6 ×6 無人駕駛車輛懸架系統技術方案

李栓成，孔瑞祥，陳 欣，秦萬軍，王一超

(1.軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161;2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161;3.71357 部隊，山東 萊陽265206)

美國陸軍研制的未來戰斗系統(future combat system，FCS)是由多種系統集成的多功能、網絡化、輕型化、智能化武器系統，隨著技術的不斷成熟，該系統已經逐步裝備美陸軍部隊。后勤機器人車輛MULE，亦稱為運輸型“騾子”(圖1 所示)，作為FCS 中的主要運輸裝備，主要用于部隊士兵運送武器、彈藥和給養。1 臺MULE 能夠支援2 個徒步步兵班，并具備在復雜地形上伴隨步兵班的機動能力。其主要任務是為徒步步兵班運輸1 900 ～2 400 lb(1lb =0. 454 kg)的裝備和帆布背包，也能夠執行傷員后送任務。

圖1 后勤機器人車輛MULE

“騾子”的6 ×6 底盤配有獨立鉸接式懸架裝置，使其在崎嶇的地形上具備高度的機動性，越障高度達到1.5 m，大大超過了美國陸軍現役其他任何輪式或履帶式車輛的越障高度。其越壕寬也達到1.5 m，車輛行駛側坡角度大于40°，涉水深至少為1.25 m。“騾子”采用制動式轉向裝置，并采用混合電力驅動系統，每一個輪胎的輪轂內都裝有電動機。“騾子”具有很高的抗毀性，如1 個輪胎受損或被打掉，剩余的其他5 個輪胎仍能保持足夠的機動能力。

為滿足未來戰爭物資運輸要求，本文以后勤機器人車輛MULE 為參考，對6 ×6 無人駕駛車輛懸架系統進行了研究，提出了獨立鉸接懸架系統技術方案，并對其進行了分析計算。該項研究將對我軍未來無人駕駛車輛的研制提供參考。

1 基本要求

基于無人駕駛車輛各種越障及隱身功能，對懸架系統提出以下要求。

(1)各驅動車輪采用各自獨立的懸架系統，以保證某一車輪懸架系統損壞，其他車輪懸架系統正常工作。

(2)各車輪的獨立懸架擺臂可前后大角度擺動，單邊擺動角度大于90°，并在各擺動位置能夠實現懸架的緩沖減振功能。

2 布置方案及結構

針對無人駕駛車輛對懸架系統的要求，其懸架系統已經脫離傳統的輪式車輛懸架的概念。因此，本文提出了采用旋轉油缸驅動懸架擺臂的擺動、以橡膠彈簧作為減振和緩沖元件的獨立鉸接懸架結構(如圖2 所示)。該結構可實現懸架擺臂的前后大角度擺動，同時在任何擺角可實現懸架功能。該懸架系統主要由懸架擺臂驅動機構、懸架機構2 個部分組成。

圖2 獨立鉸接懸架系統示意

(1)懸架擺臂驅動機構。該機構由旋轉油缸組成，其工作原理如圖3 所示。旋轉油缸將液壓能轉換成旋轉動能，并在2 個方向產生恒定的轉矩。結構上主要由封閉的圓柱形液壓缸、限位塊和帶葉片的旋轉軸組成。當液壓作用在葉片的任何一邊時，都將使旋轉軸旋轉。旋轉油缸輸出轉矩決定于葉片的承壓面積、葉片的數量及液體的壓力，旋轉的速度取決于液體的流量和液壓系統的壓力容積。旋轉油缸有單葉片和雙葉片2 種，對于特殊用途可以采用3 個或更多的葉片，在液體壓力相同的情況下，隨著葉片數量的增加，輸出轉矩也會相應增大。單葉片旋轉角度大(最大280°)，輸出轉矩低;雙葉片旋轉角度小(最大100°)，輸出轉矩大。考慮到無人駕駛車輛單個車輪擺動的驅動轉矩并不大，而擺臂要求的擺動角度(從一端極限位置轉到另一端極限位置)超過180°，因此，本方案選用單葉片式旋轉油缸。

圖3 旋轉油缸工作原理示意

(2)懸架機構。采用橡膠彈簧作為減振和緩沖元件。橡膠彈簧本身具有一定彈性，可作為懸架系統的彈性元件;同時，橡膠彈簧在變形過程中，依靠橡膠分子之間的摩擦，具有一定的阻尼作用，可作為懸架系統的阻尼元件。本方案中采用橡膠彈簧結構，使懸架系統結構簡單、尺寸減小、成本降低，且橡膠彈簧免于維護。

