扭杆油气复合悬挂特性研究

代健健，毛 明，陈轶杰，张亚峰，杜 甫

(中国北方车辆研究所， 北京 100072)

履带车辆悬挂系统是履带车辆实现机动性的重要组成部分。现阶段，国内外高机动履带车辆悬挂系统主要采用扭杆悬挂和油气悬挂[1]。扭杆悬挂具备制造简单、工艺成熟、可靠性高等优点，但由于刚度几乎不变，导致其对路面的适应性较差。油气悬挂具有明显的非线性、变刚度等优点，具有较好的路面适应能力，但油、气密封可靠性差和温升导致的悬挂特性及车姿变化。在实际工程中，扭杆弹簧的故障主要是由于过载或疲劳而断裂，油气弹簧的故障主要是由于温升过载或疲劳引起密封失效和车姿变化。

为提高履带车辆机动性和可靠性，一些科研院校开展了一系列研究及探索[2-6]，例如：内蒙古一机集团研发了高强度扭杆弹簧新材料，使扭杆最大许用应力超过1250MPa，从而提高了扭杆悬挂的性能和可靠性；中国北方车辆研究所积极开发各型油气悬挂，已应用在多种轻中型履带车辆上。为提高主战坦克的机动性能和行动系统的可靠性，2017年，中国北方车辆研究所提出了将扭杆弹簧和油气弹簧并联的复合悬挂的构型设想，相对扭杆悬挂能提高悬挂系统的性能，又能满足扭杆弹簧和油气弹簧的可靠性要求，本研究就是针对这种新构型的复合悬挂开展特性建模及其载荷匹配对特性的影响规律研究。

1 复合悬挂弹性特性

本文以某型履带车辆为研究对象，旨在提高其行驶平顺性，使乘员获得更舒适的驾乘感受，以进一步提高越野速度。考虑到实际过程中扭杆弹簧与油气弹簧的失效形式，综合各自优势，将油气弹簧取代减振器，并承担扭杆悬挂部分载荷，起到储能和减振的作用。考虑到履带车辆悬挂空间布置要求及弹性元件技术成熟度，设计了如图1所示的扭杆油气复合悬挂，在该模型中，油气弹簧上铰支点和扭杆固定端与车体连接，下铰支点通过平衡肘上的销耳与平衡肘连接。

图1 扭杆—油气复合悬挂三维图

工作原理图如图2，H为车底距地高，E为平衡肘转动中心与车底距离，HL为履带板高度，D为负重轮直径，δ为轮缘变形量，R为平衡肘转动半径，r为拉臂OB的长度，l为油气弹簧任意位置的长度，α为平衡肘与水平线的夹角。

图2 复合悬挂工作原理图

在压缩行程时，负重轮带动平衡肘逆时针转动，扭杆弹簧与油气弹簧储存能量，将动能转换为势能，同时油气弹簧产生一定阻尼力，转换为热能；在复原行程时，扭杆弹簧与油气弹簧释放能量，推动平衡肘顺时针转动，将势能转换为动能，同时油气弹簧产生较大阻尼力，将动能转换为热能。

由于阻尼力仅由油气弹簧承担，其减振阀的设计方法等同于纯油气悬挂的减振阀的设计方法，因此复合悬挂的阻尼特性与油气悬挂的阻尼特性相同。

1.1 弹性特性数学建模

复合悬挂同时采用扭杆悬挂和油气悬挂，必然涉及承载力分配的问题，静平衡位置扭杆悬挂和油气悬挂各自承担静载荷的大小对悬挂参数及特性有重要影响，如：油气弹簧初始充气压力、扭杆弹簧工作直径等参数会根据承载力进行初步设计。引入静载荷分配系数λ，对静平衡位置时二者承担的静载荷进行分配，λ定义为扭杆悬挂静载荷与悬挂系统静载荷的比值。若单轮静平衡位置承载力为Ffj，则扭杆悬挂静载荷Fnj=λFfj，油气悬挂静载荷Fyj=(1-λ)Ffj。

初步设计时，以车底距地高H、负重轮动行程fd等参数作为设计输入，假定油气弹簧主活塞与浮动活塞横截面积相等，油气弹簧气体为理想气体。

1.1.1 扭杆悬挂弹性特性

负重轮行程f与α的关系：

f=R(sinαj-sinα)

(1)

式中，αj为平衡肘位于静平衡位置时与水平线夹角，αj=arcsin[(H+E-HL-0.5D+δ)/R]。以静平衡位置为零点，规定静平衡位置向上为正，向下为负。

扭杆直径d为扭杆弹簧最关键的参数，应当满足最大剪切应力τmax小于许用剪切应力[τmax]：

(2)

式中：d为扭杆直径；Gt为扭杆材料剪切模量；L为扭杆工作长度；W为扭杆材料抗扭截面系数，W=πd3/16；θmax为扭杆最大扭转角。

在fd一定的条件下，扭杆扭转到最大角度时平衡肘与水平线的夹角α1：

α1=arcsin[(H+E-HL-0.5D+δ-fd)/R]

