坦克裝甲車輛主動懸掛結構技術發展綜述

王超， 汪國勝， 李睿， 劉青峰， 曹宇

(1.北京理工大學 機械與車輛學院, 北京 100081; 2.中國北方車輛研究所 底盤部件技術部, 北京 100072;3.92228部隊, 北京 100071)

0 引言

隨著未來戰爭節奏的加快和對抗強度的加大，各國對坦克裝甲車輛的機動性指標也隨之提高，美軍在《2010年聯合作戰構想》中論述坦克裝甲車輛機動、防護、火力三大特性時，已經明顯地向“機動性”傾斜，提出坦克裝甲車輛最大速度應不小于100 km/h，越野平均速度應達到55 km/h[1-2]. 美軍2014年發布了“GXV-T”新型裝甲車項目設想，提出未來裝甲車應滿足“質量減小一半，行駛速度提升1倍，能夠在95%的地域內通行”的高機動指標[3-5]。現有大量研究表明，車輛行駛過程中產生的底盤振動是制約坦克裝甲車輛實現高越野機動性、高乘坐舒適性、高射擊精度的主要因素，因此要同步提高坦克裝甲車輛的越野機動性、乘坐舒適性與射擊精度，必須首先解決坦克裝甲車輛底盤的振動問題[6-9]。

針對坦克裝甲車輛行駛過程中產生的底盤振動問題，美國、俄羅斯等國家開展了多年主動懸掛技術研究，但未見正式裝備部隊。

本文在分析國內外坦克裝甲車輛主動懸掛技術研究現狀與研究進展的基礎上，結合國內外電力- 液壓(簡稱電液)主動懸掛與機械- 電力(簡稱機電)主動懸掛兩種典型主動懸掛的試驗驗證情況，分析電液主動懸掛與機電主動懸掛雖然性能優異但最終未正式裝備部隊的真正原因；對坦克裝甲車輛主動懸掛的研究難點與瓶頸問題進行了梳理；提出了明晰的坦克裝甲車輛機電液混合懸掛研究思路，為“十四五”坦克裝甲車輛主動懸掛技術研究提供了方向性參考。

1 主動懸掛結構方案研究概況

相對于傳統懸掛，主動懸掛系統能根據車輛平臺振動控制的需要實時輸出主動控制力，進而將車輛平臺的振動控制在理想范圍內。自20世紀50年代Federspiel-Labrosse教授[10]提出主動懸掛概念后，主動懸掛技術一直是坦克裝甲車輛懸掛技術研究的熱點。美軍早在《1995—2000年地面車輛科技發展規劃》確定的7項關鍵技術中第4項機動車部件技術中，就對主動懸掛技術提出了明確的進度要求：2000—2005年演示全主動懸掛，越野速度提高1倍；美國在《陸軍技術基礎總體規劃》中概要地列出了14項關鍵技術，第9項是先進推進技術，其中之一就是主動懸掛技術，提出的目標是使坦克的機動性提高50%，車身平穩性提高30%. 多年來，世界各國均投入了大量人力與財力，對坦克裝甲車輛主動懸掛技術開展深入研究，成果喜人，但最終正式裝備部隊的成果寥寥無幾，其背后真正的原因值得反思[11]。從國內外主動懸掛文獻來看，技術成熟度高且開展過試驗驗證的主動懸掛主要有俄羅斯的電液主動懸掛與美國的機電主動懸掛。下面對俄羅斯電液主動懸掛與美國機電主動懸掛兩種典型主動懸掛研究情況進行介紹。

根據主動懸掛能量傳遞介質的不同以及國外研究成果來看，在研的主動懸掛主要有電液主動懸掛和機電主動懸掛兩種典型懸掛。如圖1所示，電液主動懸掛就是利用液壓油作為傳遞介質，將車輛的電能利用液壓泵轉化為液壓能，利用伺服閥或者比例閥實現控制，通過作動器轉化為機械能(主動力或力矩)，作用于車體和輪系，進而將車輛的振動控制在理想范圍內，具有功率密度高、作動力大等優點。

圖1 電液主動懸掛原理圖[12]Fig.1 Schematic diagram of electrohydraulic active suspension[12]

