某輪式裝甲車輛懸架系統(tǒng)改進及其仿真

任彥恒，王金寶，張連發(fā)，楊 祜

(66131部隊，河北保定071000)

某輪式車輛采用螺旋彈簧與筒式液力減振器相結(jié)合的獨立懸架系統(tǒng)。車輛在戰(zhàn)術(shù)背景下利用野戰(zhàn)道路快速行進時，懸架系統(tǒng)常常無法及時有效地緩和、衰減沖擊，使上臂總成與車體形成剛性沖擊，影響了車輛行駛操縱性和穩(wěn)定性，嚴重時還會影響車內(nèi)乘員的安全。筆者針對這一缺陷，提出了簡單有效的改進方案，即增加懸架阻尼，提高車輛平順性。并通過AMESim軟件建立模型，分析仿真結(jié)果，證實此改進方案的可行性。

1 懸架結(jié)構(gòu)

1.1 現(xiàn)有懸架結(jié)構(gòu)

懸架由螺旋彈簧、筒式液力減振器和導向機構(gòu)等組成［1］，如圖1所示。減振器安裝在螺旋彈簧圈內(nèi)。減振器活塞桿外端頭固定在車體的鉸座內(nèi)，下端連接下臂總成。減振器由防塵罩總成、導向總成、活塞缸、活塞總成、壓縮閥總成和儲液筒組成，如圖2所示。

圖1 懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 雙向作用液力減振器結(jié)構(gòu)

1.2 改進懸架結(jié)構(gòu)及原理

懸架的結(jié)構(gòu)改進是在螺旋彈簧外加裝一對相互匹配的殼體作為氣罩，以起到氣壓活塞減振阻尼器的作用，如圖1所示。上下氣罩分別固定于上下支座上，可隨上下支座同步相向運動，兩氣罩間緊密裝配，中間留有規(guī)定縫隙。如兩氣罩相向運動時，氣罩相當氣體活塞，壓縮氣罩內(nèi)氣體，使氣體在縫隙中排出以形成有效阻尼;當氣罩相背運動時，殼內(nèi)壓力小于殼外，氣體由縫隙吸入氣罩內(nèi)。內(nèi)外氣罩可做成相互匹配的斜面，當壓縮時縫隙逐漸減小，阻尼越來越大;當伸張時縫隙逐漸增大，使外部氣體快速進入。還可使進氣口處與車輛自帶氣壓系統(tǒng)相連，使進氣壓力變大，加大進氣量，增加阻尼力。此改進方案結(jié)構(gòu)簡單，易于改裝，便于裝配，對車輛整體結(jié)構(gòu)影響較小［2-4］。

2 建模仿真

筆者采用法國IMAGINE公司的AMESim(Advanced Modeling Enviroment for Simulation of engineering systems)軟件進行建模。AMESim為流體動力(液壓及氣動)、機械、控制等工程系統(tǒng)提供了一個完善的綜合仿真環(huán)境及靈活的解決方案。

2.1 建立懸架系統(tǒng)模型

根據(jù)車輛懸架工作原理簡化后建立1/6車輛懸架模型，如圖3所示。圖3中:1為1/6車體質(zhì)量模型;2為螺旋彈簧模型;3為車輪質(zhì)量模型;4為輪胎彈性與阻尼作用的簡化模型;5為路面輸入位移信號模型;6為液力減振器簡化模型。

2.2 檢驗仿真模型

首先對原懸架系統(tǒng)模型進行仿真以驗證所建立模型的正確性。路面輸入信號采用一階梯信號，即車輛在0.1 s時上到一個0.2 m的臺階上，如圖4中曲線1所示，此時車輪、車體位移分別如圖4中曲線2、3所示。車輪在0.17 s時達到位移峰值0.23 m，而后高頻率振蕩;車體在0.43 s時到達位移峰值0.5 m，而后振幅平穩(wěn)衰減。車體垂直位移曲線與車輪垂直位移曲線相比，振幅大，頻率小，有效緩和了地面沖擊;且車體垂直位移振幅衰減明顯，阻尼效果顯現(xiàn)［5］。

圖3 原懸架系統(tǒng)仿真模型

圖4 路面垂直信號與車輪、車體垂直位移曲線

圖5為車輪與車體垂直速度曲線。車輪垂直速度最高達到5.64 m/s，而車體垂直速度最高只達到2.33 m/s。由于阻尼作用，車體和車輪垂直速度的第2個波峰分別衰減至0.94 m/s和2.34 m/s，可見:由于懸架系統(tǒng)作用，車體垂直速度衰減迅速，且車體速度垂直振動頻率明顯低于車輪。

