6 ×6 无人驾驶车辆悬架系统技术方案

李栓成，孔瑞祥，陈 欣，秦万军，王一超

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161;2.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161;3.71357 部队，山东 莱阳265206)

美国陆军研制的未来战斗系统(future combat system，FCS)是由多种系统集成的多功能、网络化、轻型化、智能化武器系统，随着技术的不断成熟，该系统已经逐步装备美陆军部队。后勤机器人车辆MULE，亦称为运输型“骡子”(图1 所示)，作为FCS 中的主要运输装备，主要用于部队士兵运送武器、弹药和给养。1 台MULE 能够支援2 个徒步步兵班，并具备在复杂地形上伴随步兵班的机动能力。其主要任务是为徒步步兵班运输1 900 ～2 400 lb(1lb =0. 454 kg)的装备和帆布背包，也能够执行伤员后送任务。

图1 后勤机器人车辆MULE

“骡子”的6 ×6 底盘配有独立铰接式悬架装置，使其在崎岖的地形上具备高度的机动性，越障高度达到1.5 m，大大超过了美国陆军现役其他任何轮式或履带式车辆的越障高度。其越壕宽也达到1.5 m，车辆行驶侧坡角度大于40°，涉水深至少为1.25 m。“骡子”采用制动式转向装置，并采用混合电力驱动系统，每一个轮胎的轮毂内都装有电动机。“骡子”具有很高的抗毁性，如1 个轮胎受损或被打掉，剩余的其他5 个轮胎仍能保持足够的机动能力。

为满足未来战争物资运输要求，本文以后勤机器人车辆MULE 为参考，对6 ×6 无人驾驶车辆悬架系统进行了研究，提出了独立铰接悬架系统技术方案，并对其进行了分析计算。该项研究将对我军未来无人驾驶车辆的研制提供参考。

1 基本要求

基于无人驾驶车辆各种越障及隐身功能，对悬架系统提出以下要求。

(1)各驱动车轮采用各自独立的悬架系统，以保证某一车轮悬架系统损坏，其他车轮悬架系统正常工作。

(2)各车轮的独立悬架摆臂可前后大角度摆动，单边摆动角度大于90°，并在各摆动位置能够实现悬架的缓冲减振功能。

2 布置方案及结构

针对无人驾驶车辆对悬架系统的要求，其悬架系统已经脱离传统的轮式车辆悬架的概念。因此，本文提出了采用旋转油缸驱动悬架摆臂的摆动、以橡胶弹簧作为减振和缓冲元件的独立铰接悬架结构(如图2 所示)。该结构可实现悬架摆臂的前后大角度摆动，同时在任何摆角可实现悬架功能。该悬架系统主要由悬架摆臂驱动机构、悬架机构2 个部分组成。

图2 独立铰接悬架系统示意

(1)悬架摆臂驱动机构。该机构由旋转油缸组成，其工作原理如图3 所示。旋转油缸将液压能转换成旋转动能，并在2 个方向产生恒定的转矩。结构上主要由封闭的圆柱形液压缸、限位块和带叶片的旋转轴组成。当液压作用在叶片的任何一边时，都将使旋转轴旋转。旋转油缸输出转矩决定于叶片的承压面积、叶片的数量及液体的压力，旋转的速度取决于液体的流量和液压系统的压力容积。旋转油缸有单叶片和双叶片2 种，对于特殊用途可以采用3 个或更多的叶片，在液体压力相同的情况下，随着叶片数量的增加，输出转矩也会相应增大。单叶片旋转角度大(最大280°)，输出转矩低;双叶片旋转角度小(最大100°)，输出转矩大。考虑到无人驾驶车辆单个车轮摆动的驱动转矩并不大，而摆臂要求的摆动角度(从一端极限位置转到另一端极限位置)超过180°，因此，本方案选用单叶片式旋转油缸。

图3 旋转油缸工作原理示意

(2)悬架机构。采用橡胶弹簧作为减振和缓冲元件。橡胶弹簧本身具有一定弹性，可作为悬架系统的弹性元件;同时，橡胶弹簧在变形过程中，依靠橡胶分子之间的摩擦，具有一定的阻尼作用，可作为悬架系统的阻尼元件。本方案中采用橡胶弹簧结构，使悬架系统结构简单、尺寸减小、成本降低，且橡胶弹簧免于维护。

通过采用本方案悬架系统，无人驾驶车辆可实现正常行驶状态、趴下状态、最高状态、越台阶状态和侧坡行驶状态(如图4 所示)。

图4 无人驾驶车辆各种姿态示意

3 单个车轮悬架刚度计算

3.1 橡胶弹簧扭转刚度计算

从图2 可以看出，悬架压缩时有相间60°的3块扇形橡胶弹簧工作。现将其中一块橡胶弹簧作为研究对象，计算其扭转刚度，然后计算3 块橡胶弹簧并联工作的扭转刚度。

单块扇形橡胶弹簧计算示意如图5 所示。图中，R为橡胶弹簧的平均工作半径，θ 为弹簧的扇形角度，当弹簧受力增加ΔF时，橡胶弹簧的变形为Δθ。设橡胶弹簧的扭转刚度为K'

