某型履帶無人車輛承重軸受力分析研究

趙恩剛，劉長輝，陳建貴，蔡雪峰，王秋雨

（重慶長安望江工業(yè)有限責(zé)任公司特種車輛研究所，重慶 401120）

0 引言

軍用無人地面車輛在減少人員傷亡、提高作戰(zhàn)效能、提高后勤運輸保障效率等方面發(fā)揮重要作用。值得注意的是，雖然地面無人系統(tǒng)已開始進入越來越多國家的裝備序列，但這僅僅是地面無人系統(tǒng)應(yīng)用的初級階段，無人車輛的設(shè)計理論還不成熟完善，現(xiàn)有設(shè)計理論均來源于有人車輛設(shè)計理論，有人車輛設(shè)計考慮了人員身體對振動沖擊的承受能力，行動系統(tǒng)占用空間較大，按照有人車輛設(shè)計理論來設(shè)計無人車輛無法發(fā)揮無人車輛的性能優(yōu)勢[1-3]。

有人車輛駕駛員可以通過振動沖擊感受、主觀判斷來控制車速的快慢，而無人車輛是通過操控顯示終端非視距遠程控制車輛，操控手無法準(zhǔn)確感知到無人車輛的振動沖擊狀態(tài)和周圍環(huán)境的復(fù)雜性，因此無人車輛沖擊遠大于有人車輛，因此開展無人車輛行動系統(tǒng)受力情況研究對無人車輛性能提高至關(guān)重要。

履帶車輛承重軸承受負重輪傳遞過來的沖擊力,其使用環(huán)境惡劣，受力工況復(fù)雜，承載著整個車輛的質(zhì)量，下面針對某型履帶無人車輛履帶裝置承重軸斷軸問題進行受力分析測試。

1 測試工況和測試系統(tǒng)布置情況

1.1 測試工況

車輛測試工況和車速要求如表1所示。

表1 測試工況車速要求 km/h

1.2 應(yīng)變測試系統(tǒng)及傳感器布置

應(yīng)變測試系統(tǒng)由單向應(yīng)變片、應(yīng)變儀、計算機等組成。其中，應(yīng)變片感知測點的應(yīng)變，應(yīng)變儀采集應(yīng)變片的應(yīng)變，計算機對應(yīng)變數(shù)據(jù)進行存儲、計算和分析。

承重軸應(yīng)變測試共選定12個測點，分別對稱布置在左右兩側(cè)6根承重軸上。應(yīng)變片均布置在承重軸根部位置，豎直方向上下間隔180°布置2片單向應(yīng)變片。測點編號1～6，從車前方向看依次對應(yīng)編號1～6承重軸。圖1為承重軸應(yīng)變片安裝實物圖。

圖1 承重軸應(yīng)變片安裝實物圖

2 應(yīng)力測試情況

2.1 應(yīng)力求解計算方法

應(yīng)變片測試所獲數(shù)據(jù)為各測點應(yīng)變數(shù)據(jù)，承重軸所受應(yīng)力計算公式為

式中：σ為應(yīng)力，MPa；E為承重軸彈性模量，MPa；ε為應(yīng)變。

本次測量中計算應(yīng)力所需履帶車承重軸材料為航空鋁7075，E=71.7 GPa。

2.2 應(yīng)力測試結(jié)果

每種工況按照測試工況要求測試3組數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)取平均值，各工況下各承重軸最大應(yīng)力值如表2所示。

表2 各工況最大應(yīng)力測試數(shù)據(jù)匯總表 MPa

通過以上對各工況下承重軸應(yīng)力測試和分析，車輛在制動、越障和越野工況承重軸的應(yīng)力最大。針對這3種工況擬合應(yīng)力時域圖進一步分析沖擊情況，如圖2～圖4所示。靜態(tài)情況：根據(jù)應(yīng)力分布情況可以看出車輛重心偏前、偏右，為了獲得更高的越障能力，在整車布置上重心偏前。

圖2 制動工況應(yīng)力時域圖

圖3 越障工況應(yīng)力時域圖

圖4 越野工況應(yīng)力時域圖

緊急制動工況：因緊急制動，驅(qū)動輪抱死，車輛慣性作用，車輛重心前移導(dǎo)致2～6負重輪懸空，大部分沖擊被1軸承受，應(yīng)力值為100～300 MPa，峰值沖擊時間持續(xù)0.05 s左右。

越障工況：在車輛越障過程1、2、3、4、5負重輪逐步脫離地面，最后只有第6負重輪與地面接觸，全部沖擊被6軸承受，應(yīng)力值為100～254 MPa，峰值沖擊時間持續(xù)0.06 s左右。

越野工況：因路況惡劣情況和行駛軌跡對測試數(shù)據(jù)影響較大，且履帶兩側(cè)路面狀況差距較大，造成左右應(yīng)力值有較大差異。3組數(shù)據(jù)中1軸應(yīng)力值最大，其次是6軸應(yīng)力值。2、3、4、5軸應(yīng)力值與1軸和6軸差距較大。

3 承重軸受力分析

3.1 承重軸受力計算方法

承重軸所受力值計算公式為

3.2 惡劣工況承重軸受力分析

通過計算求解，求得各工況下承重軸所受瞬間最大沖擊力值并匯總，如表3所示。

表3 各工況最大沖擊力值匯總表 N

4 結(jié)論

1）經(jīng)實物測試驗證，在緊急制動、越障和越野工況受力沖擊最大，因樣車強度限制，未進一步測試最高車速下緊急制動和高速越野條件下的的應(yīng)力沖擊情況；

2）鋪裝路高速行駛、爬坡、原地轉(zhuǎn)向和越壕工況瞬間沖擊是靜載荷狀態(tài)的3～4倍，緊急制動、越障和越野路行駛沖擊最大，個別承重軸瞬間沖擊可達到靜載荷的25倍左右，與有人車輛有較大的差異；

3）測試結(jié)果顯示1軸和6軸的工況受力最大，與其它承重軸的差異較大，與試驗故障反饋情況一致，設(shè)計上應(yīng)對1軸和6軸與其它承重軸區(qū)別設(shè)計；

4）通過各工況應(yīng)力時域圖可轉(zhuǎn)化成力時域數(shù)據(jù)，借助ANSYS分析軟件，可對優(yōu)化后的承重軸進行更加精準(zhǔn)的動態(tài)仿真分析，從而提高設(shè)計水平和實現(xiàn)輕量化目的。