路障冲击下高速履带车辆悬挂系统性能需求分析

冯占宗, 魏来生, 毕占东, 黄小辉

(1. 中国北方车辆研究所,北京 100072; 2. 装甲兵工程学院装备试用与培训大队,北京 100072; 3. 73091 部队,江苏 徐州 239001)

为适应未来战争，各军事强国要求作战车辆的最高越野速度能达到54～60 km/h，以快速突击抢占有利地形、战机，获得战术主动。受车辆平顺性的影响，改善车辆悬挂系统性能是提高车辆机动性的前提条件。20世纪80年代，西方国家通过加大悬挂行程、采用变刚度弹簧等措施，使一线作战车辆的机动性得到了明显提高。然而，该措施潜力有限，因为如果进一步增加悬挂行程，就会导致车体质心过高，不仅会降低车辆行驶稳定性，也会增加被火炮命中的概率[1]。为此，军方开始考虑采用新型的可控悬挂系统替代传统的被动式悬挂系统[2]。可控悬挂可根据路况实时调节悬挂特性，有效抑制车辆振动，提高车辆平均越野速度。例如：装配电磁式主动悬挂后的“枪骑兵”Lancer样车，在路面不平度均方根值为46.5 mm的路面、吸功6 W评价标准限制条件下，比原车的平均越野速度提高了一倍，达到48 km/h[3]。

但是，冲击性能试验表明：可控悬挂难以改善在车轮辗压路面障碍时车辆受到的冲击[4-6]。这些可控悬挂包括M2布雷德利半主动悬挂样车、装配MagneRide半主动悬挂HMMWV样车等。而路障对越野机动性的影响必须高度关注，因为一方面，撞击引起剧烈振动，驾驶员不得不减速行驶；另一方面，在车辆行驶的越野道路上，路障的位置与大小难以预计，撞击所造成的心理压力使驾驶员即便是在无路障的路段也会谨慎驾驶，从而严重迟滞车速。

本文针对因车速提高后负重轮与路障撞击加剧、可控悬挂减振性能不佳的现象进行分析，探索降低冲击载荷、提高车辆机动性的方法。

1 路况分类及对车辆机动性影响机理

车辆行驶路面不同，车辆振动与受到的冲击特性也不同[7]。一般来说，经履带反复辗压的路面或起伏地，平均波长介于5～12 m，长度接近一个车体，当车辆通过时，车体以俯仰振动为主，最容易产生“悬挂击穿”，此时车体受的撞击约为静载的十几倍[8]；而田野、非人工路面以及被履带辗压损坏的路面，常常有漂石、雨裂、倒伏的树木以及深坑等，当车辆高速碾压时，以冲击为主。这是区别于公路车辆的2种极端工况，极大地破坏了车辆行驶平顺性，容易对车载仪器和乘员造成损坏、损伤，因此必须予以有效控制。

在前一种路况下，试验表明：采用姿态控制(Attitude Control)或防悬挂击穿(End Stop Control)[9]等控制算法后，主动悬挂能较好地抑制车体的俯仰振动。在后一种工况下，车轮辗压路面障碍时，履带张紧力使各负重轮受到的冲击不同，第一负重轮遇到障碍物时独立作用，而其他位置的负重轮通过履带将撞击载荷分散到相邻负重轮上，因此，第一负重的行驶工况最为恶劣，常出现使用寿命低于其他负重轮的现象。故本文仅分析第一负重轮的受力情况。

2 撞击过程及功率损失分析

2.1 撞击力分析

车轮辗压路面障碍的过程是一个复杂的碰撞过程，瞬时力值及变化规律都不清楚，但可确定车轮初速与末速，所以在撞击起、末阶段，车轮动量是定量，可利用冲量与动量原理求解撞击力。假设车辆以匀速v1行驶，当负重轮遇到凸起高度为q的障碍物时，平衡肘绕扭杆轴线旋转，负重轮质心速度由v1变为v2，运动方向与受力如图1所示。

图1 撞击障碍时车轮受力分析

由于驾驶员在较短的撞击时间内来不及减速，发动机仍持续向车辆提供动力以保持车辆匀速行驶，因此v2数值近似等于v1，但方向发生偏转，与路面障碍接触点法向垂直。偏转角度θ可由障碍相对于车轮大小表示:

(1)

文献[10]认为:撞击力对车体运动的影响远大于其他各种力，因此,在撞击持续时间内可以将其他各力对车体运动的影响略去；由于车体在撞击瞬间垂直方向上的位移很小，因而可以忽略；减振器启动过载保护，假设无阻尼输出。为简化计算，扭杆刚度等效为垂直方向上的刚度。根据冲量与动量定理，可得

(2)

式中：m为车轮质量；k为垂直方向上的等效刚度；Fx为车轮受到的沿x轴(行驶)方向的撞击力，将降低车辆的速度；Fy为车轮受到的沿y轴方向的撞击力，将引起车辆悬挂系统受迫振动；v1x、v2x分别为撞击前、后沿x轴方向的速度；v1y、v2y分别为撞击前、后沿y轴方向的速度，其中v1x=v1，v2x=v1cosθ，v1y=0，v2y=v1sinθ。设车轮转速为ω，则撞击时间Δt可表示为

