考慮履帶滑動的履帶車輛轉向載荷比分析與驗證

李榮利, 李善樂, 芮強, 王紅巖, 陳冰

（1.63963部隊，北京 100072；2.裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072）

考慮履帶滑動的履帶車輛轉向載荷比分析與驗證

李榮利1, 李善樂2, 芮強2, 王紅巖2, 陳冰2

（1.63963部隊，北京 100072；2.裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072）

為研究高速履帶車輛穩態轉向載荷比的變化規律，根據履帶車輛轉向過程中履帶與地面之間的剪切應力-剪切位移關系，建立了穩態轉向平衡方程和穩態轉向載荷比模型。分析了履帶車輛轉向功率及整車轉向載荷比隨轉向半徑的變化規律，履帶滑動對轉向載荷比影響。最后對某高速履帶車輛開展了穩態轉向試驗，進行數據處理和對比驗證。結果表明：整車轉向載荷比試驗數據與理論計算結果有很好的一致性，驗證了轉向載荷比模型的準確性。

高速履帶車輛；轉向過程；載荷比；試驗驗證

0 引言

高速履帶車輛轉向性能是指其改變運動方向的能力，是評價履帶車輛機動性能的重要指標之一[1]。履帶車輛轉向時，履帶與地面之間產生滑移和滑轉，兩側履帶的牽引力和制動力與直駛工況相比大得多，轉向時消耗的功率也是直駛消耗功率的若干倍[2-3]。為分析高速履帶車輛轉向時的功率增長情況，引入轉向載荷比概念。然而目前研究采用的轉向模型都過于簡單，忽略了轉向時履帶滑移、滑轉、離心力以及接地壓力分布等因素的作用和影響[4-7]。

鑒于以上研究，筆者根據履帶與地面之間的剪切應力-剪切位移關系，考慮轉向過程中履帶的滑移、滑轉以及履帶車輛轉向離心力作用，建立穩態轉向過程中轉向載荷比模型，分析了轉向載荷比隨相對轉向半徑的變化規律。并通過高速履帶車輛的穩態轉向試驗，驗證了所提出的穩態轉向載荷比模型的科學性和可信性。

1 履帶車輛轉向過程分析

履帶車輛轉向過程復雜，根據履帶與地面之間的剪切作用，分析了履帶車輛穩態轉向關系，圖1為履帶車輛轉向原理示意圖[8-9]。其中：L為履帶接地長；b為履帶板寬度；B為履帶中心距；CG為履帶車輛質心；cx、cy為履帶車輛質心到轉向中心的橫向距離和縱向距離；φ為航向角；φ˙為履帶車輛轉向角速度；D為轉向極縱向偏移量；R為履帶車輛穩態轉向半徑；XOY為慣性坐標系；IC為履帶車輛在慣性坐標系上的轉向中心；xoy為固結于車體坐標系。

圖1 履帶車輛穩態轉向原理圖

圖2 履帶車輛穩態轉向模型分析框圖

圖2為履帶車輛穩態轉向模型分析框圖[10]，其中：G為履帶車重；Ai為兩側履帶轉向極橫向偏移量；vi為兩側履帶理論速度；v為履帶車轉向速度；yi為兩側履帶上任一點到固定坐標系的縱向距離；δi為兩側履帶滑動速度和橫向方向的夾角；β為側滑角；pi為兩側履帶接地壓力；ji為兩側履帶剪切位移；μ為摩擦因數；K為土壤抗剪切模量；FR1、FR2為兩側履帶滾動阻力；下標i=1、2，分別表示低速側和高速側履帶。根據履帶與地面之間的剪切力-剪切位移關系計算兩側履帶牽引力、制動力、轉向阻力矩，并得到穩態轉向平面運動學方程，通過對轉向方程的迭代求解可以得出兩側履帶轉向極橫向偏移量A1、A2以及轉向極縱向偏移量D，進而求得轉向過程中各運動學和動力學參數，為轉向載荷比的分析奠定一定的基礎。

2 高速履帶車輛轉向載荷比分析

2.1 轉向功率及整車轉向載荷比的建模

高速履帶車輛直駛時消耗的功率表示如下：

式中：f為履帶車輛行駛阻力系數；v0為直線行駛速度。

履帶車輛穩態轉向過程所消耗功率如下：

式中：Pt1為兩側履帶縱向行駛阻力消耗功率；Pt2為履帶車輛轉向阻力矩消耗功率；Pt3為兩側履帶與地面滑移、滑轉消耗功率；Pt4為轉向機構摩擦元件消耗功率；v1′、v2′分別是低速側和高速側履帶行駛速度；Mμ為履帶車轉向阻力矩；v1r、v2r分別為兩側履帶接地段滑動速度；Mf為轉向機構摩擦元件的摩擦力矩；ωf為轉向摩擦元件相對角速度。

假設履帶車輛按規定半徑轉向，不考慮轉向機構摩擦損耗功率，令vc為履帶車輛質心行駛速度。根據轉向載荷比定義可知整車載荷比ζ可表達如下：

2.2 轉向消耗功率及整車轉向載荷比分析

圖3 履帶車輛轉向消耗功率隨ρ的變化關系

履帶車輛轉向消耗總功率Pt以及各部分功率消耗隨相對轉向半徑的變化曲線如圖3所示，從圖3中可以得出：隨著相對轉向半徑的增大，轉向阻力矩和滑移、滑轉所消耗功率逐漸變小，并且整體上履帶滑移、滑轉所消耗的功率較小；當相對轉向半徑在1～10時，轉向阻力矩消耗的功率相對較大；當相對轉向半徑大于10時，滾動阻力消耗功率相對較大。

