履带车辆悬挂系统现状及趋势

时间：2024-07-28

代健健，陈轶杰，毛明

(中国北方车辆研究所，北京100072)

坦克装甲车辆的高机动性虽然由动力、传动系统提供动力，但最终由行动系统来实现，而悬挂系统又是整个行动系统的关键，因此，悬挂系统性能好坏将严重影响整车机动性的水平.随着ISD悬挂的快速发展及扭杆油气复合悬挂构型设想的提出，以上述两种悬挂形式为代表的新型悬挂，使得履带车辆悬挂系统设计有了更多的选择.为掌握履带车辆悬挂系统发展现状，立足于现有文献，分析研究了被动悬挂、半主动悬挂、主动悬挂及新型悬挂的特点、国内外研究及应用现状，给出了我国履带车辆悬挂系统发展方向的建议.

1 被动悬挂

履带车辆悬挂系统是指将车体与负重轮连接起来的所有部件的总称，包括弹性元件、减振元件、限制器、导向装置等[1].被动悬挂是指悬挂的弹性和阻尼参数不会随外部状态而变化的悬挂形式.按弹性元件分类，悬挂系统可分为扭杆悬挂、油气悬挂、混合悬挂等.

1.1 扭杆悬挂

扭杆悬挂主要由扭杆弹簧、减振器及平衡肘等组成.受篇幅限制，本节只对扭杆弹簧开展分析，减振器及平衡肘不做相关介绍.扭杆弹簧实际上是横向安装在车底甲板上的细长金属杆，通过扭转吸收地面对车体的冲击能量.它具有安装空间小、结构简单、保护性好及工艺相对成熟等优点，但扭杆悬挂刚度几乎不变，固有频率较高，俯仰角振动的阻尼力不足，且受扭杆材料性能限制，悬挂动行程较小，导致其对路面适应能力不足，因此限制了履带车辆越野速度的提高.常用的扭杆悬挂安装布局如图1所示.

图1 常用扭杆悬挂安装布局

主战坦克常常采用高强度扭杆弹簧作为悬挂系统的弹性元件，如我国现役的99系列主战坦克、美国的M1系列主战坦克、德国“豹2”坦克均安装了扭杆悬挂系统.“豹2”坦克的行动装置具有良好的减振性能，负重轮行程比“豹1”坦克提高了30%，总吸功能力提高79%，达到422 kN·m，在高度为500 mm的起伏路面上行驶时，其速度可达“豹1”的2倍[2]；早在1977年，美国M1主战坦克动行程达到了381 mm，名义剪应力达到了1 318 MPa[3]；俄罗斯的T-90S的动行程达到了320 mm，而名义剪应力更是达到了1 588 MPa[4].而我国扭杆悬挂的动行程一般不超过300 mm，名义剪应力不超过1 300 MPa，与国外先进坦克应用的扭杆悬挂还有一定差距.

扭杆悬挂经常在强冲击、大负载下工作，工作失效的主要形式是因过载或疲劳而引起的扭杆弹簧断裂.当前研究主要集中在新型材料研制、制造工艺优化及悬挂布局等方面，以提高扭杆弹簧强度、疲劳寿命及悬挂和整车性能.美国采用真空电弧重熔方法冶炼的30VAR钢制造扭杆，工作寿命提高了近4倍[2].用于坦克装甲车辆的扭杆弹簧通常采用45CrNiMoVA钢，通常要求疲劳试验寿命不少于70万次.李文刚及李树梅等[5-6]先后针对某型扭杆弹簧台架试验时发生早期断裂的现象开展研究，采用断口分析和金相检验等研究方法分析扭杆断裂原因，结果表明：花键表面存在脱碳现象；在交变载荷冲击下，在花键齿根产生疲劳源，使其在扭转9万次时断裂；在热处理加热时，添加覆盖物和涂料以保护花键齿，此外采用(430±20)℃回火，以避开回火脆性温度能够预防扭杆弹簧早期疲劳断裂.

在实际扭杆弹簧加工过程中，蒸汽膜内气体流动规律及由蒸汽膜方式向沸腾方式转型的先后顺序影响工件冷却快慢和均匀性，导致淬火态硬度低且高低不均.杜勤等[7]应用田口的稳健设计思想研究了预处理和终处理过程中的关键工艺参数，结果表明：热处理工艺参数、预扭角度、扭转速度及辊压力对扭杆弹簧的疲劳寿命起关键作用，应用田口方法确定的最佳工艺加工的扭杆弹簧疲劳寿命得到大幅提高.