(3)

将式(3)代入式(2)，可得

(4)

负重轮受到的总撞击力为

(5)

2.2 撞击所导致的功率损失

在路面障碍撞击下，负重轮沿前进方向的动能一部分转化为垂直方向，由弹簧储存。这部分能量无法再用于车辆前进的动力，通过振动最终被阻尼耗散或转化(馈能悬挂)。由v2y=v1sinθ可知，这部分能量的功率可表示为

(6)

3 算例及试验验证

为验证冲量与动量计算方法的正确性，本文引用文献[11] 中冲击试验数据，对计算方法进行验证。

2005年，为给8×8全电战斗车(20 t)的轮毂电机抗冲击性提供设计依据，得克萨斯大学机电中心的Beno等人利用轮式拖车测试了路面障碍物对高速行驶车轮的冲击，试验条件为：由HMMWV牵引如图2所示的拖车，以不同速度碾压150 mm高的路面障碍。冲击载荷由安装在拖车轮毂上的加速度传感器进行测量。

图2 车轮碾压路障时冲击力测试现场

3.1 计算结果

根据文献[11]及8×8战车(车重18 t，簧上、簧下质量比为6.6)相关资料，取m=296 kg,v1=48 km/h，q=150 mm，并取偏频f=1.45 Hz，将其代入式(5)进行计算，可得冲击载荷约为92g。

3.2 试验结果

图3为不同胎压的车轮碾压路面障碍时冲击加速度-车速曲线。可见：车轮受到的冲击力与车速、轮胎内充气气压有关；在同一充气气压条件下，随着车速的提高，冲击力增加；当车速为48 km/h、充气气压为207 kPa或0 kPa时，车轮受到的冲击加速度与计算值相当，说明利用冲量与动量原理得出的计算结果对预测撞击载荷的大小有参考价值。文献[11]其他试验数据说明撞击过程历时10～20 ms。

图3 不同胎压的车轮碾压路面障碍时冲击加速度-车速曲线

4 悬挂系统结构参数对撞击载荷的影响

由式(4)、(5)可知：负重轮受到的撞击力与行驶速度的平方成正比。本文以45 t级履带车辆为研究对象，其负重轮直径为660 mm，质量为100 kg，扭杆弹簧在负重轮平衡位置处的等效刚度为2.66×105N/m。越野工况为：以v1=54 km/h驶过高度q=127 mm的路面障碍。由式(4)、(5)可求得：Fx=2.9×104N，Fy=5.9×104+980+3.4×104=9.4×104N，总撞击力F=9.8×104N。用加速度表示，撞击载荷为F/m=100g。

也就是说，根据军方对机动性的最高要求，当车辆越野速度由36 km/h提高至54 km/h时，撞击加速度由64g提高至100g，增幅为56.25%。显然，如果悬挂系统性能较差，则难以将经由悬挂系统传递至车体的强烈冲击衰减到人体可承受的范围内。

此外，由Fy的表达式可知：障碍高度相对于负重轮的大小以及悬挂系统的刚度都对冲击载荷有较大的影响。因此,选择适当的悬挂系统参数有利于降低撞击载荷。

4.1 负重轮直径

由图1可知：路面障碍高度与负重轮半径之间的比值越小，则偏转角度θ也越小，相应地，冲击力也越小。如果将负重轮直径由660 mm增大为750 mm，则撞击载荷可由100g降至93g，其中垂直方向上的撞击载荷由95.9g降低至89.7g。

这说明：采用大负重轮有利于减小通过同一路面障碍时车轮受到的冲击，可提高负重轮的可靠性和使用寿命。

4.2 悬挂刚度

在撞击过程中，平衡肘绕扭杆的轴线旋转，负重轮沿路面障碍轮廓上升。此时，由扭杆产生的动态弹性力实际上是在阻止平衡肘的旋转，不利于降低撞击载荷。由Fy表达式中的第3项可知：由动态弹性力阻止负重轮收缩所致的撞击力占36%，是不容忽视的。如果降低第一悬挂刚度，则有利于降低撞击载荷，这说明在设计车辆时，现行的全车悬挂特性均匀配置方法不利于降低撞击载荷、提高车辆平顺性。

近年来，一些装配油气弹簧或“变丝径、变中径、变节距”螺旋弹簧的越野车辆道路试验表明：具有刚度非线性渐增特性的悬挂系统能大幅度改善车辆的乘坐舒适性。考虑到扭杆弹簧作为一线作战车辆的弹性元件具有不可替代的优势，因此研制具有非线性渐增特性的扭杆弹簧是必要的。

4.3 减振器安装位置及其对称阻尼特性

上述计算未考虑减振器阻尼力，对于现装配的液压式减振器而言，由于撞击时间较短，如果由弹簧控制的阀杆不能及时完全开启卸压，则因减振器阻尼力所引起的冲击载荷是不可忽视的。

