具有獨立動力源的模塊化行動系統(tǒng)通過性仿真分析

侯友山，袁野，劉凱華，劉震濤*,

具有獨立動力源的模塊化行動系統(tǒng)通過性仿真分析

侯友山1，袁野2，劉凱華2，劉震濤*,2

（1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.浙江大學 動力機械及車輛工程研究所，浙江 杭州 310027）

提出一種輪式車輛的模塊化行動系統(tǒng)設計思路，即將若干具備動力源的獨立行動系統(tǒng)采用鉸鏈串聯(lián)式連接，研究其通過性表現。首先建立單個模塊和兩個模塊鉸接而成的系統(tǒng)的三維模型，其次利用ADAMS設置臺階和正弦起伏兩種路面條件，以及四種車輪轉速和三種載荷情況，對二者進行通過性對比仿真分析。結果顯示，在臺階路面上，單個模塊和組合系統(tǒng)的通過性隨車速和載荷變化的趨勢一致，但是相同工況下組合系統(tǒng)比單個模塊的通過性差；在正弦路面上，二者通過性隨車速和載荷的變化趨勢并不一致，在車輪轉速較低（30～60 r/min）時組合系統(tǒng)通過性不如單個模塊，但是在車輪轉速較高（90～120 r/min）時二者相差不大，該結論可為輪式裝甲車輛模塊化發(fā)展提供基礎支持。

通過性；模塊化；ADAMS仿真；臺階路面；正弦起伏路面

現代輪式裝甲車需要具備諸如高可靠性、高通過性等優(yōu)秀品質[1]。為了更好地滿足現代狼群式作戰(zhàn)目的，提升作戰(zhàn)表現，模塊化設計的思想已經應用在輪式車輛的研發(fā)中。將原來的裝甲車單體行動系統(tǒng)作為一個獨立模塊，其自身具有獨立動力單元，既可單獨行動，又可進行前后連接組裝，進而組成更大型的組合式行動系統(tǒng)。但多模塊帶來的復雜結構、多自由度和幾何約束也對整體行動系統(tǒng)的通過性造成了影響。

關于車輛的通過性研究有諸多的專家學者進行了研究，得到了大量的成果。陳欣等[2-3]和張申等[4]分別對多軸越野車輛和輪式裝甲車輛的越障性能進行了仿真分析。田宇[5]和劉波等[6-7]利用ADAMS軟件對車輛通過臺階和壕溝路面進行了仿真分析。秦偉[8]以車載火箭炮為研究對象，在RecurDyn中進行了各種路面上的仿真分析。以上研究不乏多軸車輛的通過性仿真分析，但多軸車輛的各軸統(tǒng)一在一個車架之上，本質上還是一個單體模塊的通過性研究，這與模塊化行動系統(tǒng)的通過性研究有著根本的不同。

胡雋卿[9]以兩自由度鉸鏈越野車為研究對象，利用RecurDyn軟件進行了在臺階路面上的通過性仿真分析。但是其研究的越野車的鉸鏈位于前后軸之間的傳動軸上，整體系統(tǒng)只有一個獨立動力單元，屬于內部有兩自由度變化的單個行動系統(tǒng)的通過性分析。而本文的研究對象是通過鉸鏈連接具有獨立動力源的，由兩個行動系統(tǒng)組成的行動系統(tǒng)模塊，開展模塊化行動系統(tǒng)與單個行動系統(tǒng)的通過性對比研究，對未來裝甲車輛集群式作戰(zhàn)提供參考。

1 模塊化行動系統(tǒng)幾何建模

1.1 模塊化行動系統(tǒng)幾何建模

模塊化行動系統(tǒng)中單個模塊相當于一個獨立的輪式車輛底盤，在研究其通過性時將底盤的轉向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)簡化忽略，單個模塊具有獨立的動力源，其動力系統(tǒng)采用輪轂電機，驅動方式為前輪驅動。

在行動系統(tǒng)中最重要的部件便是懸架，模塊的可提升懸架由提升架、油氣彈簧減震器[10]等組成。其中提升架包括提升架立柱、提升架連桿和提升架支撐板，結構如圖1、圖2所示。

