不同路面下的履带运输车动力学仿真*

贾小平，樊石光，于魁龙，邢 旺

(装甲兵工程学院，北京 100072)

不同路面下的履带运输车动力学仿真*

贾小平，樊石光，于魁龙，邢 旺

(装甲兵工程学院，北京 100072)

针对不同路面上履带式底盘的运动性能差异比较大的问题，利用多体动力学仿真软件RecurDyn建立了履带运输车虚拟样机模型，通过在不同情形路面上的运动仿真，得到了不同的仿真数据。通过对仿真结果进行对比分析，更全面的认识了不同性质路面对履带运输车的影响。

履带运输车；不同路面；动力学仿真

1 引 言

履带车具有较高的越野和越障性能，如适应壕沟、陡坡、台阶等恶劣路面工况。由于其具有良好的路面通过性，目前正广泛应用于农业、勘探、森林消防、救援抢险、军事等领域。履带车在行驶过程中，发动机所提供功率既用于克服本身机械装置的内阻力，也用来克服由行驶条件所决定的外阻力[1]。外阻力不仅与车辆本身结构参数有关，更与外部介质的特性有关。因此在直线行驶条件下，分析不同接触路面与车辆的相互作用，可为今后的研究打下基础。

履带车辆机械系统复杂，利用传统经验和实验方法进行性能分析既耗时不经济。而利用虚拟样机技术和多体动力学软件进行虚拟样机建立、模型仿真、性能测试，极大的缩短了实验周期，降低了成本，还为实车制造提供了有力依据。笔者利用RecurDyn软件对某履带运输车进行实体建模与动力学仿真，主要研究给定条件下不同路面上的履带张紧力、车体质心加速度的变化情况，通过对比更深入理解车辆与地面的相互作用。

2 理论计算

2.1 履带张紧力

履带张紧力分为预张紧力和动张紧力。履带车静止时，由于自身重量而被拉紧，这种拉紧履带的张力叫预张紧力。预张紧力常以履带某段上的下垂度的大小来表征，并根据车辆在各种行驶条件下履带不脱落的条件，用履带调整器进行调整。预张紧力一般均匀分布在履带上，可跟据自由段的下垂度来计算，其公式为：

(1)

式中:a为履带自由段下垂度(cm)；γ为履带单位长度的质量(10 N/cm)；l为履带自由段的长度(cm)。

预张紧力不宜过小，否则履带易脱落；但也不宜过大，过大时履带效率降低，且容易崩裂。履带等速卷绕时，在弧形段产生离心力，离心力在履带中引起张力。假设履带为均质软带，贴于各轮上的弧形段的半径为常数。则动张紧力公式为：

(2)

式中:vx为履带卷绕速度(cm)。

由上式可知，随着车辆行驶速度增加，离心力引起的履带张力将大大增加[2]。

履带总张力为预张紧力和动张紧力之和。由于行驶装置内部摩擦力及路面等因素引起动张紧力的不均匀分布，在履带局部地方可能是预张紧力和动张紧力相加或相减，故总张力求和公式只是概念值，不能用于确定任意时刻各段张紧力分布情况。当履带行进过程中，主动轮、诱导轮等啮合处动张紧力为零时，可能出现履带脱落或啮合不良的现象[3]。

2.2 履带运输车质心运动方程式

由牛顿第二定律可得：

(3)

由动力学关系：

∑Fx=F-Ff-Gsinα-Fgcosβ-Fk

(4)

式中：F为驱动力，Ff为地面变形阻力，α为坡度角，Fg为挂钩阻力，β为挂钩角，Fk空气阻力。取α、Fg、Fk为零，驱动力F近似等于计算牵引力Fj，则质心运动方程式为：

(5)

式中：Pf为发动机功率，η为履带车效率，v为整车行驶速度，f为地面变形阻力系数。

3 履带运输车虚拟样机建模

RecurDyn采用相对坐标系运动方程理论和完全递归算法，适合求解复杂多体动力学问题。利用低速履带系统工具包Track(LM)，建立履带运输车三维多体动力学模型，利用Ground模块建立道路模型，设置单位制为MMKS，车体以(*.x_t)格式从solidworks中导入，模型如图1所示。

图1 履带运输车虚拟样机仿真模型

该虚拟样机主要由车体和两个履带子系统构成。每个履带子系统包括1个主动轮、1个诱导轮、4个负重轮、1个履带架、1个张紧装置和49块单销式履带板，该车采用动力前置。调整主动轮使其与履带正确啮合，在履带架和张紧装置间建立机械式履带张紧器，采用Track Assembly功能自动生成履带[4]。路面由矩形单元构成，每块路面单元都可以记住最大沉陷量、最大压力、剪应变和剪应力，以此来计算正压力和水平摩擦力。每块履带板与地面间都有一个广义力，并由一个用户子程序完成该广义力的计算。

