某型履帶無人車輛承重軸受力分析研究

趙恩剛，劉長輝，陳建貴，蔡雪峰，王秋雨

（重慶長安望江工業(yè)有限責(zé)任公司特種車輛研究所，重慶 401120）

0 引言

軍用無人地面車輛在減少人員傷亡、提高作戰(zhàn)效能、提高后勤運(yùn)輸保障效率等方面發(fā)揮重要作用。值得注意的是，雖然地面無人系統(tǒng)已開始進(jìn)入越來越多國家的裝備序列，但這僅僅是地面無人系統(tǒng)應(yīng)用的初級階段，無人車輛的設(shè)計理論還不成熟完善，現(xiàn)有設(shè)計理論均來源于有人車輛設(shè)計理論，有人車輛設(shè)計考慮了人員身體對振動沖擊的承受能力，行動系統(tǒng)占用空間較大，按照有人車輛設(shè)計理論來設(shè)計無人車輛無法發(fā)揮無人車輛的性能優(yōu)勢[1-3]。

有人車輛駕駛員可以通過振動沖擊感受、主觀判斷來控制車速的快慢，而無人車輛是通過操控顯示終端非視距遠(yuǎn)程控制車輛，操控手無法準(zhǔn)確感知到無人車輛的振動沖擊狀態(tài)和周圍環(huán)境的復(fù)雜性，因此無人車輛沖擊遠(yuǎn)大于有人車輛，因此開展無人車輛行動系統(tǒng)受力情況研究對無人車輛性能提高至關(guān)重要。

履帶車輛承重軸承受負(fù)重輪傳遞過來的沖擊力,其使用環(huán)境惡劣，受力工況復(fù)雜，承載著整個車輛的質(zhì)量，下面針對某型履帶無人車輛履帶裝置承重軸斷軸問題進(jìn)行受力分析測試。

1 測試工況和測試系統(tǒng)布置情況

1.1 測試工況

車輛測試工況和車速要求如表1所示。

表1 測試工況車速要求 km/h

1.2 應(yīng)變測試系統(tǒng)及傳感器布置

應(yīng)變測試系統(tǒng)由單向應(yīng)變片、應(yīng)變儀、計算機(jī)等組成。其中，應(yīng)變片感知測點(diǎn)的應(yīng)變，應(yīng)變儀采集應(yīng)變片的應(yīng)變，計算機(jī)對應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、計算和分析。

承重軸應(yīng)變測試共選定12個測點(diǎn)，分別對稱布置在左右兩側(cè)6根承重軸上。應(yīng)變片均布置在承重軸根部位置，豎直方向上下間隔180°布置2片單向應(yīng)變片。測點(diǎn)編號1～6，從車前方向看依次對應(yīng)編號1～6承重軸。圖1為承重軸應(yīng)變片安裝實(shí)物圖。

圖1 承重軸應(yīng)變片安裝實(shí)物圖

2 應(yīng)力測試情況

2.1 應(yīng)力求解計算方法

應(yīng)變片測試所獲數(shù)據(jù)為各測點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)，承重軸所受應(yīng)力計算公式為

式中：σ為應(yīng)力，MPa；E為承重軸彈性模量，MPa；ε為應(yīng)變。

本次測量中計算應(yīng)力所需履帶車承重軸材料為航空鋁7075，E=71.7 GPa。

2.2 應(yīng)力測試結(jié)果

每種工況按照測試工況要求測試3組數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)取平均值，各工況下各承重軸最大應(yīng)力值如表2所示。

表2 各工況最大應(yīng)力測試數(shù)據(jù)匯總表 MPa

通過以上對各工況下承重軸應(yīng)力測試和分析，車輛在制動、越障和越野工況承重軸的應(yīng)力最大。針對這3種工況擬合應(yīng)力時域圖進(jìn)一步分析沖擊情況，如圖2～圖4所示。靜態(tài)情況：根據(jù)應(yīng)力分布情況可以看出車輛重心偏前、偏右，為了獲得更高的越障能力，在整車布置上重心偏前。

圖2 制動工況應(yīng)力時域圖

圖3 越障工況應(yīng)力時域圖

圖4 越野工況應(yīng)力時域圖

緊急制動工況：因緊急制動，驅(qū)動輪抱死，車輛慣性作用，車輛重心前移導(dǎo)致2～6負(fù)重輪懸空，大部分沖擊被1軸承受，應(yīng)力值為100～300 MPa，峰值沖擊時間持續(xù)0.05 s左右。

越障工況：在車輛越障過程1、2、3、4、5負(fù)重輪逐步脫離地面，最后只有第6負(fù)重輪與地面接觸，全部沖擊被6軸承受，應(yīng)力值為100～254 MPa，峰值沖擊時間持續(xù)0.06 s左右。

越野工況：因路況惡劣情況和行駛軌跡對測試數(shù)據(jù)影響較大，且履帶兩側(cè)路面狀況差距較大，造成左右應(yīng)力值有較大差異。3組數(shù)據(jù)中1軸應(yīng)力值最大，其次是6軸應(yīng)力值。2、3、4、5軸應(yīng)力值與1軸和6軸差距較大。

3 承重軸受力分析

3.1 承重軸受力計算方法

承重軸所受力值計算公式為

3.2 惡劣工況承重軸受力分析

通過計算求解，求得各工況下承重軸所受瞬間最大沖擊力值并匯總，如表3所示。

表3 各工況最大沖擊力值匯總表 N

4 結(jié)論

1）經(jīng)實(shí)物測試驗(yàn)證，在緊急制動、越障和越野工況受力沖擊最大，因樣車強(qiáng)度限制，未進(jìn)一步測試最高車速下緊急制動和高速越野條件下的的應(yīng)力沖擊情況；

2）鋪裝路高速行駛、爬坡、原地轉(zhuǎn)向和越壕工況瞬間沖擊是靜載荷狀態(tài)的3～4倍，緊急制動、越障和越野路行駛沖擊最大，個別承重軸瞬間沖擊可達(dá)到靜載荷的25倍左右，與有人車輛有較大的差異；

3）測試結(jié)果顯示1軸和6軸的工況受力最大，與其它承重軸的差異較大，與試驗(yàn)故障反饋情況一致，設(shè)計上應(yīng)對1軸和6軸與其它承重軸區(qū)別設(shè)計；

4）通過各工況應(yīng)力時域圖可轉(zhuǎn)化成力時域數(shù)據(jù)，借助ANSYS分析軟件，可對優(yōu)化后的承重軸進(jìn)行更加精準(zhǔn)的動態(tài)仿真分析，從而提高設(shè)計水平和實(shí)現(xiàn)輕量化目的。