圖4 整車轉向載荷比與相對轉向半徑的關系曲線

圖4是某安裝差速式轉向機構履帶車輛穩態轉向時轉向載荷比與相對轉向半徑的關系曲線。從圖中可以看出：整車轉向載荷比大小隨著相對轉向半徑增大逐漸減小；并且當相對轉向半徑為1～10時，整車載荷比值在1.7～7.0之間，即轉向過程需要的功率是直線行駛需要功率的1.7～7倍左右，轉向半徑越小，需要消耗功率越大；當相對轉向半徑大于10時,整車轉向載荷比值在1.0～1.7之間。

2.3 履帶滑動對轉向載荷比影響

高速履帶車輛在轉向過程中，不可避免地發生兩側履帶的滑移、滑轉。與理論轉向情況相比，考慮履帶滑移、滑轉時，兩側履帶產生的牽引力和制動力都相對偏小，轉向阻力矩也偏小。因此，當相對轉向半徑相同時，考慮履帶滑移、滑轉時轉向消耗功率小于理論轉向條件下轉向消耗的功率，也就是說基于傳統理論的轉向功率要大，這對于基于此設計出的轉向回路的動力源或轉向泵馬達功率需求要保守一些，且相對轉向半徑越小履帶滑移、滑轉越嚴重，轉向載荷比的差異也越大。

圖5 整車載荷比模型計算結果與理論轉向結果對比

圖5為整車轉向載荷比在理論轉向時和考慮履帶滑移、滑轉時計算結果，從圖中可以得出：考慮兩側履帶滑移、滑轉情況下得到的整車轉向載荷比與理論轉向的計算結果相比偏小。

3 轉向試驗與轉向載荷比驗證

實車試驗是驗證計算模型的重要技術手段。因此進行高速履帶車輛轉向試驗十分必要。本文選擇了針對計算分析的結果對某型履帶轉向過程進行了試驗分析。

3.1 轉向過程試驗

圖6 穩態轉向試驗部分設備

試驗履帶車輛在沙土路面進行穩態轉向測試，圖6為轉向試驗部分設備，其中高精度GPS系統包括：GPS基準站和GPS移動站。GPS基準站位于能夠與履帶車通視的地方，接收移動站發過來的信號并記錄下來，如圖6（a）；GPS移動站固定在試驗車輛上，隨車體運動，并記錄車體所在位置經緯度坐標、車速等，如圖6（b）；NI測試系統包括：光電式轉速傳感器、轉速和轉矩測試儀、通用數據采集系統。其中光電式轉速傳感器測量兩側主動輪轉速，如圖6（c）；轉速和轉矩測試儀測量綜合傳動裝置兩側輸出軸的轉速和轉矩，如圖6（d）；數據采集系統收集傳感器電信號并進行初步處理，如圖6（e）；圖6（f）為數字羅盤，數字羅盤固定在車體上隨車體進行轉向運動，將GPS系統數據和NI測試系統的數據同步。

表1為不同相對轉向半徑下得到的試驗數據，從表中可以看出：隨著實際相對轉向半徑的增大，牽引力、制動力、轉向阻力矩以及轉向載荷比逐漸減小；相對轉向半徑較小時，高速側履帶轉向載荷比值較大，在8.80～16.51之間，低速側履帶載荷比值相對較小；試驗測試過程中整車載荷比在1.47～4.33之間變化。

表1 履帶車輛轉向試驗數據結果

3.2 轉向載荷比計算結果與試驗結果的對比

圖7為整車轉向載荷比計算結果與試驗測試結果對比。從圖中可知：試驗測試結果集中分布在轉向載荷比計算曲線附近，并且兩者有一致的變化趨勢，驗證了轉向載荷比計算結果的科學性和可信性。

圖7 整車轉向載荷比隨相對轉向半徑的變化關系

4 結論

本文根據高速履帶車輛與地面之間的剪切應力-剪切位移關系，建立了轉向載荷比模型，分析了履帶轉向功率以及整車轉向載荷比變化規律，并通過實車試驗進行了驗證，得出結論如下：

1）根據對履帶車輛轉向功率及轉向載荷比的分析，當相對轉向半徑為1～5時轉向阻力矩消耗功率占總消耗功率比例達到60%以上；整車轉向載荷比的變化范圍在1.0～7.0之間。

2）考慮履帶滑動時，履帶車輛整車轉向載荷比比不考慮履帶滑動時整車轉向載荷比要小。

3）試驗結果基本分布在計算結果兩側，兩者有一致的變化趨勢，驗證了所建立的穩態轉向過程中載荷比模型的科學性。

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Verification and Analysis on Steering Power Ratio of Tracked Vehicle within Track Slid Taking into Consideration

LI Rongli1， LI Shanle2， RUI Qiang2， WANG Hongyan2， CHEN Bing2
(1.Troop NO.63963 ofPLA,Beijing100072,China;2.Department ofMechanical Engineering,Academyof Armored Force Engineering,Beijing100072,China)

In order to study the change of steady-state steering power ratio of high-speed tracked vehicle,the equations are established and solved by iterative algorithm according to the relationship between shear stress and shear displacement;the model of steady-state steering power ratio is established as well.The relationships between power ratio of the whole vehicle,steering power and steering radius are analyzed,and the skidding influence of the track on the power ratio is analyzed.Finally experiment of steady-state steering is carried out.Test data and the theoretic calculated results are compared,and the result shows that they fit well,which proves the accuracy of model of steering power ratio.

high-speed tracked vehicle;steering process;power ratio;experiment validness

TJ 811

A

1002－2333（2018）01－0092－04

（編輯黃 荻）

李榮利（1964—），男，碩士，高級工程師，從事試驗測試與鑒定工作。

2017-02-28