高機(jī)動(dòng)履帶車輛行駛系統(tǒng)中的5個(gè)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題

毛明，張亞峰，杜甫，陳軼杰

（中國(guó)北方車輛研究所，北京100072）

高機(jī)動(dòng)履帶車輛行駛系統(tǒng)中的5個(gè)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題

毛明，張亞峰，杜甫，陳軼杰

（中國(guó)北方車輛研究所，北京100072）

行駛系統(tǒng)對(duì)坦克裝甲車輛的性能尤其是機(jī)動(dòng)性有特別重要的影響，然而由于工作環(huán)境復(fù)雜且惡劣，使行駛系統(tǒng)技術(shù)成為制約坦克裝甲車輛性能提高的“瓶頸”。論述了高機(jī)動(dòng)履帶車輛行駛系統(tǒng)中基于機(jī)電相似系統(tǒng)的振動(dòng)衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、復(fù)雜系統(tǒng)非線性振動(dòng)動(dòng)力學(xué)、能量耗散、地面力學(xué)和非線性振動(dòng)控制等5個(gè)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題的概念內(nèi)涵、研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容和前人的研究成果，期望引起各方面的關(guān)注，并深入開(kāi)展基礎(chǔ)理論層面上的研究和工程技術(shù)層面上的協(xié)同攻關(guān)。

兵器科學(xué)與技術(shù)；行駛系統(tǒng)；機(jī)電相似理論；非線性振動(dòng)；能量耗散；地面力學(xué)；控制

1 概述

行駛系統(tǒng)的主要功能是將傳動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩轉(zhuǎn)化為車輛與地面之間的作用力，從而驅(qū)動(dòng)車輛實(shí)現(xiàn)各種行駛動(dòng)作。

具體到履帶車輛行駛系統(tǒng)，它的主動(dòng)輪安裝在傳動(dòng)系統(tǒng)輸出軸上，通過(guò)主動(dòng)輪輪齒和履帶之間的嚙合把履帶持續(xù)不斷地向前鋪設(shè)并從后方卷起，從而使負(fù)重輪能夠沿所鋪設(shè)的履帶不斷滾動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)車輛的行駛功能。

1.1 行駛系統(tǒng)的構(gòu)成

履帶車輛的行駛系統(tǒng)主要由履帶、主動(dòng)輪、負(fù)重輪、誘導(dǎo)輪、托帶輪和懸掛減振裝置等部件構(gòu)成，如圖1所示［1］。

履帶是坦克裝甲車輛最典型的特征之一，它的最大特點(diǎn)是支承負(fù)重輪并為其提供一條“連續(xù)滾動(dòng)的軌道”，使車輛獲得很低的接地壓力（約60～90 kPa，而輪式裝甲車輛輪胎的接地壓力達(dá)120～600 kPa）和較大的附著力，保證車輛在無(wú)路的情況下也能順利通過(guò)。履帶所處的工作環(huán)境非常惡劣，在車輛行駛過(guò)程中，它直接與砂石、泥水、海水等接觸，同時(shí)受到多個(gè)方向的拉伸、扭轉(zhuǎn)作用，沖擊碰撞載荷大，腐蝕嚴(yán)重。

圖1 履帶車輛行駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of tracked vehicle running system

先進(jìn)坦克普遍采用橡膠鉸鏈履帶，與主動(dòng)輪嚙合質(zhì)量好，行駛噪音小，具有較高的傳遞效率，且使用壽命較長(zhǎng)。德國(guó)的豹2A5坦克的雙銷雙板銷耳掛膠履帶使用壽命可達(dá)7 500 km左右（見(jiàn)圖2），美國(guó)的M1A2坦克采用的是雙銷雙板銷耳掛膠、著地面掛膠、跑道面掛膠的T-158型履帶，其使用壽命達(dá)到3 400 km.

負(fù)重輪支承車體在履帶接地段上滾動(dòng)，并將車輛的重量較均勻地分配在整個(gè)履帶的接地段上。現(xiàn)代履帶車輛的行駛裝置中，在負(fù)重輪的外部一般都有外橡膠圈，這有助于提高行駛平穩(wěn)性和降低噪聲，如圖3所示。

圖3 負(fù)重輪實(shí)車照片圖Fig.3 Picture of road wheel on real vehicle

坦克負(fù)重輪一般要承受25～50 kN的靜載荷，動(dòng)載荷能達(dá)到靜載荷的3～5倍以上，工作時(shí)，負(fù)重輪磨損、橡膠圈發(fā)熱嚴(yán)重。

懸掛減振裝置包括彈性元件、減振器、緩沖器、導(dǎo)向裝置。功用是把車體和負(fù)重輪彈性連接起來(lái)，傳遞作用在負(fù)重輪和車體之間的力和力矩，緩和車輛行駛時(shí)經(jīng)負(fù)重輪傳遞到車體的沖擊，并衰減車體的振動(dòng)，保證車輛能以較高的速度行駛。根據(jù)彈性元件的類型，可以將懸掛減振裝置分為扭桿彈簧懸掛裝置和油氣懸掛裝置。20世紀(jì)高速履帶式坦克裝甲車輛基本上都是采用扭桿作為彈性元件的獨(dú)立懸掛裝置。它是利用圓形扭桿在扭轉(zhuǎn)時(shí)的彈性變形實(shí)現(xiàn)車體和負(fù)重輪之間的彈性連接。如圖4所示，扭桿的一端用花鍵固定在車體上，另一端固定在懸掛裝置的平衡肘內(nèi)，平衡肘擺動(dòng)時(shí)，扭桿發(fā)生彈性扭轉(zhuǎn)。扭桿懸掛的特性基本上是線性的，懸掛剛度變化很小。

