某轮式装甲车辆悬架系统改进及其仿真

任彦恒，王金宝，张连发，杨 祜

(66131部队，河北保定071000)

某轮式车辆采用螺旋弹簧与筒式液力减振器相结合的独立悬架系统。车辆在战术背景下利用野战道路快速行进时，悬架系统常常无法及时有效地缓和、衰减冲击，使上臂总成与车体形成刚性冲击，影响了车辆行驶操纵性和稳定性，严重时还会影响车内乘员的安全。笔者针对这一缺陷，提出了简单有效的改进方案，即增加悬架阻尼，提高车辆平顺性。并通过AMESim软件建立模型，分析仿真结果，证实此改进方案的可行性。

1 悬架结构

1.1 现有悬架结构

悬架由螺旋弹簧、筒式液力减振器和导向机构等组成［1］，如图1所示。减振器安装在螺旋弹簧圈内。减振器活塞杆外端头固定在车体的铰座内，下端连接下臂总成。减振器由防尘罩总成、导向总成、活塞缸、活塞总成、压缩阀总成和储液筒组成，如图2所示。

图1 悬架系统结构

图2 双向作用液力减振器结构

1.2 改进悬架结构及原理

悬架的结构改进是在螺旋弹簧外加装一对相互匹配的壳体作为气罩，以起到气压活塞减振阻尼器的作用，如图1所示。上下气罩分别固定于上下支座上，可随上下支座同步相向运动，两气罩间紧密装配，中间留有规定缝隙。如两气罩相向运动时，气罩相当气体活塞，压缩气罩内气体，使气体在缝隙中排出以形成有效阻尼;当气罩相背运动时，壳内压力小于壳外，气体由缝隙吸入气罩内。内外气罩可做成相互匹配的斜面，当压缩时缝隙逐渐减小，阻尼越来越大;当伸张时缝隙逐渐增大，使外部气体快速进入。还可使进气口处与车辆自带气压系统相连，使进气压力变大，加大进气量，增加阻尼力。此改进方案结构简单，易于改装，便于装配，对车辆整体结构影响较小［2-4］。

2 建模仿真

笔者采用法国IMAGINE公司的AMESim(Advanced Modeling Enviroment for Simulation of engineering systems)软件进行建模。AMESim为流体动力(液压及气动)、机械、控制等工程系统提供了一个完善的综合仿真环境及灵活的解决方案。

2.1 建立悬架系统模型

根据车辆悬架工作原理简化后建立1/6车辆悬架模型，如图3所示。图3中:1为1/6车体质量模型;2为螺旋弹簧模型;3为车轮质量模型;4为轮胎弹性与阻尼作用的简化模型;5为路面输入位移信号模型;6为液力减振器简化模型。

2.2 检验仿真模型

首先对原悬架系统模型进行仿真以验证所建立模型的正确性。路面输入信号采用一阶梯信号，即车辆在0.1 s时上到一个0.2 m的台阶上，如图4中曲线1所示，此时车轮、车体位移分别如图4中曲线2、3所示。车轮在0.17 s时达到位移峰值0.23 m，而后高频率振荡;车体在0.43 s时到达位移峰值0.5 m，而后振幅平稳衰减。车体垂直位移曲线与车轮垂直位移曲线相比，振幅大，频率小，有效缓和了地面冲击;且车体垂直位移振幅衰减明显，阻尼效果显现［5］。

图3 原悬架系统仿真模型

图4 路面垂直信号与车轮、车体垂直位移曲线

图5为车轮与车体垂直速度曲线。车轮垂直速度最高达到5.64 m/s，而车体垂直速度最高只达到2.33 m/s。由于阻尼作用，车体和车轮垂直速度的第2个波峰分别衰减至0.94 m/s和2.34 m/s，可见:由于悬架系统作用，车体垂直速度衰减迅速，且车体速度垂直振动频率明显低于车轮。