此外，扭杆悬挂有很多布置方案，如：最常用的两轴不同心布置的单扭杆式悬挂装置和两轴同心布置的单扭杆式悬挂装置.不同布局形式有不同的悬挂及整车性能.徐国英等[8]计算并对比了等刚度、不等刚度等多种布局下的行驶平顺性和缓冲可靠性的相关指标，分析了扭杆不等刚度布局下的大刚度扭杆布置在中部负重轮上的的合理性，结果表明：等刚度布局具有较好整车性能，大刚度扭杆在中部布置性能较好.

1.2 油气悬挂

油气悬挂主要由油气弹簧、导向机构及控制机构等组成.油气弹簧集成了弹性元件和阻尼元件，从而起到缓冲减振的作用，省去了扭杆悬挂中单独的减振器结构.

履带车辆使用油气悬挂的出发点是利用其非线性、变刚度特性及可实现车姿调整、悬挂闭锁等功能，能够在一定程度上提高平均越野速度，改善车辆的平顺性，但密封及可靠性等问题制约了其在重载主战坦克上的推广应用.

国外有关国家对油气弹簧研究起步较早，有成熟的理论体系，日本、英国及法国等国已能成熟应用于各型主战坦克.日本最新研制的10式主战坦克采用了先进的电控油气悬挂，可实现车姿调整及悬挂闭锁等功能，最大速度可达70 km/h，能较好地适应日本的多起伏地形.同样采用油气悬挂的90式坦克负重轮行程高达500 mm，能以较高的车速(40 km/h)在起伏地上行驶，调节车体后可越过1 m高的垂直障碍.法国勒克莱尔主战坦克也采用了油气悬挂装置，最大越野速度可达55 km/h以上，可顺利通过0.8 m高垂直墙及3 m宽壕沟.美国的14KISU肘内油气悬挂是M1坦克的原始设计，若取代标准扭杆悬挂可减重约1 000 kg，延长履带寿命，提高射击精度，改善乘坐舒适性，野外试验1 600 km无需维修，并通过了10 000 km当量的实验室试验[2].

在应用方面，我国的轻型空降战车采用了油气悬挂，具备调节车姿的功能，ADK17导弹发射车及122 mm火箭炮也采用了油气悬挂，提高了发射平台的射击稳定性及机动性.

在油气悬挂建模方面，WeigelM等[9]基于标准简谐激励下的试验数据，建立了油气悬挂的非参数模型；FarjoudA等[10]建立了单筒式油气悬挂的非线性参数化模型，研究了不同孔参数、过渡区对其非线性特性的影响，并采用试验方法对模型进行参数识别；李跃等[11]利用统计线性化方法，分析了油气悬挂关于线性刚度的迭代收敛性，并验证其有效性，但不具备实时性；董怀力[12]应用实际气体状态方程和Blasius公式建立了油气悬挂数学模型，并验证了模型的正确性，仿真分析了油气悬挂激励参数、结构参数和工作参数对其位移、速度特性曲线的影响规律.

在油气悬挂特性研究方面，油气弹簧参数及导向机构参数变化会对悬挂特性及整车平顺性和操纵稳定性产生一定影响.仝军令等[13]研究了主活塞直径、减振阀上的阻尼孔及单向阀水力直径等关重参数的变化对行驶平顺性、动行程和动载荷等悬架性能的影响规律，结果表明油气弹簧的主活塞直径影响最大.油气悬挂温升问题与其存在的摩擦力及减振器的结构设计有关，温升导致悬挂特性和车姿发生一定程度的改变.Jeong-UK Seo等[14]对磁流变阻尼油气弹簧的温升特性进行了研究.目前我国油气弹簧温升问题的研究理论体系还不够健全，无法精确预测、控制温升情况，理论与试验还有一定误差.温升导致的车姿变化可通过车姿调节机构采取相应的控制策略进行调节，黄刚等[15]通过内外环不同的控制策略可实现快速稳定的控制.

我国油气弹簧的设计主要受密封件性能的限制，静密封问题较易解决，高速高压动密封问题较难解决，还需要从结构型式、材料配方及装配工艺开展研究.Schmidt T等[16]使用有限元方法计算了密封的混合润滑对弹性体流体动力润滑的影响；陈轶杰、高晓东、桂鹏等[17-19]研究设计了带环型阀片的阻尼阀结构，对其温升特性及新型组合密封形式展开研究，并研究了阻尼阀系参数对油气悬挂减振器示功特性的影响规律.