理想的懸掛裝置特性，如圖5所示，應(yīng)當(dāng)使得車輛在較好的路面上行駛時(shí)有較低的懸掛剛度，從而保證較好的平順性；當(dāng)車輛在起伏較大的路面上行駛時(shí)懸掛應(yīng)該具有較大的剛度，使得吸振緩沖能力較強(qiáng)。油氣懸掛集彈性和阻尼元件于一身，以其優(yōu)越的非線性彈性特性和良好的減振性能，能夠最大限度地滿足不同車輛的平順性要求，從而大幅提升行駛速度。安裝有液壓控制系統(tǒng)的可調(diào)油氣懸掛系統(tǒng)還具備調(diào)節(jié)車輛姿態(tài)、懸掛剛性閉鎖等功能。油氣懸掛最大工作壓強(qiáng)可達(dá)70 MPa，工作速度達(dá)5 m/s，工作溫度-50℃～200℃，側(cè)向應(yīng)力達(dá)15 N/mm2.日本最新推出的TK10坦克就采用了油氣懸掛。

圖4 扭桿懸掛裝置在車輛上的安裝Fig.4 Installation drawing of torsion bar suspension device

圖5 懸掛裝置特性曲線Fig.5 Characteristic curves of suspension device

減振器是安裝在車體和負(fù)重輪之間的一個(gè)阻尼部件，用來(lái)消耗坦克裝甲車輛的振動(dòng)能量，衰減車體的振動(dòng)。由于它能減小車體振動(dòng)的振幅和振動(dòng)次數(shù)，因而也能延長(zhǎng)彈性元件的疲勞壽命。根據(jù)減振方式不同可以分為摩擦減振器和液壓減振器；液壓減振器按結(jié)構(gòu)又可分為筒式、擺動(dòng)活塞式和葉片式，其中先進(jìn)坦克中常用的是回轉(zhuǎn)葉片式減振器，如圖6所示。

圖6 回轉(zhuǎn)葉片式減振器Fig.6 Rotational absorber

1.2 行駛系統(tǒng)的功能

行駛系統(tǒng)的功能主要有：1）承載車體、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等車輛部件的重量；2）將傳動(dòng)裝置傳遞過(guò)來(lái)的扭矩轉(zhuǎn)化為地面附著牽引力，實(shí)現(xiàn)車輛的直行、轉(zhuǎn)向、倒車、制動(dòng)等行駛功能；3）傳遞、承受、緩和作用于行駛機(jī)構(gòu)上的各種振動(dòng)、沖擊載荷，保障車輛行駛的平順性和安全性。對(duì)于戰(zhàn)斗車輛，行駛系統(tǒng)還必須為上裝武器系統(tǒng)提供相對(duì)穩(wěn)定的機(jī)動(dòng)支撐平臺(tái)，并承受車載武器發(fā)射時(shí)的動(dòng)載荷，是實(shí)現(xiàn)車輛火力性能的重要保障。

1.3 行駛系統(tǒng)的性能

行駛系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到坦克裝甲車輛火力、機(jī)動(dòng)力和生存力，對(duì)軍用車輛戰(zhàn)斗力的發(fā)揮具有決定性作用。美國(guó)在《2010年聯(lián)合作戰(zhàn)構(gòu)想》中論述作戰(zhàn)車輛的“火力性”和“機(jī)動(dòng)性”時(shí)，也已經(jīng)明顯地向“機(jī)動(dòng)性”傾斜，甚至構(gòu)想未來(lái)主戰(zhàn)坦克最大速度應(yīng)該達(dá)到100 km/h以上，越野平均速度達(dá)到55 km/h以上，美軍對(duì)車輛機(jī)動(dòng)性的重視程度可見(jiàn)一斑［2］。

車輛機(jī)動(dòng)性一般是指車輛在全質(zhì)量狀態(tài)下，在一定環(huán)境中進(jìn)行指定運(yùn)動(dòng)的可能性和快速性，即車輛以盡可能高的平均速度通過(guò)各種道路（鋪裝路、壞路等）、無(wú)路地帶（如耕地、沙漠、雪地、沼澤等松軟地面）和克服各種障礙的能力。顯然，車輛機(jī)動(dòng)性是表征車輛行駛系統(tǒng)乃至整車性能的一項(xiàng)至關(guān)重要的指標(biāo)，一般可以用越野平均速度、最大速度這兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行描述。越野平均速度是指車輛在規(guī)定比例的各類越野地面上及規(guī)定的環(huán)境條件下各平均速度的加權(quán)平均值。最大速度是指車輛在規(guī)定的路面（行駛狀況良好）及環(huán)境條件下所能達(dá)到的最大瞬時(shí)速度。對(duì)坦克裝甲車輛而言，其機(jī)動(dòng)性還直接影響到行進(jìn)間射擊車速這一關(guān)乎火力性能的重要指標(biāo)。世界先進(jìn)主戰(zhàn)坦克機(jī)動(dòng)性已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，如德國(guó)的豹2A7+坦克和日本TK10式主戰(zhàn)坦克越野平均速度達(dá)到55 km/h，法國(guó)勒克萊爾主戰(zhàn)坦克越野平均速度達(dá)到50 km/h，俄羅斯新一代主戰(zhàn)坦克最大公路速度超過(guò)85 km/h，白俄羅斯的2T坦克越野平均速度達(dá)60 km/h，最大公路速度達(dá)95 km/h.