(3)

扭杆弹簧的静扭矩Mj：

(4)

式中：θj为扭杆从初始安装位置扭转到静平衡位置的扭转角，即静扭角。可得扭杆静平衡位置剪切应力τj=Mj/W。

静扭角θj与θmax、α1、αj的关系：

θj=θmax-(αj-α1)

(5)

综合式(2)～式(5)，可推出d与[τmax]的关系：

(6)

在设计d时，将标准系列直径d代入式(6)，可验证d是否满足强度条件，若不满足，说明在该直径下，扭杆将会发生断裂；若任意d都不满足要求，则说明设计的动行程fd过大。

平衡肘初始安装角α0=αj+θj，将其代入式(1)可得负重轮静行程fj。

扭杆悬挂弹性力Fn[1]：

(7)

扭杆悬挂刚度系数Kn[1]:

1.1.2 油气悬挂弹性特性

悬挂杠杆比I=|OD|/Rcosα，|OD|为平衡肘转动中心距油气弹簧上、下铰支点中心线的距离，静平衡位置杠杆比Ij=|OD|j/Rsinαj。

对于油气弹簧，在设计时通常使静平衡位置的压强在某值Pj0附近较为合适，可根据Fyj和Ij推出理论上的浮动活塞直径dh0，根据国家标准选取相对应的标准浮动活塞直径dh。

根据标准dh求出静平衡位置的压强Pj=Fyj/(Ij·Ah)。

根据理想气体状态方程[7-8]：

(常数)

(8)

任意位置油气弹簧压强P：

(9)

式中：lmax为油气弹簧上下铰接点最长距离(位于初始安装位置时)；l为任意位置油气弹簧上下铰接点距离。

油气悬挂弹性力Fy：

Fy=Ah(P-Pa)I

(10)

油气悬挂刚度系数Ky:

(11)

因此，复合悬挂弹性力Ft=Fn+Fy。复合悬挂刚度系数K=Kn+Ky。

1.2 复合悬挂性能参数

复合悬挂的性能参数涉及缓冲可靠性和行驶平顺性两个方面。缓冲可靠性表示弹性元件的疲劳强度储备，常用动比位能Ed来评价。行驶平顺性表示对地面不平度的隔振性能，常用自由振动周期Tj来评价。

动比位能Ed[9]：

(12)

自由振动周期Tj[9]：

(13)

式中：m为簧上质量；Kj为静平衡位置复合悬挂刚度。

动比位能越大，表示坦克装甲车辆弹性元件吸收振动能量的能力越强。在负重轮行程一定的条件下，动比位能越大，要求弹性元件刚度越大，但刚度越大，会使自由振动周期越小，车辆行驶平顺性越差。因此，复合悬挂的性能参数Ed和Tj是一对矛盾参数，只能折中设计。

1.3 仿真分析

根据悬挂布置空间及密封件性能等方面的约束，初步设计复合悬挂部分参数如表1所示。

编程仿真分析可得油气悬挂、扭杆悬挂、复合悬挂的弹性特性曲线和刚度特性曲线，如图3、图4所示。

表1 部分设计参数

图3 复合悬挂弹性特性曲线

图4 复合悬挂刚度特性曲线

图4～图5中扭杆悬挂弹性力几乎呈线性增长，其刚度变化不大，而油气悬挂在小行程时弹性力变化不大，刚度较小，在大行程时呈现较明显的非线性特性，刚度增长较快，最大行程时的刚度比静平衡位置的刚度大15倍以上，复合悬挂弹性力符合预期增长趋势，在小行程时基本呈线性增长，在大行程时迅速增长，具有一定程度的非线性。

1.4 复合悬挂静载荷分配研究

为获得理想的目标特性曲线，在H、fd等参数一定的条件下，为方便对比分析，尽可能使fj保持一致，研究复合悬挂中扭杆悬挂和油气悬挂静载荷匹配对悬挂性能的影响规律。利用Matlab编程仿真分析，得到λ从0到1，即纯油气悬挂—复合悬挂—纯扭杆悬挂变化过程中的弹性元件参数及复合悬挂性能参数变化情况如表2所示。

表2 弹性元件参数及复合悬挂性能参数

在每个λ取值时，扭杆直径d和浮动活塞直径dh取标准值，dh在λ为0～0.5时为70 mm。这是由于油气悬挂承受载荷过大，所需要的dh已超过布置空间限制；对于dh和H0的设定应当以使复合悬挂具有一定程度的非线性特性及Pmax不超过压力阈值为依据。可从表2中看出以下几点：

1) 复合悬挂使扭杆悬挂、油气悬挂各自分担一部分载荷，降低了扭杆弹簧的剪切应力和油气弹簧的压强，因而相对于纯扭杆悬挂和纯油气悬挂，弹性元件可靠性得到提高，振动周期和动比位能介于纯扭杆悬挂和纯油气悬挂之间。因此，扭杆油气复合悬挂的实质是行驶平顺性在纯油气悬挂和纯扭杆悬挂之间折中，并使弹性元件可靠性提高。

