鉸接車轉(zhuǎn)向阻力矩的測定與仿真

鉸接車轉(zhuǎn)向阻力矩的測定與仿真

馬駿，樊石光，賈小平，于魁龍

(裝甲兵工程學(xué)院，北京100072)

摘要：對鉸接車模型進(jìn)行了轉(zhuǎn)向阻力矩的測量,在此基礎(chǔ)上，利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn建立了輪式鉸接車和履帶式鉸接車仿真模型，得到了整車轉(zhuǎn)向阻力矩曲線。通過比較，對測量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)發(fā)現(xiàn)履帶式鉸接車比輪式鉸接車原地轉(zhuǎn)向阻力矩小，為下一步折腰轉(zhuǎn)向液壓缸的選型奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:鉸接車轉(zhuǎn)向阻力矩RecurDyn仿真

中圖分類號：TH132文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：馬駿(1992-)，男，山西大同人，碩士研究生，研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)論證、仿真與評估。

收稿日期：2015-01-21

Testing and dynamical simulation for the moment of steering resistance of articulated vehicle

MA Jun , FAN Shiguang , JIA Xiaoping , YU Kuilong

Abstract:Firstly the moment of articulated vehicle model steering resistance was tested. On this basis, dynamical analysis and entity modeling of tracked and wheeled articulated vehicle were finished by using the multi-body dynamical simulation software RecurDyn. The curve of resistance moment was obtained and the result was also compared and analyzed. Through comparison, the testing result is verified and the conclusion is that the steering resistance moment of tracked articulated vehicle is less than that of wheeled articulated vehicle. It provides references for steering cylinder selection.

Keywords:articulated vehicle; steering resistance moment; RecurDyn; simulation

圖1　鉸接車整車結(jié)構(gòu)

鉸接式全地形車具有獨(dú)特的鉸接裝置和折腰轉(zhuǎn)向特性，除具備通過能力強(qiáng)、越障高、跨壕寬、爬坡度大、載重大等優(yōu)點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)俯仰、扭轉(zhuǎn)、橫擺等單節(jié)車無法完成的動(dòng)作，斷開后還能滿足空運(yùn)空投的需求。圖1鉸接車通過使前后車體相對偏轉(zhuǎn)一定的角度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，由于俯仰自由度和前后車體沿縱向扭轉(zhuǎn)自由度的存在，使得其具有良好的路面通過性，目前正廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、勘探、森林消防、救援搶險(xiǎn)、軍事等領(lǐng)域。但是，前后車輛連接自由度的增多也使轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性變差。鉸接車輛的轉(zhuǎn)向阻力矩尤其是原地靜態(tài)轉(zhuǎn)向阻力矩，是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)乃至整車設(shè)計(jì)必不可少的原始參數(shù)。鉸接車輛具有轉(zhuǎn)向阻力矩大、轉(zhuǎn)向半徑小的特點(diǎn)，它的轉(zhuǎn)向阻力矩的確定是個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。圖1為輪式鉸接車，而掛裝橡膠履帶后的鉸接車具有接地壓力小且通過性更好的特點(diǎn)，故本文重點(diǎn)分析了履帶式鉸接車的轉(zhuǎn)向阻力矩。

1模型車轉(zhuǎn)向阻力矩分析及測量

圖1中所示鉸接車采用液壓式全驅(qū)動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)方案,發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力通過泵分別傳遞至前后車兩側(cè)獨(dú)立的四個(gè)行走馬達(dá)上,馬達(dá)再通過動(dòng)力輸出軸將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,再通過擺臂殼內(nèi)傳動(dòng)比1.5的鏈傳動(dòng)將能量最終傳遞到8個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上。

鉸接車由前車體、后車體及鉸接機(jī)構(gòu)連接而成，整車通過鉸接機(jī)構(gòu)兩側(cè)對稱布置的轉(zhuǎn)向油缸實(shí)現(xiàn)折腰轉(zhuǎn)向。假定前后車鉸接點(diǎn)固定不動(dòng)，則其原地轉(zhuǎn)向阻力矩公式如下[2]：

(2)