1.3 混合悬挂

车首、车尾的悬挂在减小俯仰角振动中的作用大于中间负重轮上的悬挂，而可调式油气悬挂造价较高，因此在高强度扭杆问世之后，科研人员便尝试将中间负重轮的油气悬挂替换成高强度扭杆悬挂，而车首、车尾悬挂采用可调油气悬挂，这种悬挂形式称为混合悬挂[2].某型混合悬挂布置图如图2所示.

图2 混合悬挂布局图

混合悬挂兼顾了高强度扭杆弹簧和可调油气弹簧两种悬挂的优点，既保证了悬挂的功能又降低了油气悬挂系统造价，节省了车姿调节系统的液压源和连接管线，一定程度上提高了悬挂的可靠性，是坦克装甲车辆悬挂装置发展的方向之一.韩国的K1、日本的88式坦克及我国的PGZ-09型双35 mm自行高炮都采用了混合悬挂，减小了车体俯仰给乘员造成的不舒适，并可实现车姿可调、悬挂闭锁功能，提高了武器命中精度.

扭杆悬挂的刚度特性接近于线性，油气悬挂的刚度特性具有非线性，要充分发挥扭杆悬挂与油气悬挂的性能特点，载荷及特性匹配是关键.张玉珍、方永寿等[20-21]先后对混合悬挂的动态特性及特性匹配进行了研究，验证了特性匹配是混合悬挂设计中的关键点，说明较好的匹配能够实现较好的平顺性.

混合悬挂性能上虽然较纯扭杆悬挂好，功能上也能实现车姿可调、悬挂闭锁等，但仍然存在一定的局限性，如在单轮悬挂上，依然面临着扭杆悬挂应力较大、油气悬挂过载带来的密封和可靠性问题.此外，混合悬挂属于被动悬挂，悬挂性能有限，并不能根据来自地面的激励主动改变刚度或阻尼的参数，因此主动悬挂便应运而生.

2 主动、半主动悬挂

2.1 主动悬挂

主动悬挂的概念最早是由美国的Federspiel-La-brose教授于1955年提出，用作动器替代弹性元件与阻尼器，根据设定的控制策略，最大限度降低车体振动，改善车辆的平顺性和安全性，实现车辆减振特性的最优化[2].当前主动悬挂主要分为3类：主动油气悬挂、电磁主动悬挂、馈能式主动悬挂.理论上主动悬挂能显著提高车辆机动性，提高行进间射击精度和操控性，但其需要安装复杂的液压管路，成本高，可靠性低，体积庞大，增加了车辆总重量，且需要消耗大量的发动机功率，因此应用于主战坦克在工程上较为困难.

美国L-3电子通信公司研制的电控主动悬挂系统(ECASS系统)用高能带宽度的可控机电致动器，可实现对车辆的横向、纵向摇动及车辆平稳起伏的主动控制，致动器还起到电动机和发电机的作用，还能实现车姿调平功能，研究结果表明：ECASS系统显著提高了越野机动性及其装载能力.在L-3公司资助下，2011年Beno等人以“枪骑兵”侦察车为试验平台，比较装配混装悬挂、原电磁主动悬挂、新改进后的电磁主动悬挂、磁流变半主动悬挂等不同悬挂对车辆平顺性的影响[22]，又以此试验平台，研制了图3所示的旋转式电磁悬挂系统并申请了专利[23]，试验结果表明越野机动性提高了50%，稳定性提高了30%.

图3 旋转式电磁作动器

主动悬挂的研究主要分为4个部分：高性能作动器的研究设计、馈能式主动悬挂系统的研究、控制策略研究以及底盘各主动控制系统的联合控制研究[2].KalpeshSingal等[24]对无外力源自适应天棚阻尼主动悬挂开展了相关研究，对比了主动悬挂与被动悬挂在宽频范围内的性能，当激励频率低于0.4 Hz时，主动悬挂性能比被动悬挂差，而基于天棚阻尼馈能的主动悬挂能够使车辆在全频范围内有较好的效果.2016年，冯占宗等[25-26]建立了高速履带车辆电磁悬挂馈能减振器的复杂制动力学模型，分析了关重参数的影响规律及功率供需矛盾问题.