車輛的最大速度取決于動(dòng)力、傳動(dòng)系統(tǒng)的性能，而越野平均速度則主要取決于行駛系統(tǒng)的性能，履帶車輛行駛系統(tǒng)是提高車輛越野平均速度即行駛機(jī)動(dòng)性的關(guān)鍵因素，是提高行進(jìn)間射擊車速即火力機(jī)動(dòng)性的關(guān)鍵因素，是提高車輛行駛平順性和乘坐舒適性的決定性因素，是影響可靠性的主要因素。

2 行駛系統(tǒng)中的5個(gè)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題

行駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)是：無(wú)論在何種路面以何種車速行駛，其所支撐的平臺(tái)（懸上質(zhì)量）應(yīng)盡量保持多向穩(wěn)定，并盡量提高牽引效率、減輕質(zhì)量，以及提高壽命。所包含的基本科學(xué)技術(shù)問(wèn)題主要包括：基于機(jī)電相似系統(tǒng)的振動(dòng)衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問(wèn)題、復(fù)雜系統(tǒng)非線性振動(dòng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、能量耗散問(wèn)題、地面力學(xué)問(wèn)題和非線性振動(dòng)控制問(wèn)題。

2.1 基于機(jī)電相似系統(tǒng)的振動(dòng)衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問(wèn)題

2.1.1 概念內(nèi)涵

機(jī)電相似理論是根據(jù)機(jī)械元件與電路元件，在動(dòng)力學(xué)方程上具有相似的形式而建立的，具體表現(xiàn)為：機(jī)械減振系統(tǒng)和濾波電路有相同的動(dòng)態(tài)微分方程和傳遞函數(shù)，如表1所示。機(jī)械減振系統(tǒng)的目標(biāo)是過(guò)濾來(lái)自激勵(lì)（路面）的擾動(dòng)，與電路濾波的概念相似；電容與質(zhì)量、電感與彈簧、電阻與阻尼所表現(xiàn)出的濾波與隔振特性相似。慣容器概念的提出，解決了質(zhì)量元件的“接地”難題，把慣容器作為改進(jìn)的質(zhì)量元件，便形成了新機(jī)電相似理論，如表2所示。

表1 機(jī)電相似理論Tab.1 Electrical and mechanical analogy

表2 新機(jī)電相似理論元件間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Corresponding relation between the elements in new electrical and mechanical analogy

慣容器是一個(gè)從電學(xué)中派生出的概念，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)蓄能器，因此慣容器又稱為慣性蓄能器或慣性質(zhì)量蓄能器，同彈簧和阻尼器一樣具有兩個(gè)獨(dú)立、自由的端點(diǎn)。其本質(zhì)是利用其內(nèi)部的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在與之相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)物體之間提供一種產(chǎn)生慣性力的“虛質(zhì)量”。已出現(xiàn)的慣容器有：齒輪齒條、滾珠絲杠、液壓、流體4種形式，如圖7所示。

圖7 常見(jiàn)的慣容器Fig.7 Common inerters

2.1.2 研究目標(biāo)

突破履帶車輛行駛系統(tǒng)現(xiàn)有彈簧、阻尼、負(fù)重輪、平衡肘、履帶、主動(dòng)輪、張緊裝置、托帶輪的傳統(tǒng)構(gòu)架，將它作為一個(gè)有行駛、減振、承載、調(diào)姿功能的整體，針對(duì)不同的路面（激勵(lì)）環(huán)境，采用由彈簧、阻尼、慣容元件組成的減振網(wǎng)絡(luò)替代僅由彈性元件和減振元件組成的并聯(lián)懸掛。

2.1.3 研究?jī)?nèi)容

將慣容器引入懸掛系統(tǒng)，對(duì)基于“彈簧-阻尼”結(jié)構(gòu)體系的懸掛設(shè)計(jì)理論與方法提出了新的挑戰(zhàn)，亟待尋求新的理論、方法和交叉學(xué)科知識(shí)去研究慣容器本身的特性以及對(duì)懸掛動(dòng)態(tài)性能和整車綜合性能的影響。為構(gòu)建新型減振網(wǎng)絡(luò)，可從以下兩方面進(jìn)行研究：