相對于電液主動懸掛，機電主動懸掛采用電能作為能量的傳遞環節。如圖2所示，機電懸掛的電機將車輛的電能轉化為動能，并通過機械部件(齒輪齒條或行星減速等)將電機輸出的力或力矩傳遞至簧上質量和簧下質量，進而實現對振動的主動控制；當能量反向流動時，可以通過調整能量回收效率或者制動電阻的大小實現半主動控制。由于未來車輛全電化的趨勢明顯，而且電機具備響應快、方便控制且易于實現能量回收等特點，機電主動懸掛成為主動懸掛研究的熱門方向。

圖2 機電主動懸掛原理圖Fig.2 Schematic diagram of electromechanical active suspension

1.1 國外主動懸掛研究概況

1.1.1 國外電液主動懸掛研究概況

20世紀70年代，英國國防部坦克裝甲車輛工程局在8 t級“蝎”式輕型坦克上試驗了英國AP液壓公司的液壓機械主動懸掛系統。它采用液壓執行器取代原車的葉片減振器，并保留了原車的彈性元件，以支撐懸掛靜載，降低液壓主動懸掛裝置執行器的體積和對功率的需求。通過對比試驗發現：該懸掛系統可以使在越野路面行駛時的車輛振動加速度均方根值較裝有傳統被動懸掛的車輛降低25%，并可以在7 m波長的正弦路面上獲得34 km/h的行駛速度[13-15]。原聯邦德國在豹I坦克上試驗了一款電液主動懸掛系統，取得了較好的效果。韓國也針對K1坦克開發了基于肘內式油氣彈簧的主動懸掛系統，但未見實車試驗的報道[16]。

電液主動懸掛系統中最典型的是俄羅斯全俄運輸車輛研究所研制的一款基于伺服閥和葉片執行器的主動懸掛系統。用該懸掛改造的T-72坦克與采用傳統懸掛的T-80坦克進行對比試驗時發現：在同樣路面條件和行駛速度時，T-80車體的最大縱向角振動為14°，車體的垂向振動加速度超過30 m/s2；改裝電液主動懸掛后的T-72車體縱向角振動、垂向振動加速度較T-80分別降低了78.6%和60%. 除此之外，改裝后T-72坦克在行進間射擊時的火控系統穩像環境大幅度改善。從英國和俄羅斯等國電液主動懸掛的研究情況與試驗結果來看，安裝電液主動懸掛的坦克裝甲車輛，機動性和平順性明顯提高，但是至今未見其批量裝備部隊，個中原因值得深究[11]。

1.1.2 國外機電主動懸掛研究概況

國外對于機電懸掛的研究較早，有相對成熟樣機的主要是日本日立制作所、美國博士(BOSE)公司、美國哈里斯技術公司(簡稱L3公司)等企業。

日本日立制作所的機電主動懸掛(見圖3)采用螺旋彈簧支撐車體，降低了懸掛功耗，在保留傳統車輛液壓減振器的基礎上增加了筒形直線電機作為作動器。通過與傳統懸掛(彈簧+液壓減振器)的對比試驗，發現機電主動懸掛可以有效地降低簧載質量加速度[17-18]。

圖3 日本日立制作所生產的機電主動懸掛Fig.3 Hitachi electromechanical active suspension

BOSE公司耗費30年時間研制的一款基于直線電機的機電主動懸掛(見圖4)，其懸架采用直線電機作為執行器和傳感器，當簧下質量受路面激勵而上下運動時，電機就會向懸掛控制系統反饋懸掛動行程等信息，懸掛控制系統則根據傳感器信息和懸掛控制律向各個電機提供適當的電流，以控制懸掛輸出主動力。實車試驗證明該懸掛系統可以大幅度提高車輛平順性，而且具備能量回收潛力，但受制于成本和功耗，至今未能量產[19-21]。

圖4 美國BOSE公司生產的機電懸掛Fig.4 BOSE electromechanical active suspension

L3公司和德克薩斯大學機電中心為不同噸位的坦克裝甲車輛研發了3類機電懸架(見表1)，分別用于3.5 t級悍馬車(電機+齒輪齒條式作動器)、8 t級中型戰術車輛卡車(電機+泵式作動器)、20 t級槍騎兵(電機+行星減速式作動器)，上述懸掛均進行了實車試驗，獲得了良好效果，技術成熟度達到5～6級，是目前坦克裝甲車輛用機電主動懸架的代表[22-24]。