在控制算法方面，近几十年来，国内外在履带车辆悬挂控制方面进行了大量研究[27-30]，提出了自适应控制、模糊控制等多种控制算法，但很难满足多目标的控制要求，为此，提出了联合控制多种算法，提高了控制稳定性和精确性.张进秋等[31]采用LQR最优主动控制算法对电磁主动悬挂开展了仿真分析，结果表明该控制方法可行性高，车辆行驶平顺性得到了大幅度提高.尽管相关成果较多，但均未能顺利进入工程装车阶段.主要有以下几方面制约因素：系统的强非线性、控制输入的不精确性、目标控制的复杂性、解耦控制和故障时的稳定性、与车辆底盘其他主动系统的联合控制问题、控制系统与控制算法的快速高效性以及控制系统的体积、重量、成本等，因此工程中还只能采用较简单的控制算法[2].

2.2 半主动悬挂

半主动悬挂的出现晚于主动悬挂，主要指悬挂减振器阻尼力可调的悬挂，主要由弹性元件、阻尼可控减振器(阻尼元件)、控制系统等部件组成.半主动悬挂理论上能够提高车辆行驶平顺性及通过性，但其可靠性不足，只是主动悬挂不成熟或成本过高的一种无奈选择.

在半主动悬挂应用方面，美国坦克机动车研发及工程中心先后在M1A1及M2等车上进行肘内比例阀-气体变阻尼半主动悬挂道路试验，建立了专用机动技术试验平台(MTTB).道路试验结果表明，与被动悬挂相比，半主动悬挂在一定程度上提高了车辆的乘坐舒适性，平均降低车身垂直振动加速度26%、侧倾角振动8%、俯仰角加速度30%;在越障试验中，半主动悬挂的极限行驶速度平均提高14%，最大提高68%[32]。可见半主动悬挂在履带车辆上具有很好的应用前景.

在半主动悬挂研究方面，主要集中在智能材料及控制策略两方面.前者主要涉及磁流变液减振器和电流变液减振器，后者主要涉及最优控制策略、自适应控制、滑模控制及模糊控制等.Jurkiewicz Andrzej、K El Majdoub、高晓东、孔令杰及武云鹏等对履带车辆半主动悬挂的悬挂模型、控制策略及新型材料的研究较为深入，取得了较多的成果[33-37]，但尚未能成熟应用主战坦克上或应用性能不够理想而被迫放弃.

传统弹簧-阻尼悬架系统虽然经历了长时间的发展，但一直存在整车平顺性和操纵稳定性的矛盾，只能折中设计，限制了整车性能的提高，主动、半主动悬挂虽然理论上能明显提高车辆行驶平顺性，但面临较多技术难题，还不能应用于主战坦克上.近年来国内外科研人员不断探索新的悬挂形式以提高悬挂及整车性能，因此以惯容-弹簧-阻尼悬挂(ISD悬挂)和扭杆油气复合悬挂为代表的新型悬挂应运而生.

3 新型悬挂

3.1 ISD悬挂

惯容器于2001年由Smith教授根据机电相似理论首次提出，在第二类机电相似理论中，由于质量元件与电容元件不能完全对应，引入惯容的概念，可将对应关系变成惯容与电容对应，因而解决了质量元件“接地”的难题，由此形成了新机电相似理论.惯容器具有两个独立且能够自由运动的端点，其质量较小，具有独立的惯质系数，它无需附加任何端点在惯性基础上，具有有限线性行程.惯容器的本质是利用其内部的机械传动机构在与之相关联的两个运动物体之间提供一种产生惯性力的“虚质量”[38].

但惯容器存在被击穿、背隙及非线性等问题.惯容元件在行程超过其上限时会被击穿，将无法正常工作，悬挂性能将迅速降低.背隙存在于机械式惯容器中，影响机械结构中的弹性力，进而影响力学特性.在机械系统中，摩擦力、背隙、弹性效应是产生非线性特性的主要原因，而在流体系统中的非线性特性则是由油液的迟滞摩擦、弹性可压缩性及液压元件的阻尼力造成的.

近年来，惯容器得到迅速发展，已出现齿轮齿条、滚珠丝杠、液压、流体等多种结构形式的惯容器.其中丝杠旋转式滚珠丝杠惯容器原理图如图4所示.飞轮和丝杠固结为端点b，沿轴线运动的螺母与行程室固结为另一端点a，两点的直线运动驱动丝杠和飞轮一起旋转，将直线运动变成旋转运动.