圖1 懸架結構示意圖

1.車架連接件；2.立柱；3.橫向固定板；4.連桿；5.支撐板。

圖2中，橫向固定板的兩端分別與左右立柱固定連接，連桿左右對稱各兩個，一端與立柱鉸接，另一端與支撐板鉸接。

彈簧上端與車架鉸接，下端與提升架支撐板鉸接，車輪與提升架支撐板連接。工作時，活塞桿的伸出與縮回實現懸架的升降，如圖3所示。

圖3 懸架升降原理

單個模塊可以通過在車架前部和尾部加裝鉸鏈機構連接成串聯(lián)式的行動系統(tǒng)，類似高鐵各車廂之間的連接，每個連接的單體模塊都通過自身的動力源驅動一對前輪行駛。如圖4所示，是兩個單體模塊通過鉸鏈連接在一起組成的行動系統(tǒng)。還可以在兩個模塊組成的行動系統(tǒng)的基礎上，將中間的模塊車架前、尾部都加裝鉸鏈，以組成三個和多個的模塊連接的行動系統(tǒng)。

圖4 兩個模塊連接的行動系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)各部件靜態(tài)參數設置

將轉換為“.x_t”格式后的模型導入ADAMS軟件，全局坐標軸的x方向為懸架的長度方向，其負方向為車輛前進方向；全局坐標軸的方向為懸架的高度方向，坐標軸的方向為懸架的寬度方向。如圖5所示。

圖5 ADAMS中坐標軸設置

在ADAMS中還需要進行模型各部件之間運動副的約束，以使得模型中的各部件形成統(tǒng)一的整體，并以正確的運動關系運行，如表1所示。

表1 運動副約束

對于行動系統(tǒng)來說，質量、懸架剛度和阻尼是關鍵的參數，由于本研究對象是可以方便地進行模塊化組合與拆卸的輪式裝甲車輛模塊，且面向未來的裝甲車輛必然是具有輕量化技術優(yōu)勢的越野作戰(zhàn)車輛[11]，所以參數設置方面可以參考輕型裝甲車、輕型載貨汽車以及越野車輛等。輕型載貨汽車的整備質量在2000～4000 kg范圍內[12]，文獻[13]中采用的輕型貨車整備質量為2810 kg，設計總質量為6000 kg，文獻[14]中研究的輕型貨車整備質量為1880 kg，滿載質量為5180 kg，本文設計單個模塊空載、輕載和重載這三種情況，分別對應2000 kg、3000 kg和4000 kg的總質量。文獻[14]中懸架的剛度設置為2.11×105N/m，文獻[15]中懸架剛度為2.7×105N/m，阻尼為5000 N·s/m，本文的懸架彈簧剛度設置為1.2×105N/m，阻尼為6800 N·s/m。靜態(tài)參數設置如表2所示。

表2 靜態(tài)參數

1.3 系統(tǒng)各部件動態(tài)參數設置

導入ADAMS中的模型需要在路面上行駛以完成通過性仿真，所以系統(tǒng)的動態(tài)參數主要分成兩類：一類是驅動參數，用于調整行動系統(tǒng)向前的運動特性；另一類是接觸參數，用于調整車輪和路面模型接觸耦合時的相關力學特性[16]。

由于行動系統(tǒng)的動力由輪轂電機提供，且為前輪驅動，故直接在車輪與支撐板轉軸處的轉動副上添加旋轉驅動，以調節(jié)車輪轉速的方式控制系統(tǒng)的車速。接觸參數主要設置輪胎與地面的接觸方式和附著系數，由于該行動系統(tǒng)的工作環(huán)境通常是野外土路路面，土路（干）路面的平均峰值附著系數為0.68左右[17]，所以設置接觸時的動摩擦系數為0.68，靜摩擦系數要稍大一點，設置為0.7。動態(tài)參數如表3所示。

表3 動態(tài)參數

注：6.46 km·h-1、12.93 km·h-1、19.39 km·h-1、25.85 km·h-1為車輪轉速對應的車速。

2 單個模塊在不同路面上的通過性分析

本文將研究重點放在單個模塊鉸接組成的組合行動系統(tǒng)的通過性分析上，為了與普通的單個行動系統(tǒng)模塊通過性進行對比，也對單個模塊在不同路面上的通過性進行了同工況下的仿真分析。

