高速履帶車輛平順性仿真分析?

張晨曦 雷強順 馮占宗 劉 捷

（中國北方車輛研究所 北京 100072）

1 引言

油氣懸掛具有良好的非線性，在平衡位置附近剛度小，使得平整路面上具有較好的舒適性，而在較大行程時剛度明顯增加，可以顯著降低懸架撞擊限位器的概率，圖1為某車用油氣彈簧的剛度特性。北京理工大學(xué)的劉蘭濤基于車輛平順性進行了油氣彈簧參數(shù)優(yōu)化研究［1］，南京航空航天大學(xué)的熊新等對工程車輛油氣彈簧進行了建模與特性分析［2］。

履帶車輛平順性指標(biāo)中的車體俯仰振動角加速度、車體質(zhì)心垂直振動加速度以及駕駛員座椅處車體垂直振動加速度直接影響行進間設(shè)計命中率和乘員的舒適性［3］。通常情況下履帶車輛車體側(cè)傾運動較小，且息振迅速，對以上指標(biāo)影響較小，故分析時可將車體簡化為半車模型，進而減少車輛自由度，簡化分析過程。

2 車輛行駛動力學(xué)模型

車輛半車模型如圖2，圖中：mh為車體質(zhì)量，Jh為車體俯仰轉(zhuǎn)動慣量，?為車體俯仰角，zc為車體質(zhì)心，k、c為懸掛裝置剛度和阻尼，zi為負(fù)重輪垂直位移，mw為負(fù)重輪質(zhì)量，kw為輪緣處的剛度，li為懸掛到車體質(zhì)心的距離，q為路面不平度。根據(jù)動力學(xué)理論［4］和振動理論［5］建立車輛動力學(xué)模型。

圖1 剛度特性

圖2 車輛半車模型

系統(tǒng)的動能T為

系統(tǒng)的勢能V為

系統(tǒng)的耗散能F為

式中：fi為懸掛變形量，δi為負(fù)重輪輪緣變形量：

代入拉格朗日方程：

可得

矩陣形式的微分方程為

式中：［M］、［z］、［q］分別為質(zhì)量矩陣、位移矩陣、路面激勵矩陣

剛度矩陣［K］為

阻尼矩陣［C］為

3 仿真分析

3.1 仿真路面

仿真所用路面為試驗場一段起伏路的實測路面，通常把路面相對基準(zhǔn)平面的高度沿道路走向長度的變化稱為路面縱斷面曲線或路面不平度函數(shù)［6］，路面不平度如圖3。

圖3 路面不平度

路面功率譜密度如圖4，圖中直線為標(biāo)準(zhǔn)路面的功率譜，分別對應(yīng)，路面不平度系數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)如表1，對比表1可知該路面為D級路面［7］。

圖4 路面功率譜密度

3.2 仿真分析

在RecurDyn中建立如圖5所示的高速履帶車輛模型［8～9］，整車重 30T，預(yù)緊力設(shè)置為車重的8%［10］，仿真車速54km/h。

仿真輸出車輛質(zhì)心垂直加速度、駕駛員座椅處垂直加速度以及車身俯仰角加速度，車輛質(zhì)心垂直加速度輸出如圖6，其中0s～5s為落車及加速過程。

分析時取車輛加速結(jié)束后6s～20s的數(shù)據(jù)，得到不同懸掛對應(yīng)的加速度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根值［11］，如表 2。

在仿真條件下，兩種懸掛的質(zhì)心垂直加速度、俯仰角加速度和駕駛員處加速度的均方根分別減少了12.3%、11.6%和13.0%，越野路面下油氣懸掛可以改善高速履帶車輛的平順性。

表1 標(biāo)準(zhǔn)路面功率譜

圖5 車輛仿真模型

圖6 加速度信號

圖7和圖8為質(zhì)心垂直加速度的頻域特性［12］，扭桿懸掛和油氣懸掛的車輛振動頻率分別為1.664Hz和1.271Hz，較低的振動頻率有利于改善高速履帶車輛的行駛平順性［13］。

表2 加速度處理結(jié)果

圖7 扭桿懸掛加速度頻域特性

4 結(jié)論

油氣懸掛由于其良好的非線性，可以明顯改善車輛的平順性。特別是對于高速履帶車輛，行駛在起伏越野路面時，油氣懸掛可以降低車輛振動加速度值，并且降低車輛振動頻率，改善高速履帶車輛的行駛平順性，進而提高履帶車輛的越野行駛性能以及乘員的舒適性。通過提高行駛平順性，還可以提高高速履帶車輛的最大越野速度，從而提高其機動性。

圖8 油氣懸掛加速度頻域特性

［1］劉蘭濤.基于車輛平順性的油氣彈簧參數(shù)優(yōu)化研究［D］.北京：北京理工大學(xué)，2015：11-14.

［2］熊新，吳洪，于學(xué)華等.工程車輛油氣彈簧的建模與特性分析［J］.振動、測試與診斷，2016，36（5）：929-934.

［3］馮益柏.坦克裝甲車輛設(shè)計-行走系統(tǒng)卷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015：155-158.

［4］尚玖.高等動力學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013：30-32.

［5］劉習(xí)軍，賈啟芬.振動理論及工程應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2015：70-72.

［6］趙濟海，王哲人，關(guān)朝靂.路面不平度的測量分析與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2000：51-62.

［7］段虎明，石峰.路面不平度研究綜述［J］.振動與沖擊，2009，29（9）：95-100.

［8］徐國英，王闖，姚希民等.基于RecurDyn軟件坦克懸掛系統(tǒng)動力學(xué)仿真［J］.機械研究與應(yīng)用，2015，28（137）：43-45.

［9］陳兵，黃華，顧亮.基于多體動力學(xué)理論的履帶車輛懸掛特性仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005，17（10）：2545-2548.

［10］肖永開，李曉雷.高速履帶車輛履帶預(yù)緊力對平順性的影響［J］.計算機仿真，2006，23（7）：253-255.

［11］宋知用.Matlab數(shù)字信號處理［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2016：38-42.

［12］周建興，豈興明，矯津毅等.Matlab從入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2012：208-215.

［13］閆清東，張連第，趙毓芹.坦克構(gòu)造與設(shè)計［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007：421-423.