表1 L3公司研發的三類機電懸架

其中最為典型是為20 t級槍騎兵混合電驅動履帶式裝甲車研制的機電主動懸掛，其結構如圖5(a)所示。該懸掛采用小剛度的空氣彈簧(40 N/mm左右)作為彈性元件，以降低懸掛系統的能耗；作動器與平衡肘同軸布置，采用電機+行星傳動(為3Z(Ⅰ)型行星齒輪傳動結構，見圖5(b))傳遞力矩，通過平衡肘將主動力作用于負重輪上，并通過傳感器采集懸掛動行程(平衡肘轉角)、負重輪載荷(通過測量空氣彈簧氣壓反向計算得到)和簧上質量振動加速度。2005年該懸掛進行了大量實車對比試驗，結果表明，在同等車速條件下，裝備機電主動懸掛系統的車輛平順性較未裝備機電主動懸掛系統的車輛穩定性提高30%以上，車輛乘員吸收功率由原來的7 W以上降低到6 W以下，證明了該機電懸掛控制方法的有效性。但是從相關報道來看，該機電懸掛盡管性能優越，卻也沒有正式裝備部隊，其沒有進入實車應用的原因也值得深究[25-26]。

圖5 20 t級槍騎兵用機電主動懸掛及其傳動簡圖Fig.5 Electromechanical active suspension for Lancer and its transmission diagram

1.2 國內主動懸掛研究概況

1.2.1 國內電液主動懸掛研究概況

鑒于國外研制的電液主動懸掛的優越性能，國內裝甲兵工程學院、北京理工大學、中國北方車輛研究所等單位對坦克裝甲車輛電液主動懸掛也進行了深入研究。其中裝甲兵學院王良曦等[27-30]開發的電液主動懸掛，在保留傳統懸掛(螺旋彈簧+減振器)的基礎上，通過伺服閥控制新增的液壓缸實現了主動作動力的輸出，其原理圖如圖6所示。圖6中，Zr為地面激勵，Zu為車輪垂直位移，Zs為車體垂直位移，F為作動器主動力，C為減振器阻尼，Ku為螺旋彈簧剛度，Ks為輪胎等效剛度，mu為車輪部分等效質量，ms為車體部分等效質量。經試驗驗證，在1～10 Hz頻率范圍內(尤其是在1 Hz左右車體共振頻率附近)，該主動懸掛能夠有效地衰減車體的垂向振動[27-30]。

圖6 裝甲兵工程學院電液主動懸掛原理圖[31]Fig.6 Schematic diagram of electrohydraulic active suspension[31]

北京理工大學顧亮等[32-35]針對履帶車輛研制的肘內式電液主動懸掛采用肘內式油氣彈簧作為彈性元件(見圖7(a))，同時在肘內式油氣彈簧的回轉中心同軸布置了一個葉片式作動器(見圖7(b))，通過葉片式作動器上的電液比例閥調節作動力大小。經過試驗驗證發現，進行主動控制后，簧載質量加速度均方根值能夠降低20%以上[32-35]。

圖7 北京理工大學肘內式電液主動懸掛[34]Fig.7 In-arm electrohydraulic active suspension[34]

中國北方車輛研究所從2000年前后開始進行主動懸掛技術開發，經過20余年的持續研究和試驗，研制了適合高速履帶車輛的電液主動懸掛樣機[36-37]。該電液主動懸掛系統同樣是在傳統葉片式減振器的基礎上開發，主動控制時根據控制系統采集和處理的信息，通過伺服閥將液壓泵產生的高壓油輸入到葉片式作動器的指定腔，進而輸出主動力矩。在不進行主動控制時，可以作為被動式葉片減振器使用。為了進一步驗證該懸掛性能，將該懸掛系統適配于某型履帶車輛上，原位替換原車的4個葉片減振器，如圖8所示。經過正弦路面及典型越野路面試驗后發現：主動懸掛介入后車輛的俯仰角速度明顯降低，越野平均速度也顯著提升[36-37]。

圖8 電液主動懸掛整車布置方案Fig.8 Layout plan of electrohydraulic active suspension

但不管是裝甲兵工程學院、北京理工大學，還是中國北方車輛研究所，都在研究中發現如下4個問題：1)電液主動懸掛系統復雜，體積與質量較大，裝車適應性差；2)作為系統核心部件的若干伺服閥，抗污染能力較差，執行器運動期間產生的碎鐵屑極易導致閥芯卡滯，影響懸掛可靠性；3)油液流動作功過程中易產生大量熱量并導致油液溫升大，嚴重影響密封件壽命，導致油液泄漏、效率降低；4)較長的液壓管路導致控制時滯較大，極大地影響了主動控制功能的發揮[11,36-43]。分析認為這可能正是俄羅斯等國性能優異的電液主動懸掛未成功走向應用的真正原因。