2.1 臺階路面的通過性分析

選擇單個模塊載荷為30000 N，臺階路面的高度為0.5 m，仿真時間設為40 s，步長0.05。模塊從較高的路面通過臺階后行駛到較低的路面，如圖6所示。

當模塊通過臺階面時，由于輪胎和地面的沖擊，以及車架和車輪相對位置的變化，一方面立柱和支撐板的最低點可能接觸地面，另一方面彈簧受力較大位置傾斜可能與車架發(fā)生干涉，這兩種情況下模塊都不能順利通過臺階面。將模塊剛好能通過臺階路面時臺階的最大高度作為衡量其通過性的指標，分別在4種車速和3種載荷條件下測試能通過的臺階最大高度，結果如表4所示。

圖6 臺階路面通過性仿真

表4 各種工況下模塊能通過的臺階最大高度

由表4可得如下結論：

（1）在載荷一定的情況下，模塊能通過的臺階最大高度隨車速的增加有增加的趨勢，但不是嚴格的單調增加，低車速時能通過的最大臺階高度不大于高車速時的最大臺階高度，可以認為模塊在臺階路面上的通過性在一定范圍內隨車速的提高而提升。

（2）在車速一定的情況下，模塊能通過的臺階最大高度隨載荷的增加而減小，即模塊在臺階路面上的通過性在一定范圍內隨載荷的提高而降低。

2.2 正弦起伏路面的通過性分析

選擇單個模塊載荷為30000 N，起伏路面輪廓的正弦曲線幅值為0.1 m，波長為3 m，仿真時間30 s，步長0.05。考察模塊在正弦起伏路面上的行駛過程，如圖7所示。

同樣，以車架立柱和支撐板不接觸地面和彈簧不與車架干涉為前提，將模塊剛好能通過正弦起伏路面時路面最大幅值作為衡量其通過性的指標，分別在4種車速和3種載荷條件下測試能通過的路面最大幅值，結果如表5所示。

圖7 正弦起伏路面通過性仿真

表5 各種工況下模塊能通過的路面最大幅值

由表5可得如下結論：

（1）在載荷一定的情況下，模塊能通過的路面最大幅值基本上隨著車輪轉速的增加而減少，但也并非嚴格單調減少，低車速下能通過的路面最大幅值不會小于高車速下能通過的路面最大幅值，即模塊在正弦起伏路面上的通過性在一定范圍內隨車速的提升而降低。

（2）在車速一定的情況下，模塊能通過的路面最大幅值和載荷的變化沒有確定的關系。在30 r/min和120 r/min時，路面最大幅值隨載荷增加而非單調增加；在90 r/min時，路面最大幅值隨車速增加而單調增加，但是在90 r/min時，路面最大幅值不隨載荷的變化而變化。即模塊在正弦起伏路面上的通過性在一定范圍內不會隨載荷的提升而降低。

3 兩個模塊鉸接后在不同路面上的通過性分析

將兩個單體行動模塊利用鉸鏈機構進行連接，形成組合式的行動系統(tǒng)，由于系統(tǒng)尺寸的增加、零部件數目的增加、自由度數的增加以及機構幾何形狀的限制，組合式行動系統(tǒng)在路面上的通過性必然與單體模塊的通過性不同。因此在ADAMS中進行組合式行動系統(tǒng)通過臺階路面和正弦起伏的仿真并加以分析。

3.1 臺階路面的通過性分析

選擇模塊載荷30000 N，臺階高度0.35 m，仿真時間20 s，仿真步長0.01，考察兩個模塊連接組成的行動系統(tǒng)通過臺階路面的過程。圖8是車輪轉速30 r/min下組合行動系統(tǒng)四對車輪的質心位移變化情況。

圖8 30 r/min時各對車輪質心位移變化

由圖8可知，分別在8.14 s、9.22 s、10.14 s和11.32 s的時刻第1、2、3、4對車輪從較高的路面上滾落首次觸地，并由于彈簧的作用經過多次彈跳后趨于正常的行駛狀態(tài)。可以看到，不同的車輪落到較低的路面上以后發(fā)生衰減振動的振幅也不同。第1對車輪落到地面上時輪胎產生的振幅最大約0.15 m，第4對車輪的最大振幅僅次于第1對車輪，約0.13 m。第2對車輪和第3對車輪處于行動系統(tǒng)居中的位置，產生的振幅則較小，最大振幅分別是0.07 m和0.05 m。所以可以推測，第1對車輪從較高臺階面落在地面上收到的沖擊最大，第4對車輪次之，而中間的第2對和第3對車輪受到的沖擊較小。如圖9是車輪的垂向受力變化，驗證了第1對車輪受沖擊力最大，第4對車輪次之而第2、3對車輪受力較小的結論。

