复合悬挂在履带车辆上的应用研究

代健健， 毛 明， 陈轶杰

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

履带车辆悬挂系统是履带车辆实现机动性的重要组成部分.在单轮悬挂中，将扭杆悬挂和油气悬挂并联的结构形式称为复合悬挂.文献[1]针对扭杆油气复合悬挂建立了弹性特性数学模型，引入了静载荷分配系数，开展静载荷分配研究，结果表明：扭杆油气复合悬挂的实质是行驶平顺性在油气悬挂和扭杆悬挂之间折中，并使弹性元件可靠性提高，静载荷分配系数对复合悬挂特性参数和弹性元件的可靠性有重要影响.为分析复合悬挂在高机动履带车辆上的应用潜力，在文献[1]的基础上，开展复合悬挂多体动力学建模、刚度阻尼匹配研究及静载荷分配系数的研究.

1 多体动力学模型的建立

高机动履带车辆多体动力学模型由车体和行动系统构成，其中，行动系统由悬挂系统(含缓冲器)、履带行驶系统(4轮一板)和张紧装置等组成.不考虑车体侧倾的影响，只需建立包含单侧行动系统的半车模型，采用自下而上的建模顺序建立高机动履带车辆参数化模型.

复合悬挂由油气弹簧、扭杆弹簧、拉臂和平衡肘等组成.油气弹簧一端连接在车体上，另一端通过固连在平衡肘上的拉臂作用于平衡肘.扭杆弹簧一端固定在车体一侧，另一端连接于车体另一侧的平衡肘.油气弹簧由活塞和缸筒组成，采用杆件表示，其弹性力采用Axial力表示，采用公式表示其动态弹性力大小；其阻尼力采用油气弹簧阻尼力与主活塞速度的关系曲线表示，如图1所示.

图1 复合悬挂参数化模型

为分析复合悬挂应用在高机动履带车辆上的动力学响应，行动系统建模时，采用与某型主战坦克相同的布局形式和参数，即负重轮、诱导轮、主动轮、托带轮间的位置关系、车辆重心位置及其至弹性中心的距离、各负重轮所分配的悬挂静载荷、负重轮直径及平衡肘曲臂半径均与其保持一致.采用实测坨里越野试验场路面，最终建立的高机动履带车辆半车多体动力学模型如图2所示.为对比分析复合悬挂与该主战坦克的扭杆悬挂在平顺性上的表现，同时建立其多体动力学模型.

图2 采用复合悬挂的履带车辆半车多体动力学模型

2 扭杆直径及阻尼匹配对加速度响应的影响

履带车辆实际行驶数据表明：第1、2、6负重轮处受到冲击较大，其中第1负重轮处受到的冲击振动最大、动载荷较大，因此第1负重轮处的负重轮动行程通常较大，平衡肘中心离车底较高，使其具备较大的动比位能以吸收足够的冲击能量，从而避免与障碍物或路面发生撞击；第3、4、5负重轮受到一定程度的冲击振动，但小于其它负重轮所受载荷，一般其负重轮动行程小于其他负重轮.

在扭杆油气复合悬挂中，所有扭杆弹簧具有相同的工作直径，所有油气弹簧具有相同的外形参数，使得其具备较好的通用性[2].

2.1 与某型主战坦克加速度响应结果对比

为分析将油气弹簧直接复合到某型主战坦克的扭杆弹簧上这一硬复合方案的动力学响应，将扭杆工作直径设计为52 mm，主活塞直径设计为70 mm.此外，为使油气弹簧在行程末端提供较大的弹性力，在设计时，改变参数以使油气弹簧具有较大弹性力，并使油气弹簧最大压强小于60 MPa.

复合悬挂方案1：第1至第6负重轮每个负重轮上的复合悬挂静载荷分配系数分别为0.4、0.5、0.7、0.7、0.7、0.4，应保证扭杆最大应力小于许用应力；第1至第6负重轮的负重轮动行程分别为280 mm、230 mm、200 mm、200 mm、210 mm、230 mm；阻尼采用常通孔式的双向非对称阻尼，单向孔直径2 mm，常通孔直径4.4 mm.

图3、图4分别为硬复合的复合悬挂方案1与纯扭杆悬挂方案在驾驶员处垂向加速度均方根值的对比图及绕横轴俯仰角加速度均方根值的对比图.

图3 驾驶员处垂向加速度响应对比图

图4 绕横轴俯仰角加速度响应对比图

仿真结果表明：采用硬复合的方案1的车辆在高速行驶时的加速度响应比纯扭杆悬挂差，出现上述变化趋势的原因经初步分析认为：

1)扭杆工作直径较大.复合悬挂方案1的扭杆工作直径相同，与原车采用的纯扭杆悬挂相比(原车采用了2种工作直径的扭杆结构，复合悬挂方案1只采用了1种工作直径)，只改变了第5、6负重轮的扭杆工作直径，因此扭杆悬挂的静刚度几乎不变，而油气弹簧分担一部分载荷，具有一定刚度系数，因此复合悬挂刚度大于纯扭杆悬挂的刚度，导致行驶平顺性变差；

2)阻尼与刚度的匹配问题.对于悬挂系统，刚度与阻尼的匹配十分重要，若不能较好匹配，会出现即使阻尼较大而平顺性较差的现象.

