国内外越野车辆模块化独立悬架技术发展现状

李孟华， 阎 阔， 宋 凯， 代健健， 何立龙

(1.驻长春地区第二军事代表室，吉林长春 130011；2.中国北方车辆研究所，北京 100072)

现代化战争特别是高技术条件下的局部战争，要求军用车辆能够迅速有效地执行作战任务，全境地域的应急机动作战将成为未来战争的主要形式.未来战争还将具有全地域、全天候协同作战的特点，要求轮式装甲车辆具有在各种复杂路面如凹凸路、软硬路、砂石路等路面都具有很好的机动性，在风沙、泥泞、雨雪等自然环境下也能正常行驶，具备快速机动作战的能力.模块化独立悬架技术可大幅提升军用车辆在强冲击、振动等极端环境条件下的机动性能.发达国家在高机动越野车辆上已开始大量使用高性能的模块化独立悬架技术，产品广泛地覆盖了各种车辆领域，由于其互换性、通用性强，适合大规模生产配套，使成本逐渐降低，所以对提升装甲装备的越野机动能力具有重要推动意义.因此，有必要梳理国内外有关模块化独立悬架技术的研究和应用现状，明晰模块独立悬架在提升车辆性能方面上的特点，并深入开展该项技术研究.

1 模块化独立悬架的理论研究及发展现状

1.1 国外理论研究及发展现状

1.1.1 理论研究现状

国外学者在双横臂独立悬架的研究方面主要集中在以下几个方面：独立悬架设计方法的确定、独立悬架参数对车辆行驶平顺性和操纵稳定性的影响规律、独立悬架与转向系的匹配优化、悬架系统弹性元件的设计分析、导向机构的硬点坐标优化与运动学分析、前轮定位参数的设计,等等.同时随着电子、微机技术的革新，独立悬架正向着智能化、轻量化、小型化、通用化的方向发展.

汽车独立悬架中所用到的螺旋弹簧的理论研究开始于19世纪中叶，Thompson等在20世纪初就己经对螺旋弹簧理论作了深入研究.目前，广泛应用的弹簧应力和变形的计算公式是根据材料力学推导出来的.1993年Toshio Hamano对变中径的螺旋弹簧进行深入分析，提出对螺旋弹簧变形与压力的关系可以按照梁单元进行分析计算，此方法优点是梁单元节点和单元数少、计算规模小并且计算结果准确度较高[1].其后Michel Langa也对螺旋弹簧的受力变形作出了进一步的分析，文中将每个螺旋弹簧的单元按照梁单元分析计算，并对螺旋弹簧的大变形量进行了讨论[2].但是随着现代车辆性能提升，线性刚度的圆柱螺旋弹簧已经无法满足车辆对平顺性以及操控性的要求，而对于弹簧3个主要参数均变化的“三变”螺旋弹簧，使用梁单元进行分析则需定义许多截面使前处理工作量很大，而且梁单元在处理接触问题时也比较麻烦.近年来，弹簧的有限元设计方法已进入了实用化阶段，出现了不少有实用价值的设计思路.弹簧有限元非线性分析方法，在弹簧技术水平较高国家也已进入实用化阶段.2020年，Kushwah Sagarsingh等人采用有限元分析方法对不同材料的螺旋弹簧进行优化[3].

1.1.2 发展现状

国外模块化独立悬架技术和产品的发展已经非常成熟，以双横臂执行机构为代表，已实现了模块化设计、通用化生产和系列化发展，形成了载荷覆盖2 ～13 t的系列化产品型谱.其中，美国通用动力AxleTech、Oshkosh、爱尔兰的Timoney等公司最具代表性，世界各国军用轮式车辆配置的模块化独立悬架约80%为这几家公司所生产.

AxleTech公司已经成为世界模块化双横臂独立悬架制造商的典范.该公司2000、3000、4000、5000系列模块化独立悬架是21世纪初投产的处于世界领先水平的悬架(如图1所示).从最初确定悬架方案就考虑了产品模块化、通用化和系列化发展，系列悬架采用了相同的机构方案，可以整体模块化吊装，也可以灵活拆分，不仅大幅提升了车辆的越野机动能力，对维修性、通用性也有质的飞跃.