圖9 各對車輪垂向力變化

與單體模塊一樣，將組合系統(tǒng)能通過的臺階路面最大臺階高度作為其通過性的衡量標準，在4種速度和3種載荷下進行仿真，得到結果如表6所示。

表6 各種工況下組合系統(tǒng)能通過的臺階最大高度

由表6可得到如下結論：

（1）在載荷一定時，組合系統(tǒng)能通過的最大臺階高度在一定范圍內隨車速的增大而呈非單調增大，車輪轉速每增加300 r/min，則最大臺階高度增加約0～0.05 m。

（2）在車速一定時，組合系統(tǒng)能通過的最大臺階高度在一定范圍內隨載荷的增大而減小，載荷每增大10000 N，則最大臺階高度減小約0.15～0.25 m。

（3）通過比較表4和表6，可以發(fā)現單體模塊和組合系統(tǒng)在臺階路面上的通過性存在異同。相同點是通過性與車速和載荷的關系表現出一致性，不同點在于在同等條件下組合系統(tǒng)的通過性遠遠差于單體模塊的通過性，組合系統(tǒng)能通過的臺階最大高度比同條件下模塊能通過的最大臺階高度低0.35～0.4 m，相當于車輪半徑的61%～70%。

3.2 正弦起伏路面的通過性分析

選擇模塊載荷為30000 N，起伏路面的正弦曲線幅值為0.2 m，波長為3 m，仿真時間40 s，仿真步長0.01，考察組合系統(tǒng)通過正弦起伏路面的過程。圖10展示了90 r/min車輪轉速下車輪和車架質心位移的變化。

組合系統(tǒng)通過正弦起伏路面的過程中，當第1對車輪爬升至波峰時，第3對車輪正處于上坡的過程中，二者都處于較高位置，將前方的車架抬升起來，于是第2對車輪懸空。當第2對車輪爬升至波峰時，第4對車輪處于上坡的過程，第3對車輪懸空；但此時由于第1對車輪在較低的位置，前方的車架向前下方傾斜使得在最高點的第2對車輪的懸架彈簧形變劇烈。以此類推，第3對車輪爬升至波峰時第2對車輪懸空；第4對車輪在較低位置使得后方的車架向前上方傾斜，使得在最高點的第3對懸架彈簧形變劇烈；第4對車輪爬升至波峰時，第3對車輪懸空。所以在正弦起伏路面上行駛時，行動系統(tǒng)的第2和第3對車輪的懸架彈簧受力較大，彈簧的形變程度大，也是影響其通過性的關鍵位置。圖11是通過起伏路面時各對彈簧上端點受力的變化，可看出第2、3對彈簧受力最大。

圖10 90 r/min時組合系統(tǒng)車輪和車架質心位移變化

圖11 各對彈簧上端點受力變化

在4種速度和3種載荷下進行仿真，測試組合系統(tǒng)在正弦起伏路面上能通過的路面最大幅值，得到結果如表7所示。

表7 各種工況下行動系統(tǒng)能通過的路面最大幅值

由表7可得如下結論：

（1）在載荷一定時，組合系統(tǒng)在正弦起伏路面上能通過的路面最大幅值在一定范圍內隨車速的增加呈現先不變、后增加、再減小的趨勢。這是因為在較低的車速范圍內，車輪基本上貼合路面曲線行駛，車架隨著路面地形的起伏發(fā)生周期性的傾斜，能通過的最大路面幅值受到幾何形狀參數的制約，改變不大。隨著速度的提高，組合系統(tǒng)因為慣性而不完全貼合路面曲線行駛，這使得車架隨路面變化而傾斜的情況得到了改善，能通過的最大路面幅值稍有增大。而在車速較大的范圍內，由于慣性導致的車輪與路面的沖擊力會增大，車輪的跳動幅度增大，彈簧受力增大，能夠通過的最大路面幅值又會降低。根據表7，組合系統(tǒng)在車輪轉速為90 r/min即車速為19.4 km/h附近的通過性最好。