2)λ增大，d逐渐增大，dh在布置空间限制下逐渐减小，H0逐渐减小。

3) 随着λ增大，Ed逐渐增大，说明缓冲可靠性提高，Ts减小，说明行驶平顺性变差。

4)λ为0～0.3时，油气悬挂起主要作用，因而此区间复合悬挂静刚度较小，自由振动周期比较理想，但油气悬挂承载过大，导致油气弹簧压力过大，对密封件要求较高。λ为0.8～1时，扭杆悬挂起主要作用，刚度较大，因而动比位能较大，但扭杆弹簧剪切应力较大，甚至超过许用剪切应力，发生断裂；通过仿真分析发现复合悬挂特性曲线基本贴合扭杆悬挂特性曲线，油气悬挂此时所起作用已经很小，复合悬挂非线性较弱，如图5所示。因此，在不考虑温升带来的特性变化的条件下，λ在0.3～0.8，才可能使复合悬挂工程可实现，并达到利用油气悬挂非线性特性的初衷。

然而当车辆长时间工作或在恶劣工况下行驶时，油气弹簧温度升高，气体膨胀，会导致车姿发生一定程度变化，悬挂特性也会发生一定变化，若车姿变化较大，将会影响车辆的正常行驶。

图5 λ为0.8的弹性特性曲线

2 油气悬挂的温升引起车姿变化对复合悬挂性能的影响

油气悬挂的温升会导致车姿升高，假设新静平衡位置温度为T1，车姿升高量为H1，则温度变化系数TK为：

TK=T1/Tj

(14)

由式(8)可推出：

Pj1(H0-sj1)=TK(H0-sj)Pj

(15)

式中：sj为车姿升高前的油气弹簧静行程；Pj1、sj1分别为车姿升高后的气体压强和油气弹簧静行程。

车姿升高H1，αj将增大，扭杆悬挂在新静平衡位置的弹性力Fnt1将减小ΔF，而复合悬挂静载荷不变，因此车姿升高将引起载荷转移，扭杆悬挂减小的弹性力ΔF将增加到油气悬挂上，λ为0.5时的载荷转移原理图如图6。

因此，油气悬挂在新静平衡位置的弹性力Fyj1为：

Fyj1=Fyj+ΔF

(16)

车姿升高后，杠杆比变为I1，由式(10)可推出Fyj1和Pj1、I1的关系。且sj与H1存在一定的对应关系，因此可通过迭代法求出H1的值。

利用Matlab编程，得到了不同λ下的车姿变化量随温度的变化曲线，如图7所示。

图6 载荷转移原理图

图7 不同λ下的H1与温度的关系曲线

从图7可看出，随着温度的升高，H1基本上呈线性增长趋势，在λ为0.4时，温度升高至130 ℃，车姿变化量达到了静行程的38.1%，会影响车辆的行驶状态。当λ逐渐增大，车姿升高量逐渐减小，且增长趋势也减缓，当λ为0.8时，温度升高至130 ℃时，车姿变化量为静行程的8.9%。由此可见温升和λ对车姿变化量影响较大。

温升导致车姿发生变化引起载荷转移，会使悬挂特性曲线发生改变。λ为0.5时，温度升高至130 ℃与常温下的车姿变化前后的悬挂特性曲线对比如图8所示。

图8 车姿变化前后悬挂特性曲线对比

由图6可知，扭杆悬挂在新的静平衡位置的静载荷减小，但只是静平衡位置点发生改变，因此在图8中扭杆悬挂特性曲线在温度变化时是重合的。而油气悬挂静载荷则相应增加，油气悬挂的特性曲线将会发生变化，从图8中可看出，油气悬挂弹性力整体较车姿变化前增大，因而使得复合悬挂的弹性力整体增大。

根据图8和式(12)、式(13)可知，复合悬挂动比位能增加，缓冲可靠性得到提高；复合悬挂静刚度在车姿变化前后基本不发生改变，因此车姿变化对自由振动周期影响不大。

另一方面，油气弹簧压强增大才使得油气悬挂弹性力增大，因此，温升后的气体压强也是考虑的因素之一。经计算，在130 ℃时，Pmax上升到了60 MPa。若油气悬挂承载较大，则压强会更高，密封件将受到更大压力。因此，对于本设计的复合悬挂，在H和fd一定和当前密封件技术水平下，λ应当在0.5～0.8选择较为合适。

3 结论

1) 扭杆油气复合悬挂的实质是行驶平顺性在纯油气悬挂和扭杆悬挂之间折中，并使弹性元件可靠性提高；

2) 静载荷分配系数λ对复合悬挂特性参数和弹性元件的可靠性有重要影响；

3) 在现有扭杆材料和油气弹簧密封技术水平下，λ应当为0.5～0.8，才能实现该复合悬挂工程，且性能有所提高；

4) 采用复合悬挂后，油气悬挂的温升引起车姿升高现象较纯油气悬挂有明显改善，不会对行驶平顺性产生影响。