图1 AxleTech模块化独立悬架

美国Oshkosh公司是美军战术车辆主要供应商.该公司生产的TAK-4型模块化独立悬架具有很高的通用性，其悬架行程为406 mm，目前已列装于美军10 t级重型高机动性战术卡车(HEMTT，8×8)、15 t级的货盘装载系统(PLS，10×10)、7 t级的中型战术替代车辆(MTVR，6×6)超过10 000辆和15 t级的后勤车辆系统的替代车辆(LVSR，10×10)，如图2所示.Oshkosh公司新研发的联合轻型战术车辆(Joint Light Tactical Vehicle (JLTV))应用了其新款TAK-4i型模块化独立悬架，悬架总行程达到508 mm.JLTV是目前世界上战术车辆发展的最高水平，也是未来战术车辆的发展趋势[4].该车的开发是基于Oshkosh公司的轻型战术全地形车，已经通过64万公里的耐久性考核，它提供了良好的越野机动性.美国陆军及海军陆战队于2015年8月选中Oshkosh公司对其现役的“悍马”进行替换.图3为换装模块化独立悬架前后的悍马对比图.可以看出采用了TAK-4i型模块化独立悬架后，车辆平衡位置距地高得到显著提升，具有优越的通过能力和防雷性能，同时模块化吊装使该车的维修性、互换性也得到了很大改善，极大地方便了战场维护保养.

图2 Oshkosh公司TAK-4型模块化独立悬架

图3 换装TAK-4i独立悬架系统的“悍马”(右)与传统“悍马”对比

爱尔兰Timoney公司是军用及商用重型运载车辆独立悬架的领先设计供应商，20世纪90年代曾是Oshkosh中型战术车辆模块化独立悬架供应商.目前该公司模块化独立悬架主要应用于美国空军8×8高机动机场救援卡车、英国国防研究机构的6×6高机动运载车辆(HMLC)和美国坦克及机动车辆研究所的样车.其特点是集成化程度高，不同承载吨位的产品系列均采用了储能比更大的变刚度螺旋弹簧(如图4所示).

图4 Timoney公司模块化独立悬架

综上所述，国外大量军事特种车辆都进行了模块化双横臂独立悬架技术的改造升级，以显著提升越野机动能力和装甲防护的承载能力，已成为该专业领域的主流方向，并占据了国际上大部分装备市场，具有广阔的应用前景.

1.2 国内理论研究及发展现状

1.2.1 理论研究现状

国内在双横臂独立悬架方面的研究还处于起步阶段，近年来，一些高等院校逐步开展了该方面的理论研究，并发表了部分学术论文，但主要还是应用线性振动理论研究车辆乘坐动力学，而基于非线性振动理论的数学建模与分析还未引起足够重视，无法满足独立悬架产品研发的技术需求，制约了双横臂独立悬架的发展和推广应用.

国内的汽车行业起步较晚，与国外在非线性刚度悬架系统已经进入实用化阶段相比，我国虽有这方面的技术开发，但尚未形成使用模型.1998年以来，国内该领域的专家先后从空间解析几何的角度描述了双横臂独立悬架导向机构的运动规律[5]；通过对变刚度螺旋弹簧的设计过程进行推导和整理，完成了能实现变刚度特性的单独变弹簧中径、变簧丝直径和变螺旋角螺旋弹簧的设计方法[6]；通过软件建模、仿真分析，在约束条件下对前悬架进行多目标优化设计[7]；通过对变刚度的车辆减振系统研究，对组合弹簧进行等效刚度计算，采用等效线性化方法分析非线性变刚度组合弹簧模型，并对组合弹簧等效刚度线性化处理的合理性进行了仿真分析[8]；建立变参数螺旋弹簧压缩过程的数学模型，研究结果表明三变参数螺旋弹簧的刚度特性可以接近油气弹簧的刚度特性[9];建立同轴交叉互联式客车油气悬架系统模型，研究结果表明，油气悬架在平顺性及抗侧倾性能方面远优于空气悬架[10].

1.2.2 发展现状

国内现有车型中还没有成熟应用模块化独立悬架技术的先例.北汽的“勇士”采用了仍旧为整体式桥的非独立悬架系统，东风“猛士”采用了双横臂独立悬架技术，但承载能力有限且没有突破“三变”弹簧的关键技术，一汽的中型高机动越野平台也采用了双横臂独立悬架，前桥为扭杆弹簧，后桥为三变螺旋弹簧；中国重汽的重型运载车辆独立悬架系统，主要应用于非公路用重型卡车；中国航天三江集团的双横臂双扭杆独立悬架系统应用于多轴重型运载车辆，行驶工况主要以铺面路为主；某轮式步兵战车采用了摆臂为焊接结构的独立悬架，其基型底盘和变形车系列在装甲、武警、防爆等特种车辆领域大量应用[11].

第1代猛士采用断开时“门式”桥+双A型摆臂构成的独立悬架，制动分泵设定在靠近差速器，发动机、变速器、分动器、传动轴以及悬架全部固定在梯形车架上；图5为2代长轴4轮驱动猛士装甲车前悬架、差速器及轴间制动系统特写，从这个角度清晰可见前差速器与传动半轴间布置的轴间制动系统的通风制动盘，悬架系统的零散件较多，集成化和模块化程度还比较低，相较于第1代猛士，悬架形式未发生改变，对下A臂进行了轻量化设计[12].图6为3代猛士甲高机动前悬架，没有沿用2代“猛士”系列装甲车的“门式桥”和轴间制动系统，采用了集成了转向、制动、差速等功能的模块化设计思路，降低了制造工艺要求，提升了大规模量产的良品率.