1.2.2 國內機電主動懸掛研究概況

國內針對機電主動懸掛早期的研究主要集中于民用車輛，如上海交通大學滾珠絲杠式機電主動懸掛[18,44-45]、重慶大學基于感應式直線電機的機電主動懸掛[46-48]、江蘇大學饋能式機電主動懸掛[49-51]等，但是均難以應用于大噸位坦克裝甲車輛上。國內對坦克裝甲車輛機電主動懸掛的研究起步較晚，裝甲兵工程學院張進秋等[52-54]開展了輪式車用機電主動懸掛系統的研究工作，設計了基于電機+齒輪齒條的懸掛作動器，并探索了作動器串聯饋能器、串聯磁流變減振器等多種機電懸掛方案，將最終原理樣機進行了試驗驗證。試驗結果表明：采用主動控制后，系統的平順性提高了27.92%，并具有能量回收潛力[52-54]。

在“十二五”與“十三五”期間，中國北方車輛研究所對4類傳動形式的坦克裝甲車輛機電懸掛也進行了大量研究，下面逐一介紹。

1.2.2.1 基于行星傳動的機電懸掛方案

鑒于美國機電主動懸掛的優越性能，中國北方車輛研究所開展了基于行星傳動的機電懸掛研制工作[6,55]。采用空氣彈簧支撐靜態車重，電機輸出主動力矩，行星減速器實現主動與被動力矩的傳遞。此種機電懸掛方案(見圖9(a))結構緊湊，既可以實現主動控制，又可以通過調整制動電阻大小實現半主動工況下的多級阻尼可調和能量回收。但試驗發現該機電懸掛剛度特性較差，空氣彈簧難以實現可靠密封，優化難度較大[6,55]。因此在借鑒此方案執行器結構的基礎上，中國北方車輛研究所又研制了扭桿+執行器的機電主動懸掛結構(見圖9(b))，采用扭桿承載車輛靜載，將機電執行器安裝于傳統履帶車葉片式減振器的位置，機電執行器通過拉臂和連桿與平衡肘相連，以耦合負重輪和機電執行器的運動[56-57]。上述兩種方案均進行了樣機的臺架試驗，結果表明：在各種激勵下，主動控制工況下的簧載質量加速度較被動工況均有明顯降低，某些路面甚至能降低約30%左右。在半主動控制工況下，也可以提供較傳統懸掛更大的阻尼力，從圖10中可以看出，在同樣激勵下，機電懸掛的最大阻尼力比傳統懸掛提高了近1倍。

但在進行耐久性試驗中發現，行星減速器齒輪在懸掛換向時易出現損壞(見圖11)，壽命較短。這可能正是美國機電主動懸掛系統沒有正式走向裝備應用的主要原因。

圖9 兩種基于行星傳動的機電懸掛樣機Fig.9 Two kinds of electromechanical active suspensions based on planetary transmission

圖10 機電懸掛半主動控制下兩種阻尼狀態與傳統懸掛的阻尼力對比Fig.10 Comparison of damping force between two damping states of electromechanical active suspension under semi-active control and traditional suspension

圖11 機電主動懸掛齒輪失效Fig.11 Gear failure of electromechanical active suspension

1.2.2.2 基于Rot-Vector(RV)傳動的機電懸掛方案

在“十二五”期間，中國北方車輛研究所周寧寧設計的RV傳動式機電懸掛執行器(見圖12)，采用機器人用RV減速器作為傳動機構，具有結構緊湊、傳動比大、回差小、剛性大等優點，尤其是傳動系統轉動慣量較小對主動控制特別有利；另外，由于傳動比較大，結構緊湊，半主動工況(通過調節控制器電流實現調節阻尼)下的示功圖飽滿(見圖13)，熄振能力較強，非常有利于半主動懸掛。

圖12 基于RV減速器傳動的機電主動懸掛樣機Fig.12 Electromechanical active suspension based on RV transmission

圖13 不同控制電流下基于RV傳動的機電主動懸掛樣機的示功圖(0.2 Hz激勵)Fig.13 Indicator diagram of electromechanical active suspension under different control current based on RV transmission (0.2 Hz excitation)