目前，为有效抑制车辆俯仰振动，多数履带车辆采用仅在车首、尾悬挂系统上(如1、2、6位置)安装减振器的方式。为保证整车振动系统的阻尼比位于合理值范围内，单个减振器的阻尼系数较大(2倍)，过载保护的阈值也较大。此外，为减小履带脱带概率，往往采用压缩与拉伸行程阻尼等值分配的设计方案。这2种设计措施都阻止负重轮沿障碍外廓快速变化，加剧撞击。

由此可见:降低第一悬挂系统阻尼特别是压缩行程的阻尼，有利于降低撞击载荷。当然,这不利于抑制车辆俯仰振动，可通过在第5位置增加减振器进行弥补。

4.4 采用主动/半主动悬挂技术

在设计悬挂系统时，采用大负重轮、非线性刚度弹性元件及低阻尼减振器等措施可降低冲击载荷，但潜力有限，将降低其他性能或难以布置。根本解决方法是探索能主动控制、实时“跨越”的技术。

4.4.1 常见可控悬挂难以降低冲击载荷的原因

如文献[4-6]所述，常见主动/半主动悬挂难以改善车轮辗压路面障碍时的车辆平顺性。对于半主动悬挂，其变阻尼减振器只能输出阻尼力，因此，为减小悬挂系统传递至车体的冲击，最理想的控制策略是实现无阻尼，这相当于被动悬挂中的液压减振器过载保护，因而半主动悬挂难以改善车辆的平顺性。而对于主动悬挂，主要影响因素是系统时滞，它是指控制过程中从状态量测开始到执行器响应的时间，其中执行器的响应时间占主要部分，一般高于0.03 s，而根据计算，车轮沿路障轮廓爬升，即冲击过程历时仅为Δt=0.02 s，显然，靠实时测量车辆状态量的控制算法无法减小冲击。

4.4.2 降低冲击载荷对主动悬挂的要求

1) 感知路面障碍系统及控制算法

如果能提前感知路面障碍，在撞击前及时输出主动控制力以收起车轮并“跨越”路面障碍，则主动悬挂可降低冲击载荷。因而，预瞄传感及跨越控制算法成为主动控制的技术之一。

预瞄传感系统曾于1993年在HMMWV主动悬挂样车上进行过演示验证。文献[12]表明：与被动悬架相比，该系统可将车辆平顺性提高3倍，而未采用预瞄传感系统的天棚控制仅提高2倍。2014年，Mercedes-Benz 2014 S-class的Magic body系统上采用立体相机(Stereo camera)作为预瞄系统，可提前获取前方道路不平度信息，经控制器识别、分析、评估后传递给主动车体控制系统(Active Body Control,ABC)[13]。

2) “跨越”路面障碍所需功率

“跨越”路面障碍所需能量主要用于压缩弹性元件，以抬高负重轮，其功率计算式如下：

(7)

经计算，如果主动规避撞击，则执行器需要消耗功率56 kW，其中用于克服负重轮重量的功率仅为3 kW，其余均用于压缩弹性元件，为此，需降低悬挂刚度。德克萨斯大学机电中心的Beno等人在研制HMMWV电磁悬挂样车时，悬挂系统的刚度仅为原车的1/2[14]。

3) 主动控制与无控通过路面障碍时所需功率比较

采用主动收缩车轮“跨越”路面障碍的方法需要可观的能量。但与被动悬挂直接撞击造成的功率损失相比，仍然是节能的。

如果采用被动悬挂，车轮辗压路面障碍时，车体沿前进方向的部分动能转化为第一悬挂系统沿垂直方向的势能，这部分能量使悬挂产生振动，最终由减振器耗散。根据式(6)计算可知，这部分耗功峰值高达350 kW,文献[15]也报道了类似的结论。以M1单轮悬挂系统为对象，采用试验与仿真相结合的方法(难以安装传感器实测)，计算出当车辆以时速64 km/h在路面不平度均方根值为89 mm的越野路面行驶时，单个悬挂减振器耗功峰值为540 kW，均方根值为71 kW。若按均值计算，则全车14个悬挂需耗功994 kW，占发动机输出功率的91%。文献[15]认为受传动系统、行动系统效率的限制，发动机难以为悬挂系统提供如此高比例的能量，车辆将因功率不足而达不到预期速度。

而采用主动控制收缩车轮的方法，所需功率仅为采用被动悬挂时减振器消耗功率的16%。

5 结论

根据冲量、动量守恒定律，可方便、快捷、准确地计算车轮与路面障碍撞击载荷，为论证阶段的高机动车辆行动系统的可靠性、平顺性设计提供理论依据。

适当的悬挂刚度、阻尼及负重轮直径可降低履带车辆在越野路面高速行驶时因路面障碍对负重轮的冲击，提高车辆机动性；但根本解决方法是采用具有预瞄传感、快速响应的主动控制技术。

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