图5 2代猛士装甲车前悬架 图6 3代猛士甲高机动前悬架

2 模块化独立悬架特点及优势

随着基础理论和制造技术的发展，具有高稳定性、高承载力的模块化独立悬架系统已逐步成为轮式装甲车辆的标准配置.通过合理优化结构参数，可减小车轮跳动时引起前轮定位参数和轮距的过大变化，避免轮胎的过度磨损，而且可以使动力总成的位置降低，整车质心位置下降，为行动系统在复杂工况下持久稳定工作提供关键零部件设计的解决方案.在某重大项目中，我国突破了变刚度螺旋弹簧、高耗散减振器、轻量化双横臂导向机构、免维护轴承等关键技术，对大幅提升武器装备的战斗力，满足新一代装备发展需要具有重大意义，大幅缩小了与发达国家在技术领域的技术差距.

2.1 提高车辆行驶平顺性

车辆通过弹性装置将非悬架质量(如车轮及车桥部件等)和悬架质量(车身)连接起来，如图7所示,图7(a)中非独立悬架的红色车轮、车桥的质量和图7(b)中独立悬架的红色车轮、转向节的质量为非悬架质量，图7(a)和(b)中蓝色悬架支撑质量为悬架质量，图7(a)中的紫色悬架系统、导向机构和图7(b)中的紫色悬架系统、半轴，其悬架质量和非悬架质量各约占50%.当车桥等非悬架质量较大时，车桥的反应会因为惯性而延迟，大部分冲击能量首先通过变形被储存在充气轮胎中，轮胎很快通过恢复形状将能量释放而将车桥飞速上推.在某些速度下车桥的位移可能大于障碍物的尺寸，从而将巨大的力量通过悬架弹簧作用在车辆上，降低车辆行驶平顺性.对于配装整体式车桥的车辆来言，在空载时后轮悬架质量可能小于非悬架质量，在此情况下振动可能越发剧烈会导致车轮从地面弹起.同时较大的非悬架质量可能在振动过程中2～3个循环后才能回到平衡位置，对车辆产生了更大扰动并在结构里生成噪音.采用模块化独立悬架系统则可以减少非簧载质量，从而明显地减小冲击振动，且车辆的转向响应更加稳定，车辆行驶平顺性更好.

图7 非独立悬架和独立悬架质量对比

2.2 改善车辆操纵稳定性

车辆的操纵稳定性是指在驾驶者不感到疲劳、紧张的条件下，车辆能遵循驾驶者通过转向系及转向轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，车辆能抵抗干扰而保持稳定性的能力[13].操纵稳定性不仅影响到操纵方便程度，而且是决定高速车辆安全行驶的一个主要性能指标.

独立悬架可以减小车辆倾角的变化(如8所示)，使车轮仍保持与地面垂直，有助于车辆的行驶方向稳定.此外独立悬架可以增大悬架系统的侧倾角刚度，以减小车身侧倾角和角振动.

图8 悬架形式对比

对于非独立悬架来说，大的非悬架质量会导致轮胎接触应力变化剧烈.这会对车辆转向力的稳定性有不良影响，对于负载较少的配备整体式驱动桥的车辆来说尤甚.因此采用独立悬架具有较小的非悬架质量使得轮胎与地面稳定贴合，因此车辆具有更好的操纵稳定性.但行驶平顺性与操纵稳定性是相互制约的一对矛盾体，不能同时具备最优的行驶平顺性和最优的操纵稳定性，只能做优化折中，而优化后的模块化独立悬架能够在较大程度上使车辆尽可能同时拥有较好的行驶平顺性与操纵稳定性.

3 结束语

随着基础理论和制造技术的不断发展，具有高稳定性、高承载力并能实现整体式吊装的模块化独立悬架系统已逐步成为轮式装甲车辆的标准配置.虽然国内外在模块化独立悬架的理论研究及应用上还存在一定差距，但我国在突破了变刚度螺旋弹簧、高耗散减振器、轻量化双横臂导向机构、免维护轴承等关键技术后，提升了武器装备的战斗力，大幅缩小了与发达国家在技术领域的技术差距，但仍需继续深入开展模块化独立悬架技术研究，加紧研制更高性能、更具产业化能力的模块化独立悬架系统，实现核心部件关键技术的突破和革新，缩短与发达国家在车辆减振和越野性能方面的差距，对提升我国轮式装甲车辆底盘的核心竞争力具有重要的意义和作用.