但由于RV減速器的固有特性(針輪、齒輪與殼體之間的滑動摩擦)，其傳遞效率不高，對加工精度要求高，加工難度大；同時傳動比越大，在主動與半主動工況下，驅動端部件面臨的沖擊載荷越大，越易受到損壞，這一點與基于行星傳動的機電懸掛方案類似。因此，該系統在高往復沖擊環境中的使用可靠性有待裝車驗證。

1.2.2.3 基于雙平面鋼球活齒傳動的機電懸掛方案

中國北方車輛研究所馮占宗等研制了基于雙平面鋼球活齒傳動的機電懸掛，并進行了傳動試驗[58-59]。該平面鋼球變速傳動由激波輪、保持架、擺線盤和鋼球組成，如圖14所示。圖14中，a為偏心距，R為激波輪等效半徑。激波輪端面上有一偏心距為a的弧形端面槽，保持架上有z條徑向導槽，擺線盤的端面上有1條擺線端面槽，鋼球安裝在上述3條交錯的槽道內，其傳動原理仍是擺線針輪少齒差傳動。由于鋼球在擺線槽中滾動時存在滑動與擠壓，傳遞效率較低，且激波輪上的擺線槽相對圖12所示基于RV減速器傳動中的擺線輪加工精度要求更高，加工難度更大。

圖14 平面鋼球傳動基本結構[59]Fig.14 Transmission mechanism based on plane steel ball mechanism[59]

圖15 基于雙平面鋼球傳動的機電懸掛三維圖Fig.15 Electromechanical active suspension based on plane steel ball mechanism

在鋼球傳動機構的基礎上，中國北方車輛研究所研制了具有大扭矩傳動、過載保護、單向旋轉、齒隙補償等多功能的作動器，如圖15所示，其由電磁感應裝置(外轉子)、變速機構、超載離合器等組成[60-61]。樣機試驗結果表明：其結構比基于RV減速器傳動的機電懸掛方案更緊湊，但是它采用擺線鋼球，面臨的磨損比基于RV減速器傳動更大[60-61]。

1.2.2.4 基于少齒差行星傳動的機電懸掛方案

針對RV減速器傳動與平面鋼球傳動環節中的滑動摩擦問題、行星傳動中齒輪重合度小問題，中國北方車輛研究所汪國勝等研制了少齒差行星傳動的機電懸掛作動器方案，見圖16(a)[62-64]。少齒差齒輪傳動過程消除了基于RV減速器和基于平面鋼球減速器結構方案中的滑動摩擦，實際運動過程中存在7～8對齒輪同時嚙合，傳動齒輪重合度較行星傳動機構高，因此不論被動工況(對應傳動箱增速工況)還是主動工況(對應傳動箱減速工況)，均能取得85%以上的傳動效率；且由于平動齒輪做相對轉速低的平動，轉動慣量較小，對承受沖擊載荷的懸掛系統可靠性與能量回收是有利的。

圖16 基于少齒差行星傳動的電磁懸掛樣機及臺架試驗Fig.16 Prototype and bench test of electromechanical active suspension based on less tooth difference planetary gear transmission

圖16(b)所示的傳動效率試驗曲線表明，其減速工況平均效率可達92%(見圖17(a))，增速工況平均效率可達90%(見圖17(b))，取得了較好的傳遞效果。但由于該方案中齒數差不能太少，否則可能會引起齒廓干涉現象，因此傳動比不能設計得太大；另外，由于加工成本高、沖擊載荷大，受加工精度影響，傳動機構均載能力較行星傳動機構差，且易導致偏心軸斷裂(見圖18)，可靠性一般。

圖17 機電懸掛傳動效率曲線Fig.17 Transmission efficiency curves of electromechanical active suspension

綜上所述可見，國內雖然對于機電懸掛結構進行了大量研究與試驗，成熟的機電主動懸掛結構較少，進入實車試驗階段的目前只有基于行星減速器的機電懸掛結構方案，但也在試驗中暴露出了斷齒等可靠性問題，表明機電懸掛作動器現有的結構方案仍需要持續優化。

1.3 現有兩種典型主動懸掛結構的瓶頸問題

國內外的研究與試驗驗證表明：

1)俄羅斯式電液主動懸掛由于其自身特點，系統管路復雜、質量與體積大、裝車適應性差、抗污染能力低、溫升大、可靠性差，尤其是較長的液壓管路及較慢的響應速度，導致控制時滯大，主動控制功能實現受限；