1）構(gòu)建行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)體系。以慣容、彈簧、阻尼構(gòu)成的減振網(wǎng)絡(luò)作為黑箱，其輸入是不同嚴(yán)酷度的地面激勵(lì)，而輸出為行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，主要用來(lái)評(píng)價(jià)車輛行駛平順性、射擊平順性、沖擊概率以及負(fù)重輪載荷。在“彈簧-阻尼”懸掛體系中，用垂直振動(dòng)加速度評(píng)價(jià)車輛行駛平順性，用俯仰速度和加速度表征射擊平順性，用懸掛動(dòng)行程極限判定沖擊概率。慣容、彈簧、阻尼減振網(wǎng)絡(luò)能否沿用這一指標(biāo)體系？各指標(biāo)之間權(quán)重如何？這些都是亟待研究的問(wèn)題。

2）利用機(jī)電相似理論，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一個(gè)包含不同數(shù)量、不同參數(shù)、不同連接形式的慣容、彈簧、阻尼組成的減振網(wǎng)絡(luò)。將電路濾波的概念完整地引入到機(jī)械減振網(wǎng)絡(luò)中，采用慣容、彈簧、阻尼3種力學(xué)元件，基于整車，設(shè)計(jì)面向激勵(lì)的減振網(wǎng)絡(luò)，再進(jìn)一步，將性能優(yōu)越的“慣容-彈性-阻尼”減振網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為集成化和模塊化的懸掛系統(tǒng)，并解決輕量化及其在車輛上的實(shí)際布置與安裝問(wèn)題。另一方面，油氣彈簧將“彈簧-阻尼”集成在一起，也可以考慮將油氣彈簧與慣容器再集成而形成慣容式油氣彈簧元件。

2.1.4 前人研究成果

2004年，Smith等首次將慣容器應(yīng)用于車輛懸掛系統(tǒng)，構(gòu)建了幾種簡(jiǎn)單的被動(dòng)ISD懸掛結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)至多含有一個(gè)慣容器和一個(gè)阻尼器，能使車輛的乘坐舒適性及行駛安全性得到改善［3］。2005年，慣容器在西班牙大獎(jiǎng)賽萊科寧的賽車上現(xiàn)身，并為邁凱輪車隊(duì)取得了勝利［4］。2006年，Papagorgiou等將線性矩陣不等式理論應(yīng)用到車輛懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，結(jié)果表明與固定結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法相比在某些情況下可獲得更優(yōu)的性能［5］。2007年，慣容器被應(yīng)用于摩托車轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)中，替代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向減振器，結(jié)果表明加入慣容器后摩托車在橫向擺動(dòng)和縱傾狀態(tài)下都能保持平衡，而這是僅使用轉(zhuǎn)向減振器所不能實(shí)現(xiàn)的［6］。

2006年，臺(tái)灣學(xué)者廖柏淮將慣容器應(yīng)用于火車懸掛，改善了火車的乘坐舒適性、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性［7］。2007年，江蘇大學(xué)陳龍等開(kāi)展了齒輪齒條慣容器在車輛懸掛中的研究，證明應(yīng)用慣容器能夠使懸掛的減振性能得到改善；借鑒電學(xué)中的級(jí)聯(lián)濾波思想，根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)際進(jìn)行了改進(jìn)，創(chuàng)建了兩級(jí)串聯(lián)型“慣容-彈簧-阻尼”懸掛，其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)“彈簧-阻尼”懸掛；對(duì)慣容器、彈簧和阻尼任意二元件間的串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)在單自由度系統(tǒng)中的頻響特性和振動(dòng)傳遞動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了二元件連接的理想匹配關(guān)系，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建了一種性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的ISD懸掛［8］。2009年，重慶大學(xué)李川等對(duì)慣容器、彈簧和阻尼器三元件并聯(lián)的車輛懸掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了時(shí)域仿真，結(jié)果表明：當(dāng)彈簧剛度取值較大時(shí)，無(wú)需主動(dòng)的動(dòng)力輸入或半主動(dòng)的檢測(cè)控制回路，三元件并聯(lián)的懸掛結(jié)構(gòu)可以提升懸掛綜合性能［9］。

2013年，中國(guó)北方車輛研究所建立了基于一個(gè)慣容器的通用懸掛模型，并對(duì)模型中包含的21種工程上可行的懸掛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和參數(shù)優(yōu)化，證明其中5種新型結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)懸架［10］，如圖8所示。

圖8 5種新型ISD懸架結(jié)構(gòu)Fig.8 5 new ISD suspension structures

2.2 復(fù)雜系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題

2.2.1 概念內(nèi)涵

復(fù)雜系統(tǒng)非線性振動(dòng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是設(shè)計(jì)懸掛裝置、進(jìn)行懸掛裝置總體布局以及確定履帶行駛裝置各部件設(shè)計(jì)載荷的基礎(chǔ)，是行駛系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題。基于“彈簧-阻尼”結(jié)構(gòu)體系的履帶車輛非線性振動(dòng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的物理模型如圖9所示。

圖9 基于“彈簧-阻尼”結(jié)構(gòu)體系的履帶車輛非線性振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型Fig.9 Tracked vehicle nonlinear vibration dynamic model based on spring-damper structure system

2.2.2 研究目標(biāo)