图4 丝杠旋转式滚珠丝杠惯容器

在ISD悬挂中，惯容器是一种新型储能元件，能够缓和地面冲击，但惯容器无独自承担静载的能力，故仍需由弹簧承担静载作用.弹簧-阻尼悬挂对缓和和衰减来自路面的高频冲击和振动性能较好，但对其低频部分的振动熄振效果不好.由于惯容器具有通高频、阻低频的特性，因此ISD悬挂可降低人体敏感的低频冲击和振动.现阶段的ISD悬挂在结构上仍属无源被动悬挂，有较丰富的网络特性，可向半主动、主动ISD悬挂发展.

国内外学者在ISD悬架领域不断探索，申请了很多专利，Smith教授及团队、Wang以及中国北方车辆研究所、江苏大学及重庆大学等科研院校对惯容器开展了结构设计，出现了较多形式的新型惯容器，并成功验证了ISD悬架系统有相对于传统悬架明显的优势，在方程式赛车、火车、摩托车等有着较为成功的应用，但在履带车辆上的应用研究较少，杜甫、毛明等[39-40]建立了如图5所示的21种具有惯容器的通用悬架拓扑结构形式，并获得部分发明专利[41]，并研究了ISD悬挂在高机动履带车辆上的合理布置形式，建立了整车动力学模型，提出了参数优化方法，结果表明:其中5种结构具有较大的应用潜力，并验证了惯容器阻低频的特点，通过动力学仿真分析及台架试验，验证了ISD悬挂具有较大的研究及应用于高机动履带车辆上的价值.

图5 ISD悬挂通用工程结构

现阶段的ISD悬挂理论体系还不够健全，且惯容器存在工艺、体积、性能及元件匹配等问题，进而影响其在试验中的性能表现，限制了ISD悬挂应用于实际隔振体系中.因此，还需对惯容器及ISD悬架在以下几个方面开展研究[42]：惯容器的高效率、小型化、高可靠性及非线性开展创新设计及研究；模块化、轻量化及集成化的ISD悬架的开发；ISD悬架网络综合及履带车辆应用研究.

3.2 扭杆油气复合悬挂

在实际工作中，扭杆弹簧的故障主要是由于过载或疲劳而断裂，油气弹簧常常出现的故障是由于过载或疲劳而造成密封失效，其油气弹簧的温升会导致车辆姿态及特性发生变化，从而影响履带车辆的机动性及战斗力的发挥.2017年，中国北方车辆研究所提出了将扭杆弹簧和油气弹簧并联的复合悬挂的构型设想，以既满足扭杆弹簧和油气弹簧的可靠性要求，又能提高整车悬挂系统的性能[43].相较于单一扭杆悬挂和油气悬挂，理论上有如下优点：

1)与扭杆悬挂相比，具有明显的非线性、变刚度及变阻尼特性.能够很好地适应不同路面环境带来的冲击与振动，熄振速度更快，降低平衡肘撞击限位块概率，乘员感觉更加舒适.

2)延长扭杆弹簧的使用寿命.在凹凸不平的路面行驶时，油气弹簧将会分担很大一部分冲击与振动，减少扭杆弹簧所承受的冲击力，有效减少扭杆的塑形变形，保护扭杆弹簧，提高了扭杆弹簧可靠性，延长其使用寿命.

3)能改善油气弹簧的温升特性.扭杆弹簧为油气弹簧分担一部分承载力，能够改善油气弹簧的受力环境，改善其温升特性，减小温升带来的车姿变化对悬挂特性的影响.

4)增加油气弹簧可靠性.扭杆弹簧的使用，可降低油气弹簧气室气压，从而降低了对组合密封的要求，增加了油气弹簧的可靠性和耐久性.

5)良好的使用维护性.复合悬挂设计中所有的复合悬挂的几何尺寸都相同，外观相同，只是油气弹簧的充气压力，阻尼阀不同，不会出现扭杆直径不一致的情形，因此具有良好的使用维护性.

此外，若油气悬挂遭到破坏，扭杆悬挂可降级使用，虽然性能不如复合悬挂，但依然可以使用，提高了战场生存能力.

文献[43]对复合悬挂在静平衡位置的扭杆、油气悬挂的静载荷分配开展了相关研究，并考虑了车姿变化对复合悬挂特性的影响.研究结果表明：复合悬挂的实质是综合油气悬挂和扭杆悬挂各自的优势，并提高弹性元件的可靠性.在一定条件下，静载荷分配是复合悬挂设计的关键点，存在合理分配范围，但其研究并未得到试验验证，还需在以下几个方面开展深入研究：复合悬挂的结构创新设计，开展轻量化、模块化研究；整车复合悬挂非线性特性优化匹配；搭建复合悬挂试验台，开展各项试验.