主动轮与4个负重轮和履带架分别建立铰接副，对诱导轮与张紧装置建立铰接副，对履带架和张紧装置建立平动副，对车体和两侧履带架分别建立固定副，履带与地面间的约束副由RecurDyn自动完成。在履带架和张紧器间建立弹簧力，设置其弹性系数为0.1，阻尼系数为100。

4 运动仿真分析

4.1 驱动设置

对两侧履带子系统中主动轮与履带架铰接副施加速度驱动STEP(Time,0.2,0,12,-0.2×pi×Time)，对机构进行运动学/动力学分析，设置仿真时间t=12 s，步数step=200。三次多项式逼近阶跃函数STEP表达式为STEP(x,x0,h0,x1,h1)，其中x为自变量，STEP值域在h0与h1之间，如图2所示。

(6)

图2 STEP函数曲线图

4.2 典型路面下履带张紧力与车体质心加速度曲线

该履带运输车为复杂的非线性多体系统，履带与地面的挤压过程是典型的接触过程。分别选取不同性质的行驶路面，对履带车行驶性能进行仿真，较直观的得到路面因素对车辆行驶参数的影响。沙土路面、粘土路面、重粘土路面参数如表1所列[5]。

表1 路面参数表

对不同土壤特性条件下的仿真结果进行后处理，以履带子系统中的一块履带板为研究对象，得到了履带板张紧力曲线；以车体质心为研究对象，得到了质心加速度曲线，如图3、4所示。

图3 不同路面下履带张紧力曲线

图4 不同路面下车体质心加速度曲线

结合履带车运动过程，通过分析发现：在软件默认路面下履带车从接触路面到运行结束，能够平稳行进，未出现原地调整现象；在另外三种路面下，张紧力曲线接近时间轴的区段出现了履带撞击车体的现象，导致履带没能完全与主动轮、负重轮、诱导轮正确啮合，张紧力出现消失现象[6]；由于路面参数各异，同一时刻履带板的张紧力数值不等，变化趋势也不一样；各路面下质心加速度变化趋势一致，初始阶段由于履带还未与路面接触，故有短暂调整阶段；由于主动轮处驱动采用函数STEP(Time,0.2,0,12,-0.2*pi*Time)，故稳定后车体质心加速度趋于常值。

5 结 语

笔者通过多体动力学仿真软件RecurDyn对某履带运输车进行了仿真研究，认识了不同路面下履带张紧力和车体质心加速度的变化情况，为后续研究打下了基础。为使履带板在行驶过程中始终受到合适的张紧力，既要考虑路面因素，也要考虑车辆因素。在下一步实车试验中，应充分考虑到路面性质对车辆行驶性能的影响。

[1] 闫清东，张连第，赵毓芹,等.坦克构造与设计[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[2] 汪明德，赵毓芹，祝嘉广.坦克行驶原理[M].北京：国防工业出版社，1983.

[3] 宋 晗，李晓雷.履带动态张紧力的动力学仿真[J].计算机仿真，2005，22(9)：19-21.

[4] 骆清国，司东亚，龚正波,等.基于RecurDyn的履带车辆动力学仿真[J].车辆与动力技术，2011(4)：26-28.

[5] 徐飞军，黄文倩，陈立平.履带拖拉机软土地行走动力学仿真[J].农机化研究，2009(12)：204-207.

[6] 姚继权，李晓豁，朱 宇，等.纵轴式掘进机履带行走系统张紧力仿真研究[J].矿山机械，2012(6)：18-21.

Dynamic Simulation of a Tracked Carrier on Different Roads

JIA Xiao-ping, FAN Shi-guang, YU Kui-long, XING Wang

(AcademyofArmoredForcesEngineering,Beijing100072,China)

According to the phenomenon that the differences about motion performance of tracked chassis are huge on different roads,a model is established for a tracked carrier prototype by using the multi-body dynamics analysis software RecurDyn.After dynamical simulation on different types of roads different datas are obtained.By comparing and analyzing the simulation results,a comprehensive understanding about the impacts of different roads is acquired.

tracked carrier; different roads; dynamic simulation

2013-12-13

贾小平(1958-)，男，云南昆明人，教授，研究方向:军用车辆系统总体论证、仿真与评估。

TP391.9

A

1007-4414(2014)01-0036-03