通過采用本方案懸架系統，無人駕駛車輛可實現正常行駛狀態、趴下狀態、最高狀態、越臺階狀態和側坡行駛狀態(如圖4 所示)。

圖4 無人駕駛車輛各種姿態示意

3 單個車輪懸架剛度計算

3.1 橡膠彈簧扭轉剛度計算

從圖2 可以看出，懸架壓縮時有相間60°的3塊扇形橡膠彈簧工作。現將其中一塊橡膠彈簧作為研究對象，計算其扭轉剛度，然后計算3 塊橡膠彈簧并聯工作的扭轉剛度。

單塊扇形橡膠彈簧計算示意如圖5 所示。圖中，R為橡膠彈簧的平均工作半徑，θ 為彈簧的扇形角度，當彈簧受力增加ΔF時，橡膠彈簧的變形為Δθ。設橡膠彈簧的扭轉剛度為K'

圖5 扇形橡膠彈簧計算示意

θ，則

式中:ΔM為橡膠彈簧的轉矩變化量，N·mm;Δθ為橡膠彈簧的轉角變化量，(°)。

對于橡膠彈簧的壓縮變形，在主要應用范圍內，應力與應變之間的關系可表示為

式中:σ 為應力，MPa;ε 為應變，%;Eα為表觀彈性模量，MPa。

根據式(2)得

式中:AL為橡膠彈簧承載面積，mm2;θ 為彈簧的扇形角度，(°)。

將式(3)代入式(1)得

橡膠彈簧在壓縮時，其表觀彈性模量Eα與橡膠元件的幾何形狀有關，可表示為

式中:i為幾何形狀影響系數;G為橡膠的切變模量，MPa。

對于圖5 中的扇形橡膠彈簧，在平均工作半徑R較大時，可以近似視為矩形彈簧，而對于矩形彈簧，幾何形狀影響系數i=3.6(1 +2.22S2)，其中，S為橡膠彈簧承載面積AL與自由面積AF之比，對于矩形彈簧為

式中:a為橡膠彈簧長度，mm;b為橡膠彈簧寬度，mm;h為橡膠彈簧高度，mm。

對于式(5)中的切變模量G，在技術條件中一般不規定，而是規定橡膠的硬度。切變模量G和肖氏硬度HS 的關系在實用范圍內可近似表示為

將式(5)代入式(4)得

懸架工作時有3 塊扇形橡膠并聯工作，因此，橡膠彈簧的的扭轉剛度Kθ為

3.2 單個車輪懸架剛度計算

設懸架擺臂的長度為L，擺臂的初始擺角為φ0，懸架在地面向上的作用力P的作用下，擺動角度變為φ，懸架垂直方向變形量為f。單個車輪懸架剛度計算示意如圖6 所示。

圖6 單個車輪懸架線剛度計算示意

由圖6 的幾何關系可得

位移對轉角的微分為

又，橡膠彈簧的角位移為

則

力P對轉角φ 微分為

4 實例計算

(1)懸架剛度的計算。依據無人駕駛車輛初步戰術技術指標，無人駕駛車輛為6 ×6 驅動，滿載質量2.5 t，每個車輪采用擺臂式獨立鉸接懸架支承，要求在戰場條件下，當某2 個車輪被炸毀時，車輛能夠依靠其他4 個車輪正常行駛。因此，每個車輪的承載質量為2.5/4 =0.625 t。無人駕駛車輛的懸架初始計算參數見表1［4］。

表1 無人駕駛車輛懸架初始計算參數

根據表1 初始參數及C與轉角φ 的關系，利用Matlab 可以得到C-φ 的關系曲線(如圖7 所示)。由圖7 可知，懸架是變剛度的，伴隨擺臂轉角的增加剛度降低。該變化曲線是此結構形式懸架所特有的。

(2)懸架偏頻計算。懸架的偏頻是影響車輛平順性的重要參數，偏頻(n)可按式(13)計算:

因為無人駕駛車輛的滿載質量為2.5 t，假設此時車輛6 個輪平均受力，則車輛行駛時單個懸架的承載質量為M=2 500/6 =416.67 kg。

圖7 C-φ 關系曲線

聯立式(12)、(13)，利用Matlab 可以得到n-φ 關系曲線(如圖8 所示)。

圖8 懸架偏頻變化曲線

由圖8 可知，車輛懸架的擺臂角度φ 大于30°時，懸架偏頻n為1 ～1.6。該懸架符合平順性的基本要求。

5 結 論

(1)根據無人駕駛車輛的懸架要求，提出了鉸接式懸架結構方案。該方案采用橡膠彈簧作為懸架的緩沖減振元件，在前后2 個方向可以大角度擺動，使車輛的軸距隨擺臂的擺角而變化，明顯提高了車輛的越野行駛性能。

(2)以初步研究確定的無人駕駛車輛及懸架相關初始參數，計算了橡膠彈簧扭轉剛度，得出鉸接懸架剛度曲線。結果表明，隨著擺臂角度的增大，懸架剛度逐漸減小。

(3)對懸架偏頻進行分析計算得出，車輛懸架的擺臂角度大于30°時，懸架偏頻n為1 ～1.6，符合平順性的基本要求。

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