M為相對鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向阻力矩，N·cm；f為輪胎與地面間的綜合阻力系數(shù)，f=0.10~0.15；G為轉(zhuǎn)向橋的載荷，N；L為轉(zhuǎn)向橋輪距，cm；r為轉(zhuǎn)向橋軸線至鉸接點(diǎn)的距離，cm。由公式可知，轉(zhuǎn)向阻力矩與偏轉(zhuǎn)角無關(guān)，基本恒定；轉(zhuǎn)向力矩的大小與轉(zhuǎn)向橋的輪距、轉(zhuǎn)向橋的橋荷、轉(zhuǎn)向橋到鉸接點(diǎn)的距離有關(guān)，調(diào)整任一個(gè)因素，都會(huì)影響轉(zhuǎn)向力矩[3]。

圖2　模型樣車

由于上述公式為經(jīng)驗(yàn)公式且用于驅(qū)動(dòng)輪只有4個(gè)的鉸接車，故本文主要通過對模型進(jìn)行實(shí)際測量獲取原始轉(zhuǎn)向阻力矩?cái)?shù)據(jù)，如圖2所示。在模型車兩側(cè)用木板頂住車輪，以使兩側(cè)動(dòng)力傳動(dòng)軸剛性連接。假設(shè)：1)轉(zhuǎn)向阻力矩與轉(zhuǎn)向角速度無關(guān)；2)轉(zhuǎn)向阻力矩在轉(zhuǎn)向過程中為常值。利用測力計(jì)對模型車進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向阻力矩測量，見表1。

表1　測力計(jì)拉力值(kg)

本模型中鉸接點(diǎn)位于前后車體的對稱中心處。整車實(shí)車重2.5 t，車長4 500 mm，車寬1 800 mm，輪胎外徑800 mm，擺臂臂長800 mm；模型車重量為37.5 kg(質(zhì)量比Cm=37.5/2 500=1∶67)，與實(shí)車尺寸比例CL≈1∶2.5。對力臂L=240 mm時(shí)的實(shí)車轉(zhuǎn)向阻力矩[2]計(jì)算如下：

=5003.29 Nm

(1)

2輪式鉸接車建模與仿真

基于RecurDyn/Tire工具包，建立圖3輪式鉸接車仿真模型[4-5]，設(shè)置整車原地轉(zhuǎn)向路面。對機(jī)構(gòu)中組成元件施加約束，通過Joint來建立約束副，以此來限制不同實(shí)體間的相對運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)中各部件組成一個(gè)有機(jī)整體。對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析，設(shè)置仿真時(shí)間t=3.4 s，步長step=800；對前后車體鉸接點(diǎn)圓柱鉸約束副施加0.5pi的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)，后處理轉(zhuǎn)向阻力矩曲線如圖4所示，將力矩?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)出并除去初始時(shí)間段的不穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)得到轉(zhuǎn)向阻力矩平均值為5 192.14 Nm。

3履帶式鉸接車建模與仿真

由于所研究鉸接車具有輪履合一功能且實(shí)際應(yīng)用中履帶式底盤結(jié)構(gòu)相對輪式底盤有許多特殊的功能，因此有必要對掛裝履帶后的鉸接車進(jìn)行轉(zhuǎn)向阻力矩的分析[6]。實(shí)際應(yīng)用中，將兩側(cè)帶有擋齒的橡膠履帶套裝在兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪外圈并用鎖扣鎖緊即可。該鉸接車多用于礦山和沙漠地帶，對其履帶式底盤的要求更高。

為便于理論分析，做如下簡化：不計(jì)履帶寬度的影響；履帶接地壓力均勻；前后車質(zhì)心與車輛幾何中心重合；地面堅(jiān)實(shí)，不考慮履帶側(cè)面的刮土阻力[7]。

由于履帶車在地面行駛時(shí)兩側(cè)履帶存在滑轉(zhuǎn)或滑移，在轉(zhuǎn)向時(shí)履帶接地段的速度瞬心 Qi(i=1，2，3，4)即轉(zhuǎn)向極與履帶中心在橫向上有一個(gè)偏移量Ai(轉(zhuǎn)向極偏移量)。同時(shí)，由于離心力、前后車體的相互作用或是地面橫向刮土阻力的不平衡會(huì)造成單個(gè)車體受到橫向合力，因此轉(zhuǎn)向極相對履帶中心還有一個(gè)縱向偏移量Dj(j=1，2 )，使得摩擦力在橫向分力的合力不為零來平衡上述橫向合力。

如圖5所示對于某條履帶上到線Oo′距離為y的一點(diǎn)，vi、vxi、vyi分別為其絕對、橫向、縱向速度，且vxi=ωAi、vyi=ωy。地面作用反力Fi的方向和絕對速度vi的方向相反，當(dāng)在此處取長度微元dy，則：