2.2 扭杆工作直径对加速度响应的影响

在复合悬挂方案1的基础上，保持油气弹簧阻尼分配方案不变，将所有扭杆工作直径从52 mm减小至46 mm，扭杆应力条件得到改善；在满足最大应力小于许用应力的条件下，负重轮动行程设计为290 mm、245 mm、210 mm、210 mm、220 mm、240 mm.经计算，各扭杆弹簧的静应力、最大应力和油气弹簧最大压强均满足条件.动力学仿真结果对比如图5、图6所示.

图5 驾驶员处垂向加速度响应对比图

图6 绕横轴俯仰角加速度响应对比图

仿真结果表明：扭杆工作直径对复合悬挂加速度响应较为敏感.减小扭杆工作直径后，与纯扭杆悬挂相比，质心处垂向加速度和俯仰角加速度均方根值分别最大下降14.26%和14.18%，但对高速行驶时的加速度响应改善有限，还需对刚度和阻尼进行匹配.

2.3 阻尼匹配对加速度响应的影响

保持扭杆工作直径为46 mm、负重轮动行程等参数不变，改变阻尼匹配方案，以研究阻尼匹配对加速度响应的影响.

改变单向孔和常通孔直径，将第1和第6负重轮、第2和第5负重轮、第3和第4负重轮分别采用相同大小的阻尼，共形成4种阻尼匹配方案，如表1所示.

表1 阻尼匹配方案 mm

4种阻尼匹配方案与纯扭杆悬挂仿真结果对比如图7、图8所示.

图7 驾驶员处垂向加速度响应对比图

图8 绕横轴俯仰角加速度响应对比图

阻尼匹配方案2与方案1相比，增大第1、6负重轮的单向孔直径，也即降低压缩行程阻尼力，加速度均方根值明显降低；阻尼匹配方案3与方案2相比，增大了第2、5负重轮的单向孔直径，加速度响应改善稍好一些，且更有利于抑制高速行驶振动；阻尼匹配方案4与方案3相比，增大了第3、4负重轮的单向孔直径，在40 km/h以下行驶时，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趋势，相比之下，阻尼匹配方案3为4个方案中的最优方案.

以上分析验证了2.1节的造成硬复合方案加速度响应较差的原因分析，表明了扭杆工作直径和阻尼匹配对加速度响应有重要影响.

3 多种复合悬挂匹配方案对比仿真分析

基于上述分析，在扭杆应力和油气弹簧最大压强满足阈值条件的前提下，油气弹簧主活塞直径均为70 mm，共设计以下6种复合悬挂匹配方案，如表2所示.

表2 复合悬挂匹配方案

采用复合悬挂和纯扭杆悬挂的某型履带车辆动力学仿真结果对比如图9、图10所示.

从图9图10可看出，在6种复合悬挂方案中，方案1的加速度均方根值大于原履带车辆，加速度响应最差；方案5在车速低于40 km/h时表现较好，但在45 km/h时俯仰加速度均方根值迅速增大，抗点头能力不足，方案2～方案4及方案6均能够明显改善某型履带车辆的垂直振动和俯仰振动，较大幅度提高行驶平顺性.方案2的驾驶员处的垂向加速度均方根值比纯扭杆悬挂最大降低了21.39%，绕横轴俯仰角加速度均方根值最大降低了17.58%，对垂直振动和俯仰角振动的改善效果最好，其次是方案4、方案3、方案6、方案5.可见，应用合适的复合悬挂能够明显提高行驶平顺性，在高机动履带车辆上具有巨大的应用潜力及工程应用价值.

图9 驾驶员处垂向加速度响应对比图

图10 绕横轴俯仰角加速度响应对比图

4 结 论

在RecurDyn中建立了应用复合悬挂的履带车辆半车多体动力学模型，开展了复合悬挂在履带车辆上的应用研究，研究结果如下：

1)硬复合悬挂方案加速度响应较差，扭杆工作直径过大及刚度阻尼匹配不佳是其主要原因，扭杆工作直径和阻尼匹配方案对整车加速度响应有重要影响；

2)6种复合悬挂方案中，复合悬挂方案1比原履带车辆的纯扭杆悬挂的加速度响应更差，复合悬挂方案2～方案5均能明显减小车辆的垂直振动及俯仰振动的加速度响应，提高车辆行驶平顺性.其中复合悬挂方案2改善效果最好，驾驶员处的垂向加速度均方根值比纯扭杆悬挂最大降低了21.39%，绕横轴俯仰角加速度均方根值最大降低了17.58%.

3)应用合适的复合悬挂能够明显改善车辆行驶平顺性，复合悬挂在履带车辆上具有巨大的应用潜力及工程应用价值.