研究復(fù)雜系統(tǒng)非線性振動(dòng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的目標(biāo)是找出車輛在各種路面、不同車速下運(yùn)動(dòng)時(shí)其所支撐的平臺(tái)（懸上質(zhì)量）的振動(dòng)動(dòng)態(tài)特性與行駛系統(tǒng)各技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系。

2.2.3 研究?jī)?nèi)容

首先，行駛系統(tǒng)許多零部件經(jīng)常工作在極限應(yīng)力環(huán)境下，參數(shù)之間的關(guān)系明顯進(jìn)入到了非線性區(qū)，或是人為的要求其在非線性區(qū)工作。這些非線性因素的存在，給行駛系統(tǒng)特性的精確設(shè)計(jì)、優(yōu)化和預(yù)測(cè)帶來(lái)很大困難，制約著行駛系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步提高和發(fā)展。對(duì)于中低速履帶車輛而言，非線性問(wèn)題一般不突出，用線性化方法對(duì)其進(jìn)行處理，就可以得到滿足工程實(shí)際精度需要的結(jié)果。對(duì)于高機(jī)動(dòng)坦克裝甲車輛，其行駛速度變化范圍大，路況惡劣多變，行駛系統(tǒng)中的狀態(tài)變量經(jīng)常工作在特征曲線的飽和區(qū)或極限區(qū)域，加之行駛系統(tǒng)采用的金屬—橡膠復(fù)合件較多，并且存在多形態(tài)的各種接觸、摩擦等因素，參數(shù)之間的非線性現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，線性化處理帶來(lái)的誤差將明顯增大。

因此，必須建立質(zhì)量特性m、彈性特性k、阻尼特性c和激勵(lì)特性矩陣F的非線性模型并進(jìn)行求解，如（1）式所示，才能進(jìn)一步提高行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度。

式中：x為懸上質(zhì)量各向振動(dòng)位移向量；t為時(shí)間；h為路面高程；v為車速。

其次，研究履帶車輛行駛系統(tǒng)各物理場(chǎng)之間、各物理量之間的耦合問(wèn)題，包括其機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛-柔耦合、熱-流-固耦合、傳動(dòng)系統(tǒng)-行駛系統(tǒng)的耦合、履帶-地面之間的耦合以及行駛系統(tǒng)內(nèi)部零部件之間的相互耦合等等。這時(shí)，傳統(tǒng)的先將物理場(chǎng)或物理量進(jìn)行隔離再分別求解的方法已經(jīng)無(wú)能為力，難以滿足高機(jī)動(dòng)履帶車輛非線性的精度需要。（2）式即反映了各物理場(chǎng)或物理量之間的這種耦合關(guān)系：

式中：xi表示系統(tǒng)的輸入（可以屬于不同的物理場(chǎng)）；ri表示系統(tǒng)的輸出（也可以屬于不同的物理場(chǎng)）；矩陣元素［Rij］（i≠j）表示輸入xj和輸出ri之間的影響關(guān)系。當(dāng)分別屬于不同的物理場(chǎng)時(shí)，Rij就表示兩個(gè)物理場(chǎng)間的耦合系數(shù)。如果Rij為非常數(shù)，xj和ri之間就更是非線性耦合關(guān)系，問(wèn)題更為復(fù)雜。

再次，研究行駛系統(tǒng)受到強(qiáng)沖擊激勵(lì)下的車輛振動(dòng)問(wèn)題。高機(jī)動(dòng)軍用履帶車輛行駛的地面一般起伏大、障礙多、變形嚴(yán)重，行駛系統(tǒng)既要承受來(lái)自地面的高頻連續(xù)沖擊激勵(lì)，低頻大振幅瞬態(tài)沖擊激勵(lì)，還要承受來(lái)自行駛系統(tǒng)內(nèi)部的履帶環(huán)、輪系等的沖擊激勵(lì)。這些因素的共同存在，導(dǎo)致行駛系統(tǒng)所受沖擊激勵(lì)的比重和強(qiáng)度迅速增加，行駛系統(tǒng)零部件受到的動(dòng)載荷迅速上升。此時(shí)，行駛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程如（3）式所示：

式中：zi為系統(tǒng)位移響應(yīng)；系統(tǒng)矩陣mij、cij和kij不再是常量矩陣；動(dòng)載荷Fi（t，h，v）也不僅是時(shí)間t的函數(shù)，而且是車速v、路面高程h的函數(shù)。系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程將變得十分復(fù)雜。面對(duì)如此復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，已有的傳統(tǒng)行駛系統(tǒng)沖擊振動(dòng)問(wèn)題的分析和求解方法已經(jīng)不能適用，必須重新建立行駛系統(tǒng)在復(fù)雜強(qiáng)沖擊條件下的數(shù)學(xué)模型，尋求有效實(shí)用的求解方法，研究行駛系統(tǒng)在強(qiáng)沖擊條件下的沖擊振動(dòng)響應(yīng)特性，進(jìn)而通過(guò)對(duì)懸掛系統(tǒng)的科學(xué)和精確設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊的高效緩沖，既提高車輛平順性，又提升車輛的機(jī)動(dòng)性以及行進(jìn)間射擊能力。