图5 扇形橡胶弹簧计算示意

θ，则

式中:ΔM为橡胶弹簧的转矩变化量，N·mm;Δθ为橡胶弹簧的转角变化量，(°)。

对于橡胶弹簧的压缩变形，在主要应用范围内，应力与应变之间的关系可表示为

式中:σ 为应力，MPa;ε 为应变，%;Eα为表观弹性模量，MPa。

根据式(2)得

式中:AL为橡胶弹簧承载面积，mm2;θ 为弹簧的扇形角度，(°)。

将式(3)代入式(1)得

橡胶弹簧在压缩时，其表观弹性模量Eα与橡胶元件的几何形状有关，可表示为

式中:i为几何形状影响系数;G为橡胶的切变模量，MPa。

对于图5 中的扇形橡胶弹簧，在平均工作半径R较大时，可以近似视为矩形弹簧，而对于矩形弹簧，几何形状影响系数i=3.6(1 +2.22S2)，其中，S为橡胶弹簧承载面积AL与自由面积AF之比，对于矩形弹簧为

式中:a为橡胶弹簧长度，mm;b为橡胶弹簧宽度，mm;h为橡胶弹簧高度，mm。

对于式(5)中的切变模量G，在技术条件中一般不规定，而是规定橡胶的硬度。切变模量G和肖氏硬度HS 的关系在实用范围内可近似表示为

将式(5)代入式(4)得

悬架工作时有3 块扇形橡胶并联工作，因此，橡胶弹簧的的扭转刚度Kθ为

3.2 单个车轮悬架刚度计算

设悬架摆臂的长度为L，摆臂的初始摆角为φ0，悬架在地面向上的作用力P的作用下，摆动角度变为φ，悬架垂直方向变形量为f。单个车轮悬架刚度计算示意如图6 所示。

图6 单个车轮悬架线刚度计算示意

由图6 的几何关系可得

位移对转角的微分为

又，橡胶弹簧的角位移为

则

力P对转角φ 微分为

4 实例计算

(1)悬架刚度的计算。依据无人驾驶车辆初步战术技术指标，无人驾驶车辆为6 ×6 驱动，满载质量2.5 t，每个车轮采用摆臂式独立铰接悬架支承，要求在战场条件下，当某2 个车轮被炸毁时，车辆能够依靠其他4 个车轮正常行驶。因此，每个车轮的承载质量为2.5/4 =0.625 t。无人驾驶车辆的悬架初始计算参数见表1［4］。

表1 无人驾驶车辆悬架初始计算参数

根据表1 初始参数及C与转角φ 的关系，利用Matlab 可以得到C-φ 的关系曲线(如图7 所示)。由图7 可知，悬架是变刚度的，伴随摆臂转角的增加刚度降低。该变化曲线是此结构形式悬架所特有的。

(2)悬架偏频计算。悬架的偏频是影响车辆平顺性的重要参数，偏频(n)可按式(13)计算:

因为无人驾驶车辆的满载质量为2.5 t，假设此时车辆6 个轮平均受力，则车辆行驶时单个悬架的承载质量为M=2 500/6 =416.67 kg。

图7 C-φ 关系曲线

联立式(12)、(13)，利用Matlab 可以得到n-φ 关系曲线(如图8 所示)。

图8 悬架偏频变化曲线

由图8 可知，车辆悬架的摆臂角度φ 大于30°时，悬架偏频n为1 ～1.6。该悬架符合平顺性的基本要求。

5 结 论

(1)根据无人驾驶车辆的悬架要求，提出了铰接式悬架结构方案。该方案采用橡胶弹簧作为悬架的缓冲减振元件，在前后2 个方向可以大角度摆动，使车辆的轴距随摆臂的摆角而变化，明显提高了车辆的越野行驶性能。

(2)以初步研究确定的无人驾驶车辆及悬架相关初始参数，计算了橡胶弹簧扭转刚度，得出铰接悬架刚度曲线。结果表明，随着摆臂角度的增大，悬架刚度逐渐减小。

(3)对悬架偏频进行分析计算得出，车辆悬架的摆臂角度大于30°时，悬架偏频n为1 ～1.6，符合平顺性的基本要求。

［1］ 高树新，蒋永林，汪立民. 陆军战略转型中轮式车辆建设研究［J］.兵工学报，2007，28(9):1092-1095.

［2］ 张英会，刘辉航，王德成.弹簧手册［M］. 北京:机械工业出版社，2002.

［3］ 余志生.汽车理论［M］. 北京:机械工业出版社，2009.

［4］ 李联邦.纵向摆臂式悬架无人地面车辆越障性能研究［D］.天津:军事交通学院，2012:18-20.

［5］ 刘惟信.汽车设计［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［6］ 李新耀，张印，周良生，等.双横臂扭杆悬架的特性分析及设计计算［J］.汽车工程，2003，25(1):15-19.

［7］ Kyeong Bin Lim，Jeong-hoon Kang，Yong-San Yoon. Obstacle-overcoming algorithm for unmanned ground vehicle with actively articulated suspensions on unstructured terrain［J］. International Conference on Control，Automation and Systems，2008(3):16.