由車輪與車體垂直位移和垂直速度仿真曲線的對比可知:此模型減小了車體的振動頻率，衰減了來自車輪的沖擊，發(fā)揮了懸架系統(tǒng)的緩和、衰減沖擊作用。

圖5 車輪、車體垂直速度曲線

3 改進后建模仿真

根據(jù)改進后車輛懸架工作原理簡化后，建立改進后1/6車輛懸架模型，如圖6所示。即在原車輛懸架系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上，保持模塊數(shù)學模型和各模型參數(shù)不變，加裝外部氣壓罩仿真模型7(b)。

圖6 改進后懸架仿真模型

3.1 分析對比懸架改進前后效果

同樣的路面階梯輸入信號，其他參數(shù)保持不變，運行仿真，比較改進前后的車體位移變化情況，如圖7所示:曲線1為改進前車體垂直位移曲線;曲線2為改進后車體垂直位移曲線。

圖7 改進前后車體垂直位移曲線

曲線2在0.41 s時達到峰值0.49 m，而曲線1是在0.43 s時達到峰值0.5 m，振幅減小了0.01 m。當?shù)竭_第2個波峰時曲線2相較曲線1的衰減效果更趨明顯，振幅減小了0.06 m。曲線2振幅在一個周期后迅速衰減，當?shù)竭_第5個波峰時已基本趨于平穩(wěn)，而曲線1的第5個峰值(0.24 m)剛好與曲線2的第3個峰值相差無幾。但曲線2的周期比曲線1有所減少。第1個波峰時間提前了0.02 s，第2個波峰時間提前了0.06 s。

由仿真結(jié)果可知:改進后車體振動衰減明顯加速，提高了車體的平穩(wěn)性。圖7顯示結(jié)果說明改進后懸架系統(tǒng)阻尼效果有所改善，可以增加車輛行駛平順性，改進方案可行。

3.2 進一步優(yōu)化改進懸架

以上仿真是在常壓下進行的，當把懸架系統(tǒng)氣壓缸進排氣口與車輛自帶氣壓系統(tǒng)(8.1 MPa)相連接后，進氣氣壓就處在了一個可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)。建立的模型如圖8所示。

圖8 進一步改進后懸架模型

圖8中8(c)為一恒壓源元件模型，代表懸架系統(tǒng)氣壓缸進排氣口與車輛自帶氣壓系統(tǒng)相連。

在其他參數(shù)不變的情況下，使恒壓源輸出壓強為5.0 MPa。運行改進模型，仿真結(jié)果與改進未加壓懸架系統(tǒng)比較分析，結(jié)果如圖9所示:曲線1為進氣口處為常壓時(0.1 MPa)的車體垂直位移曲線;曲線2為進氣口處氣壓為5.0 MPa時車體垂直位移曲線。

圖9 進一步改進后車體位移曲線

曲線2第1個波峰為0.47 m，較曲線1減小0.02 m;曲線2第3個波峰為0.224 m，與曲線1的第4個波峰0.221 m相近。曲線2在2.20 s時到達第3波峰，較曲線1在2.15 s時到達第3波峰推遲了0.05 s，即曲線2的頻率較曲線1有所減小。曲線2描繪的車體垂直動作更趨于平穩(wěn)。

由仿真結(jié)果可知:當壓力加大到5.0 MPa時，車體垂直振動振幅都衰減較快，能夠使車體在3 s以前就達到平穩(wěn)狀態(tài)，較未加壓時提前了1 s多。這說明進一步改進后的懸架系統(tǒng)性能提升顯著，車輛行駛更加平穩(wěn)，平順性進一步增強。

［1］ 張克平.裝甲兵士兵訓練教材［M］.北京:解放軍出版社，2004:207-210.

［2］ 甄龍信，王國彪.單氣室油氣懸架的阻尼特性及其對設(shè)計的影響［J］.礦山機械，2006，34(3):51-53.

［3］ 封士彩，王國彪.工程車輛油氣懸架阻尼特性的研究［J］.礦山機械，2001，29(5):29-31.

［4］ 梁賀明，陳思忠，游世明.油氣懸架數(shù)學建模及仿真研究［J］.計算機仿真，2006，23(4):241-244.

［5］ 田晉躍，狄勇，向華榮.油氣分離式單氣室懸架剛度與阻尼性能研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2007，38(2):35-38.