2.2.4 前人研究成果

對(duì)于行駛系統(tǒng)所涉及的各類非線性問(wèn)題前人均有研究，包括特性、機(jī)理和建模、非線性數(shù)值求解理論、方法和大型專業(yè)分析軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用等方面。很多非線性動(dòng)力學(xué)的理論和仿真算法都已經(jīng)應(yīng)用到履帶車輛行駛系統(tǒng)的研究當(dāng)中，在這些研究中，一般多采用理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)車試驗(yàn)相結(jié)合的方法。如圖10，就是運(yùn)用ADAMS/ATV軟件建立車輛的多體動(dòng)力學(xué)模型，分析車輛在越障、不同路面條件下行駛時(shí)的沖擊振動(dòng)響應(yīng)［11］。

圖10 某型履帶車輛跨越壕溝時(shí)的沖擊振動(dòng)響應(yīng)Fig.10 Vibration response of a tracked vehicle across a ditch

2.3 能量耗散問(wèn)題

2.3.1 概念內(nèi)涵

能量耗散問(wèn)題包括牽引能量耗散和振動(dòng)能量耗散兩個(gè)方面。牽引能量耗散是指由動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到主動(dòng)輪上的能量經(jīng)行駛系統(tǒng)后的耗散；振動(dòng)能量耗散是指行駛系統(tǒng)主要是減振器對(duì)振動(dòng)能量的耗散。顯然，能量耗散問(wèn)題是車輛牽引特性計(jì)算和減振器設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題。

2.3.2 研究目標(biāo)

能量耗散問(wèn)題研究的目標(biāo)是：一是提高行駛系統(tǒng)效率，將主動(dòng)輪上的能量（功率）盡可能地轉(zhuǎn)化為牽引車輛行駛的能量（功率）；二是快速衰減甚至回收振動(dòng)能量。

2.3.3 研究?jī)?nèi)容

能量耗散問(wèn)題的主要研究?jī)?nèi)容是行駛系統(tǒng)部件間摩擦和懸掛裝置的熱動(dòng)力學(xué)以及動(dòng)態(tài)阻尼特性等。

開(kāi)展履帶行駛系統(tǒng)內(nèi)部阻力耗功計(jì)算研究，考慮履帶板與履帶板之間彈塑性耦合作用，履帶-車輪、履帶-地面間的耦合力學(xué)作用，建立履帶-負(fù)重輪/托帶輪、履帶-誘導(dǎo)輪、履帶-主動(dòng)輪接觸/碰撞模型。分析掛膠銷扭轉(zhuǎn)變形的內(nèi)摩擦功耗，主動(dòng)輪齒與履帶板的嚙合摩擦阻力及功耗，掛膠負(fù)重輪沿履帶接地段的滾動(dòng)摩擦功耗，主動(dòng)輪、誘導(dǎo)輪等軸承處的摩擦功耗，以及負(fù)重輪、托帶輪、誘導(dǎo)輪與履帶導(dǎo)向齒間的摩擦功耗，考慮摩擦損失中力、運(yùn)動(dòng)甚至摩擦系數(shù)的非線性、強(qiáng)耦合和不確定性，分析不同參數(shù)對(duì)能量耗散影響程度，并針對(duì)性地提出減少履帶行駛系統(tǒng)功率損耗的具體措施。

建立減振裝置振動(dòng)能量耗散模型和緩沖裝置沖擊能量耗散模型，應(yīng)用熱-流-固耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析方法，進(jìn)行減振裝置的全工況熱動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究，包括阻尼閥系的節(jié)流過(guò)程生熱機(jī)理和系統(tǒng)溫度場(chǎng)特性、減振裝置整體的流-固傳熱機(jī)理及各組成部分的溫度變化規(guī)律，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和效能預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)和優(yōu)化。

2.3.4 前人研究成果

俄羅斯對(duì)不同質(zhì)量、不同節(jié)距、不同布置型式的金屬鉸鏈和橡膠套鉸鏈履帶、不同尺寸負(fù)重輪以及履帶與主動(dòng)輪嚙合的功率損耗進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，得到計(jì)算履帶車輛行駛系統(tǒng)效率Eff的經(jīng)驗(yàn)公式［12］：

（4）式表明，履帶車輛行駛系統(tǒng)效率與車速v呈線性關(guān)系，而且當(dāng)車速為0時(shí)，行駛系統(tǒng)的效率為0.95.顯然，（4）式只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，在車速很低和車速較高時(shí)，誤差很大。

針對(duì)油氣懸掛的散熱與功率損耗研究，俄羅斯開(kāi)展了系統(tǒng)的油氣懸掛溫升特性試驗(yàn)研究，通過(guò)傳感器記錄了在不同工況和外界環(huán)境下工作介質(zhì)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)比分析給出了相關(guān)參數(shù)對(duì)溫升特性的影響規(guī)律，同時(shí)運(yùn)用數(shù)據(jù)擬合技術(shù)與傳熱理論相結(jié)合確定了缸體表面的綜合換熱系數(shù)，建立了滿足工程需要的油氣懸掛生熱與傳熱數(shù)學(xué)模型。美國(guó)在開(kāi)展M1主戰(zhàn)坦克肘內(nèi)式油氣懸掛的研發(fā)時(shí)，進(jìn)行了車輛在泥濘路況下行駛時(shí)懸掛缸外壁包泥后的散熱能力研究，所得出的試驗(yàn)結(jié)論和采用的方法對(duì)懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功率損耗研究具有參考意義。洛陽(yáng)拖拉機(jī)廠和中國(guó)北方車輛研究所也針對(duì)能量耗散問(wèn)題開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究。清華大學(xué)呂振華等運(yùn)用有限元分析軟件ADINA對(duì)各種阻尼結(jié)構(gòu)的油氣懸掛進(jìn)行熱動(dòng)力學(xué)和阻尼特性研究，如圖11所示［13］。