由车轮与车体垂直位移和垂直速度仿真曲线的对比可知:此模型减小了车体的振动频率，衰减了来自车轮的冲击，发挥了悬架系统的缓和、衰减冲击作用。

图5 车轮、车体垂直速度曲线

3 改进后建模仿真

根据改进后车辆悬架工作原理简化后，建立改进后1/6车辆悬架模型，如图6所示。即在原车辆悬架系统仿真模型的基础上，保持模块数学模型和各模型参数不变，加装外部气压罩仿真模型7(b)。

图6 改进后悬架仿真模型

3.1 分析对比悬架改进前后效果

同样的路面阶梯输入信号，其他参数保持不变，运行仿真，比较改进前后的车体位移变化情况，如图7所示:曲线1为改进前车体垂直位移曲线;曲线2为改进后车体垂直位移曲线。

图7 改进前后车体垂直位移曲线

曲线2在0.41 s时达到峰值0.49 m，而曲线1是在0.43 s时达到峰值0.5 m，振幅减小了0.01 m。当到达第2个波峰时曲线2相较曲线1的衰减效果更趋明显，振幅减小了0.06 m。曲线2振幅在一个周期后迅速衰减，当到达第5个波峰时已基本趋于平稳，而曲线1的第5个峰值(0.24 m)刚好与曲线2的第3个峰值相差无几。但曲线2的周期比曲线1有所减少。第1个波峰时间提前了0.02 s，第2个波峰时间提前了0.06 s。

由仿真结果可知:改进后车体振动衰减明显加速，提高了车体的平稳性。图7显示结果说明改进后悬架系统阻尼效果有所改善，可以增加车辆行驶平顺性，改进方案可行。

3.2 进一步优化改进悬架

以上仿真是在常压下进行的，当把悬架系统气压缸进排气口与车辆自带气压系统(8.1 MPa)相连接后，进气气压就处在了一个可调节的范围内。建立的模型如图8所示。

图8 进一步改进后悬架模型

图8中8(c)为一恒压源元件模型，代表悬架系统气压缸进排气口与车辆自带气压系统相连。

在其他参数不变的情况下，使恒压源输出压强为5.0 MPa。运行改进模型，仿真结果与改进未加压悬架系统比较分析，结果如图9所示:曲线1为进气口处为常压时(0.1 MPa)的车体垂直位移曲线;曲线2为进气口处气压为5.0 MPa时车体垂直位移曲线。

图9 进一步改进后车体位移曲线

曲线2第1个波峰为0.47 m，较曲线1减小0.02 m;曲线2第3个波峰为0.224 m，与曲线1的第4个波峰0.221 m相近。曲线2在2.20 s时到达第3波峰，较曲线1在2.15 s时到达第3波峰推迟了0.05 s，即曲线2的频率较曲线1有所减小。曲线2描绘的车体垂直动作更趋于平稳。

由仿真结果可知:当压力加大到5.0 MPa时，车体垂直振动振幅都衰减较快，能够使车体在3 s以前就达到平稳状态，较未加压时提前了1 s多。这说明进一步改进后的悬架系统性能提升显著，车辆行驶更加平稳，平顺性进一步增强。

［1］ 张克平.装甲兵士兵训练教材［M］.北京:解放军出版社，2004:207-210.

［2］ 甄龙信，王国彪.单气室油气悬架的阻尼特性及其对设计的影响［J］.矿山机械，2006，34(3):51-53.

［3］ 封士彩，王国彪.工程车辆油气悬架阻尼特性的研究［J］.矿山机械，2001，29(5):29-31.

［4］ 梁贺明，陈思忠，游世明.油气悬架数学建模及仿真研究［J］.计算机仿真，2006，23(4):241-244.

［5］ 田晋跃，狄勇，向华荣.油气分离式单气室悬架刚度与阻尼性能研究［J］.农业机械学报，2007，38(2):35-38.