2)美國式機電主動懸掛雖然響應快，易于實現主動、半主動與被動控制功能，但同樣存在系統復雜、成本較高、性價比差的問題。

除了上述可靠性、裝車適應性、性價比等瓶頸問題外，國內外研究的幾種機電主動懸掛方案還有一個共性問題，即慣性質量瞬態沖擊問題：車輛行駛時路面不平激起的懸掛高頻往復運動會極大地增加整個傳遞鏈路上零部件的沖擊動載(經過多個車型的實車試驗表明，懸掛部位在行駛時振動沖擊加速度達到50～60g以上)，且傳動比越大，機電懸掛傳動系統及后端電機承受的硬性沖擊越大，懸掛系統的可靠性和壽命就越低。

2 主動懸掛結構性能要求與關鍵技術

2.1 主動懸掛結構性能要求

從第1節所述兩種典型主動懸掛結構的瓶頸問題來看，坦克裝甲車輛主動懸掛結構必須滿足以下5個條件：

1)具備多模式控制切換功能。懸掛能夠快速地在主動、半主動和被動工況間切換。經驗表明，全時域采用主動控制模式是不科學的。在行進間射擊時或高速越野情況下采用主動控制模式、在路面較好條件下采用半主動控制模式、在出現故障時采用被動模式的控制策略或控制模式是合理的。只有這樣，主動懸掛才能有較大的環境適應性與好的控制效果，降低系統功耗，提高使用壽命。

2)高功率密度。要求主動懸掛作動器不僅需要在全行程范圍內能夠生成足夠大的作動力與力矩，以提高控制效果，而且整個懸掛結構還需要在有限的正、反行程內均具有較高的傳動效率，以降低系統的非正常做功與溫升，保證使用可靠性。

3)具備能量回收功能。不管是主動、半主動控制還是被動控制，均存在溫升，不僅會造成動力學參數的時變，還會導致密封件老化、密封性能與可靠性降低，為此系統最好具備能量回收功能，以降低溫升并提高系統的熱穩定性。

4)結構緊湊，高響應，具備較好的裝車適應性。必須兼顧坦克裝甲車輛有限的空間和質量限制，實現較高的功率密度；在有限空間內要實現運動部件的潤滑、冷卻，盡量減小傳遞介質或傳遞環節的路徑長度，控制時滯小。

5)具有較高的可靠性與壽命，效費比高。懸掛機構運動過程中盡量減少或避免做往復運動的機械硬性傳遞環節，以盡量避免大幅度沖擊對機械件的破壞；盡量不使用對鐵屑敏感的伺服閥，提高系統抗污染能力、使用壽命和可靠性，降低全周期使用成本。

2.2 主動懸掛結構關鍵技術

根據2.1節所述，俄羅斯電液主動懸掛與美國機電主動懸掛系統機電懸掛結構均不能滿足上述主動懸掛結構的5點性能要求。

如何在性能、復雜性與成本之間折中，設計一個結構緊湊、體積與質量適中、功率密度與傳動效率較高、減振性能良好、能避免大幅度動載荷且具有過載保護功能、具有較好性價比的高功率密度、高緊湊、高可靠性、低遲滯主動懸掛作動器，是坦克裝甲車輛主動懸掛結構設計中的瓶頸問題與關鍵技術。

3 坦克裝甲車輛主動懸掛結構研究趨勢與展望

從前述兩種典型主動懸掛的問題可以看出，兩種主動懸掛均存在致命的問題，但是兩種典型主要懸掛的優缺點是互補的。中國北方車輛研究所汪國勝等在分析兩種典型主動懸掛問題的基礎上，設計了一種新型能量轉換部件——液壓變速泵/馬達[65](結構見圖19(a)，傳動機構原理見圖19(b))。圖19中，ni為內齒圈齒數，no為外齒輪齒數，e為偏心距。它同時承擔能量轉換與傳動變速功能，可以在實現能量轉換的同時進行變速。在此基礎上提出一種新型高功率密度機電液懸掛作動器及新型機電液懸掛結構(見圖20)，它不僅能實現主動、半主動與被動減振功能，還能在半主動工況下實現能量回收、沖擊過載保護等功能。

圖19 少齒差液壓變速泵/馬達機構變速機械原理圖Fig.19 Schematic diagram of hydraulic pump/motor based on less tooth difference planetary gear transmission

