掛和純扭桿懸掛的某型履帶車輛動力學(xué)仿真結(jié)果對比如圖9、圖10所示.

從圖9圖10可看出，在6種復(fù)合懸掛方案中，方案1的加速度均方根值大于原履帶車輛，加速度響應(yīng)最差；方案5在車速低于40 km/h時表現(xiàn)較好，但在45 km/h時俯仰加速度均方根值迅速增大，抗點頭能力不足，方案2～方案4及方案6均能夠明顯改善某型履帶車輛的垂直振動和俯仰振動，較大幅度提高行駛平順性.方案2的駕駛員處的垂向加速度均方根值比純扭桿懸掛最大降低了21.39%，繞橫軸俯仰角加速度均方根值最大降低了17.58%，對垂直振動和俯仰角振動的改善效果最好，其次是方案4、方案3、方案6、方案5.可見，應(yīng)用合適的復(fù)合懸掛能夠明顯提高行駛平順性，在高機(jī)動履帶車輛上具有巨大的應(yīng)用潛力及工程應(yīng)用價值.

圖9 駕駛員處垂向加速度響應(yīng)對比圖

圖10 繞橫軸俯仰角加速度響應(yīng)對比圖

4 結(jié) 論

在RecurDyn中建立了應(yīng)用復(fù)合懸掛的履帶車輛半車多體動力學(xué)模型，開展了復(fù)合懸掛在履帶車輛上的應(yīng)用研究，研究結(jié)果如下：

1)硬復(fù)合懸掛方案加速度響應(yīng)較差，扭桿工作直徑過大及剛度阻尼匹配不佳是其主要原因，扭桿工作直徑和阻尼匹配方案對整車加速度響應(yīng)有重要影響；

2)6種復(fù)合懸掛方案中，復(fù)合懸掛方案1比原履帶車輛的純扭桿懸掛的加速度響應(yīng)更差，復(fù)合懸掛方案2～方案5均能明顯減小車輛的垂直振動及俯仰振動的加速度響應(yīng)，提高車輛行駛平順性.其中復(fù)合懸掛方案2改善效果最好，駕駛員處的垂向加速度均方根值比純扭桿懸掛最大降低了21.39%，繞橫軸俯仰角加速度均方根值最大降低了17.58%.

3)應(yīng)用合適的復(fù)合懸掛能夠明顯改善車輛行駛平順性，復(fù)合懸掛在履帶車輛上具有巨大的應(yīng)用潛力及工程應(yīng)用價值.