（2）在速度一定時，組合系統(tǒng)在正弦起伏路面上能通過的最大路面幅值在一定范圍內隨載荷的變化沒有明顯的變化趨勢，基本上維持在0.2±0.05 m的附近。

（3）對比表5和表7，可以發(fā)現單體模塊和組合系統(tǒng)在正弦起伏路面上的通過性存在著較大的差異。差異體現在兩個方面：第一，兩者在載荷一定時能通過的最大路面幅值隨車速的變化關系不同，模塊的通過性隨車速增加并不會降低，而組合系統(tǒng)的通過性在車速較高范圍內，會隨車速的繼續(xù)增加而降低。第二，同等條件下模塊和組合系統(tǒng)的通過性略有不同，在低速范圍（30～60 r/min）組合系統(tǒng)能通過的路面最大幅值比模塊的要降低0.1～0.15 m，而在高速范圍（90～120 r/min）組合系統(tǒng)通過的最大幅值基本上不低于模塊通過的最大幅值，即模塊相對于組合系統(tǒng)在正弦起伏路面上通過性的優(yōu)勢主要在于車輪轉速30～60 r/min的低速區(qū)。

4 結束語

本文針對應用于輪式車輛的模塊化行動系統(tǒng)，利用ADAMS多體動力學仿真軟件分別進行了單個行動系統(tǒng)模塊和兩個模塊鉸接形成的組合式行動系統(tǒng)在不同路面上的通過性仿真，得到結論如下：

（1）臺階路面上，單個模塊和組合式行動系統(tǒng)的通過性隨車速和載荷的變化而變化的關系一致；正弦起伏路面上，二者的通過性隨車速和載荷的變化而變化的關系存在差異。

（2）無論是臺階路面還是正弦起伏路面，單個模塊和組合式行動系統(tǒng)在同車速、同載荷條件下的具體通過性表現存在差異。臺階路面上行動系統(tǒng)通過性遠遜于單個模塊，正弦起伏路面上僅在低速時行動系統(tǒng)通過性略遜于單個模塊。

對于模塊化行動系統(tǒng)的通過性研究，兩個模塊連接組成的系統(tǒng)仍顯特殊，且在實際中使用的概率較低，后續(xù)以三個模塊連接組成的系統(tǒng)為研究對象將具有更大的研究價值和實際意義。

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Simulation Analysis of Trafficability of Modular Mobile System with Independent Power Source

HOU Youshan1，YUAN Ye2，LIU Kaihua2，LIU Zhentao2

(1.China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China; 2.Power Machinery and Vehicular Engineering Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China )

A design idea of modular running system was proposed by connecting several independent running systems with power sources in series with hinges for wheeled vehicles. The trafficability performance of the system was studied. Firstly, three-dimensional models of a single module and the system composed of two modules were established. Secondly, two road conditions, steps and sinusoidal undulations, as well as four speeds and three load conditions, were established with ADAMS, and then the trafficability performance of the single module and the system were compared through simulation analysis. The results show that the trafficability of a single module and the combined system changed consistently with vehicle speed and load on the stepped road. However, the trafficability of the combined system is worse than that of a single module under the same working conditions. On a sinusoidal undulating road, the changing trend of the trafficability of the two is inconsistent with the speed and load. When the wheel speed is low (30～60 r/min), the trafficability of the combined system is not as good as that of a single module, but when the wheel speed is high (90～120 r/min), the difference is not significant. The findings can support the modular development of wheeled armored vehicles.

trafficability；modular；ADAMS simulation；stepped roads；sinusoidal undulating roads

U461.5+2；TB24

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.01.004

1006-0316 (2022) 01-0023-08

2021-05-17

侯友山（1981－），男，山東臨沂人，博士，研究員、工程師，主要研究方向為車輛行動系統(tǒng)技術，E-mail：houyoushan2008@126.com；袁野（1998－），男，安徽合肥人，碩士研究生，主要研究方向為汽車及發(fā)動機零部件可靠性技術研究；劉凱華（1995－），男，浙江紹興人，碩士研究生，主要研究方向為汽車及發(fā)動機零部件可靠性技術研究。*通訊作者：劉震濤（1971－），男，山東德州人，博士，教授、博士生導師，主要研究方向為汽車發(fā)動機可靠性技術和熱管理理論及方法，E-mail：liuzt@zju.edu.cn。