圖20 新型機電液懸掛結構組成三維圖Fig.20 Schematic diagram of new electromechanical active suspension

3.1 機電液懸掛結構與工作原理

如圖20所示，機電液懸掛是在傳統扭桿與葉片減振器基礎上改進而成的，主要是用一個一體式機電液懸掛作動器代替傳統的葉片減振器。

如圖21所示，一體式機電液懸掛作動器主要由旋轉液壓執行器、液壓泵/馬達和電機3部分組成。其在傳統葉片減振器的葉片上裝置液控單向閥，同時在隔板上安裝有節流閥和溢流閥，當外界存在瞬態大沖擊時，高壓油液可以通過溢流閥進入相鄰腔室，實現卸荷保護。在主動工況下，圖19中的電機驅動液壓變速泵/馬達工作，進而帶動作動器工作，在實現減速的同時，還可實現變矩。

圖21 機電液懸掛作動器工作原理圖Fig.21 Schematic diagram of actuator of new electromechanical active suspension

在圖22中液壓換向機構整流下，驅動葉片減振器中的葉片按設定方向旋轉，輸出大的主動控制力或力矩；在半主動或被動工況下，旋轉葉片執行器作為阻尼器件，擠壓4個腔室中的減振油，經液壓換向機構，驅動液壓變速泵/馬達按單一方向旋轉，在實現變矩的同時還可實現增速，驅動電機旋轉發電，實現能量回收。

圖22 傳統葉片減振器內部結構圖與機電液懸掛作動器改進圖Fig.22 Structure of traditional vane damper and new electromechanical active suspension

3.2 結構特點

與現有的幾類主動懸掛結構模式相比，機電液懸掛主要有4個突出特點：

1)作動器結構方案中提出的具有變速、機械或液壓能轉換、自潤滑與冷卻功能的高集成度液壓泵/馬達不僅能很好地實現半主動減振與被動減振功能，而且能同時實現振動能量發電并進行回收，還可以實現主動減振；系統發熱量小，無需專門的潤滑、冷卻系統。

2)作動器方案由于采用了液壓泵/馬達，把變速、自潤滑與冷卻、配流與能量轉換功能高度集成到液壓泵/馬達這個多功能部件上，眾多系統能自成一體，減少與縮短了動力傳動的環節，實現了能量的雙向高效流動，減小了傳動結構、(發)電機的體積與質量，有利于整車總體布置，相對于現有電液式主動懸掛，管路較短，能減小控制時滯。

3)機電液懸掛結構方案中采用的均是簡單的單向閥或液控單向閥與開關換向閥，與電液主動懸掛的伺服閥相比，系統抗污染能力較強；運動轉換部件在換向時存在緩沖環節，無剛性往復沖擊載荷，相對各類機電懸掛，可靠性要高。

4)由于接近車輪端是液壓傳動，其可實現的作動力較現有機電懸掛方案要大，動力傳遞的功率密度比機電主動懸掛要大得多。

綜上所述，機電液懸掛結構較現有的機電主動懸掛和電液主動懸掛有著明顯優勢，是未來主動懸掛的主要發展方向之一，“十四五”期間應投入力量進行深入研發和試驗驗證。

4 結論

本文重點針對各國坦克裝甲車輛主動懸掛結構技術發展現狀進行了總結，得出主要結論如下：

1)雖然各國對坦克裝甲車輛主動懸掛結構都開展了大量研究，但仍然存在許多問題，至今未見成熟結構的主動懸掛批量裝備部隊。俄羅斯式電液主動懸掛系統復雜、裝車適應性差、抗污染能力低、可靠性差，尤其是控制時滯較大，導致主動控制功能實現受限；美國式機電主動懸掛雖然響應快，易于實現主動控制功能，但同樣存在系統復雜、成本較高、行程末端慣性沖擊較大、可靠性差的問題。

2)現有坦克裝甲車輛主動懸掛結構技術的瓶頸問題為高功率密度、高可靠性、低遲滯作動器結構，這也是現有主動懸掛結構的關鍵。

3)基于少齒差液壓變速泵/馬達機構的機電液主動懸掛,采用電機作為作動器的同時引入了液壓作為能量傳遞介質，既避免俄羅斯式電液主動懸掛大時滯和美式機電主動懸掛大慣性沖擊的缺點，又可以實現懸掛的主動和半主動控制，是主動懸掛未來的主要發展方向之一，值得后續持續投入力量進行研發。