圖11 油氣懸掛中的減振裝置熱-流-固耦合協(xié)同仿真示意圖Fig.11 Heat-flow-solid coupling co-simulation of hydropneumatic suspension damper device

2.4 地面力學(xué)問(wèn)題

2.4.1 概念內(nèi)涵

車輛地面力學(xué)是研究車輛與地面間相互作用的一門學(xué)科，是車輛工程的基本科學(xué)問(wèn)題。包括：典型路面（民用車主要是鋪面路）特別是可變形路面（起伏土路、砂石路、戈壁沙漠路）的土壤力學(xué)特性；履帶板（或輪胎）與地面（土壤）的動(dòng)態(tài)相互作用。

2.4.2 研究目標(biāo)

在履帶車輛行駛系統(tǒng)領(lǐng)域，地面力學(xué)研究以揭示附著力的生成機(jī)理和整車非線性振動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程的激勵(lì)特性為目的。由于大變形滑動(dòng)接觸以及土壤既不連續(xù)又各向異性，而且狀態(tài)隨環(huán)境的變化而變化等方面的原因，使得履帶與地面的相互作用分析比較困難，需要深入研究履帶-地面的耦合作用，明晰縱向和側(cè)向附著力產(chǎn)生機(jī)理，在保證轉(zhuǎn)向穩(wěn)定的前提下尋求提升車輛的牽引性能方法。另一方面，需要建立履帶板的設(shè)計(jì)方法，在保證足夠附著性能的前提下實(shí)現(xiàn)履帶板的輕量化。

2.4.3 研究?jī)?nèi)容

開(kāi)展典型路面特別是可變形路面的土壤力學(xué)特性研究，對(duì)典型地面土壤的實(shí)地取樣和測(cè)定，并進(jìn)行土壤力學(xué)特性試驗(yàn)，獲取典型地面土壤參數(shù)，進(jìn)行土壤力學(xué)特性分析。

建立履帶板與地面的動(dòng)態(tài)相互作用模型，研究履帶板幾何特性對(duì)地面接觸應(yīng)力分布的影響；分析土壤在履帶板作用下的破壞機(jī)理；揭示縱向和側(cè)向附著力和行駛阻力、轉(zhuǎn)向阻力的生成規(guī)律。

開(kāi)展履帶的包絡(luò)與濾波作用研究，履帶對(duì)地面的包絡(luò)效應(yīng)主要表現(xiàn)為履帶對(duì)路面譜的濾波作用，分析經(jīng)過(guò)履帶濾波后路面高程變化規(guī)律，建立履帶濾波函數(shù)，為實(shí)現(xiàn)整車道路模擬系統(tǒng)激勵(lì)加載提供理論依據(jù)。

2.4.4 前人研究成果

1913年，德國(guó)的Bernstein第一個(gè)用古典力學(xué)來(lái)研究車輪下陷引起的阻力，如圖12所示［14］。1936年～1939年，Bekker在波蘭華沙工學(xué)院開(kāi)設(shè)地面車輛力學(xué)課程［15］。1960年Reece建立首個(gè)陸地行駛實(shí)驗(yàn)室，首次提出變形土壤的概念，并得到半經(jīng)驗(yàn)土壤各向本構(gòu)關(guān)系，1969年出版《地面-車輛系統(tǒng)導(dǎo)論》［16］。1960年Reece參與阿波羅登月計(jì)劃，研究月球車輪與月壤的相互作用［16］。2005年，加拿大的Wong等推出模擬車輛在可變形土壤上行駛牽引性能的軟件VTVPM［17］。20世紀(jì)60年代初，吉林大學(xué)陳秉聰?shù)冉⒘宋覈?guó)第一個(gè)試驗(yàn)土槽，開(kāi)展履帶車輛牽引力研究［18］。郭孔輝等提出半經(jīng)驗(yàn)輪胎統(tǒng)一模型［19］。1981年，中國(guó)北方車輛研究所張克健等運(yùn)用有限元方法計(jì)算履刺效應(yīng)［20］。

圖12 地面力學(xué)研究示意圖Fig.12 Schematic diagram of terramechanics research

2.5 非線性振動(dòng)控制問(wèn)題

2.5.1 概念內(nèi)涵

非線性振動(dòng)控制問(wèn)題是主動(dòng)懸掛、電磁懸掛的基礎(chǔ)問(wèn)題。振動(dòng)控制的目標(biāo)是懸上質(zhì)量的多向穩(wěn)定。從力的角度看，控制目標(biāo)是使懸掛減振系統(tǒng)在懸上質(zhì)量與負(fù)重輪（輪胎）之間傳遞的力盡可能不變。控制對(duì)象為懸掛裝置的彈性特性和阻尼特性。