Fi=(φPi/2L)dy

(3)

圖5　單節(jié)履帶車運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖示

其中φ為地面附著力系數(shù)，Pj為相應(yīng)履帶上的載荷。

以下是由此得到第i條履帶與地面摩擦產(chǎn)生的的縱向力、橫向力及轉(zhuǎn)向力矩[8]：

縱向力為

(4)

其中ai=Ai/(L/2)為履帶接地段轉(zhuǎn)向極橫向相對偏移量；dj=Dj/(L/2)為車輛轉(zhuǎn)向極縱向相對偏移量，鉸接履帶車轉(zhuǎn)向阻力分布如圖6。

圖6　鉸接履帶車轉(zhuǎn)向阻力分布圖示

橫向力為：

(5)

轉(zhuǎn)向力矩為

(6)

(7)

圖7　鉸接履帶車仿真模型

基于RecurDyn的低速履帶工具包Trank-LM建立了圖7鉸接履帶車模型。車體做了簡化，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)實(shí)車三維造型獲得，履帶子系統(tǒng)包括：誘導(dǎo)輪、托帶輪、主動(dòng)輪和履帶板。對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，其中設(shè)置仿真時(shí)間t=3.4 s，步長step=800[4-5]；對前后車體鉸接點(diǎn)圓柱鉸約束副施加0.5pi的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)，后處理轉(zhuǎn)向阻力矩曲線如圖8所示，將測量曲線導(dǎo)出并除去其中的非穩(wěn)態(tài)點(diǎn)或尖點(diǎn),對穩(wěn)態(tài)點(diǎn)取平均值的履帶式鉸接車轉(zhuǎn)向阻力矩為4 188.86 Nm。

圖8　鉸接履帶車轉(zhuǎn)向阻力矩曲線

4結(jié)論

通過對模型車轉(zhuǎn)向阻力矩的測量以及輪式、履帶式鉸接車的仿真分析，得出結(jié)論如下：

1)M原=5003.29 Nm，M輪仿=5192.14 Nm，M履仿=4188.86 Nm；從結(jié)果可知，輪式車轉(zhuǎn)向阻力矩仿真值超出測量值3.77%，誤差在合理范圍內(nèi)，仿真值可信，履帶車轉(zhuǎn)向阻力矩仿真值低于輪式車測量值16.27%，可見鉸接車加裝履帶后極大的提高了轉(zhuǎn)向功能和通過性。

2)M輪仿在誤差允許范圍內(nèi)，故在后續(xù)整車設(shè)計(jì)時(shí)可用仿真所得轉(zhuǎn)向阻力矩作為設(shè)計(jì)依據(jù)，來進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；履帶式鉸接車轉(zhuǎn)向阻力矩低于輪式鉸接車轉(zhuǎn)向阻力矩，故在非結(jié)構(gòu)地形下或轉(zhuǎn)向困難時(shí)，可加裝履帶以提高路面通過性。另外鉸接車原地轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力矩能達(dá)到行駛時(shí)的2~3倍，對原地轉(zhuǎn)向阻力矩的研究是整車性能分析的基礎(chǔ)之一。

參考文獻(xiàn)

[1]南基信，秦四成，闞君武，等．三橋鉸接車輛動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向阻力矩的分析和計(jì)算[J]．吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，26(1)：16-23

[2]王慧，侯友山，金純．鉸接車輛轉(zhuǎn)向阻力矩的分析[J]．礦山機(jī)械，2010，38(1)：38-41

[3]汪建春．鉸接式車輛原地轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算及力學(xué)模型計(jì)算[J]．礦山機(jī)械，2008，36(21)：53-58

[4]焦曉娟，張湝渭，彭斌彬．RecurDyn多體系統(tǒng)優(yōu)化仿真技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2010

[5]劉義．RecurDyn多體動(dòng)力學(xué)仿真基礎(chǔ)應(yīng)用與提高[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2013

[6]李陽，成凱，任鵬．基于RecurDyn的鉸接式履帶車輛爬坡性能分析[J]．煤礦機(jī)械，2011，32(07):93-95

[7]王國強(qiáng)，程悅蓀，馬若丁．鉸接式履帶車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)向性能的影響[J]．吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，27(86)：7-12

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