2.5.2 研究目標(biāo)

行駛系統(tǒng)非線性振動(dòng)控制研究目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)上裝平臺(tái)多向（一般是垂直和俯仰）穩(wěn)定，而且耗功少、系統(tǒng)魯棒性好。

2.5.3 研究?jī)?nèi)容

研究主動(dòng)懸掛性能評(píng)價(jià)體系，分析行駛平順性、懸掛動(dòng)撓度和負(fù)重輪動(dòng)載荷等參數(shù)的變化規(guī)律；研究最優(yōu)控制（線性、H∞、預(yù)測(cè)）、自適應(yīng)控制（增益調(diào)度、模型參考、自校正）、智能控制（模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）、復(fù)合控制等不同控制方法對(duì)懸掛動(dòng)撓度、俯仰角加速度、人體和車體垂直振動(dòng)加速度的衰減程度；研究不同控制方法對(duì)行駛系統(tǒng)的適應(yīng)性。

研究液壓式、機(jī)電式、電磁式等不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可行性，開(kāi)發(fā)出響應(yīng)快速、在有限行程內(nèi)能輸出足夠大的力執(zhí)行器。

2.5.4 前人研究成果

前人在主動(dòng)懸掛領(lǐng)域研究非?；钴S。1954年，F(xiàn)ederspiel-Labrosse首次提出主動(dòng)懸掛的概念［21］。1969年，Bender提出主動(dòng)懸掛預(yù)測(cè)控制，即通過(guò)傳感器來(lái)預(yù)測(cè)車輛前面的路面高程［22］。1976年，Yamada等提出用前輪懸掛的狀態(tài)信息作為后輪懸掛的前反饋信息，控制后輪懸掛［23］。1970年，Thomose發(fā)表了應(yīng)用最優(yōu)控制理論設(shè)計(jì)的有源主動(dòng)懸掛在階躍激勵(lì)輸入時(shí)的最優(yōu)狀態(tài)反饋器的方法，并于1984年進(jìn)行了改進(jìn)［24］。1993年，Huiman等研究了帶有預(yù)測(cè)的主動(dòng)懸掛的最優(yōu)控制方法［25］。1992年，Yeh等首次應(yīng)用模糊控制技術(shù)于主動(dòng)懸掛［26］。1992年，美國(guó)在陸軍坦克機(jī)動(dòng)車司令部的基礎(chǔ)上成立國(guó)家機(jī)動(dòng)車中心，建立專門研究軍用車輛主動(dòng)懸掛技術(shù)的部門。當(dāng)前最著名的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)ECASS由美國(guó)L-3公司研發(fā)，如圖13所示。該系統(tǒng)安裝在20 t級(jí)“槍騎兵”裝甲偵查車上，使車輛的越野機(jī)動(dòng)性提高50%，車體穩(wěn)定性提高30%.

圖13 主動(dòng)懸掛系統(tǒng)ECASSFig.13 Active suspension system ECASS

3 結(jié)論

行駛系統(tǒng)對(duì)坦克裝甲車輛的性能尤其是機(jī)動(dòng)性有特別重要的影響，而當(dāng)前行駛系統(tǒng)技術(shù)是制約坦克裝甲車輛性能提高的“瓶頸”。履帶車輛行駛系統(tǒng)在朝著高機(jī)動(dòng)（平均越野速度55 km/h以上、行進(jìn)間射擊的車速30 km/h以上）、輕量化（小于整車質(zhì)量的15%）、高壽命（6 000～10 000 km）的方向發(fā)展，而行駛系統(tǒng)的技術(shù)非常復(fù)雜，所面臨的主要科學(xué)技術(shù)問(wèn)題包括：基于機(jī)電相似系統(tǒng)的振動(dòng)衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、復(fù)雜系統(tǒng)非線性振動(dòng)動(dòng)力學(xué)、能量耗散、地面力學(xué)和非線性振動(dòng)控制5個(gè)問(wèn)題，這些基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題迫切需要開(kāi)展深入研究和工程技術(shù)層面上的協(xié)同攻關(guān)。

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Five Scientific and Technological Problems on Running System of High Mobility Tracked Vehicle

MAO Ming，ZHANG Ya-feng，DU Fu，CHEN Yi-jie
（China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

The running system is very important for tank and armored vehicles，especially for the mobility performance.The running system becomes a bottleneck to improve the performance of tank and armored vehicles due to the complex and adverse working environment.The concept，connotation，research objectives，research contents and research achievements of five scientific and technological problems，such as vibration damping network design based on the electrical and mechanical analogy，nonlinear vibration dynamics of complex system，energy dissipation，ground mechanics and nonlinear vibration control，are discussed.The fundamental theoretical research is carried out，and the key technical problems are overcome by collaborative research.

ordnance science and technology；running system；electrical and mechanical analogy；nonlinear vibration；energy dissipation；ground mechanics；control

U463.3

A

1000-1093（2015）08-1546-10

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.08.024

2015-04-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51305410）

毛明（1962—），男，研究員，博士生導(dǎo)師。E-mail：ming_mao@noveri.com.cn