具有独立动力源的模块化行动系统通过性仿真分析

侯友山，袁野，刘凯华，刘震涛*,

具有独立动力源的模块化行动系统通过性仿真分析

侯友山1，袁野2，刘凯华2，刘震涛*,2

（1.中国北方车辆研究所，北京 100072；2.浙江大学 动力机械及车辆工程研究所，浙江 杭州 310027）

提出一种轮式车辆的模块化行动系统设计思路，即将若干具备动力源的独立行动系统采用铰链串联式连接，研究其通过性表现。首先建立单个模块和两个模块铰接而成的系统的三维模型，其次利用ADAMS设置台阶和正弦起伏两种路面条件，以及四种车轮转速和三种载荷情况，对二者进行通过性对比仿真分析。结果显示，在台阶路面上，单个模块和组合系统的通过性随车速和载荷变化的趋势一致，但是相同工况下组合系统比单个模块的通过性差；在正弦路面上，二者通过性随车速和载荷的变化趋势并不一致，在车轮转速较低（30～60 r/min）时组合系统通过性不如单个模块，但是在车轮转速较高（90～120 r/min）时二者相差不大，该结论可为轮式装甲车辆模块化发展提供基础支持。

通过性；模块化；ADAMS仿真；台阶路面；正弦起伏路面

现代轮式装甲车需要具备诸如高可靠性、高通过性等优秀品质[1]。为了更好地满足现代狼群式作战目的，提升作战表现，模块化设计的思想已经应用在轮式车辆的研发中。将原来的装甲车单体行动系统作为一个独立模块，其自身具有独立动力单元，既可单独行动，又可进行前后连接组装，进而组成更大型的组合式行动系统。但多模块带来的复杂结构、多自由度和几何约束也对整体行动系统的通过性造成了影响。

关于车辆的通过性研究有诸多的专家学者进行了研究，得到了大量的成果。陈欣等[2-3]和张申等[4]分别对多轴越野车辆和轮式装甲车辆的越障性能进行了仿真分析。田宇[5]和刘波等[6-7]利用ADAMS软件对车辆通过台阶和壕沟路面进行了仿真分析。秦伟[8]以车载火箭炮为研究对象，在RecurDyn中进行了各种路面上的仿真分析。以上研究不乏多轴车辆的通过性仿真分析，但多轴车辆的各轴统一在一个车架之上，本质上还是一个单体模块的通过性研究，这与模块化行动系统的通过性研究有着根本的不同。

胡隽卿[9]以两自由度铰链越野车为研究对象，利用RecurDyn软件进行了在台阶路面上的通过性仿真分析。但是其研究的越野车的铰链位于前后轴之间的传动轴上，整体系统只有一个独立动力单元，属于内部有两自由度变化的单个行动系统的通过性分析。而本文的研究对象是通过铰链连接具有独立动力源的，由两个行动系统组成的行动系统模块，开展模块化行动系统与单个行动系统的通过性对比研究，对未来装甲车辆集群式作战提供参考。

1 模块化行动系统几何建模

1.1 模块化行动系统几何建模

模块化行动系统中单个模块相当于一个独立的轮式车辆底盘，在研究其通过性时将底盘的转向系统、制动系统、传动系统简化忽略，单个模块具有独立的动力源，其动力系统采用轮毂电机，驱动方式为前轮驱动。

在行动系统中最重要的部件便是悬架，模块的可提升悬架由提升架、油气弹簧减震器[10]等组成。其中提升架包括提升架立柱、提升架连杆和提升架支撑板，结构如图1、图2所示。

图1 悬架结构示意图

1.车架连接件；2.立柱；3.横向固定板；4.连杆；5.支撑板。

图2中，横向固定板的两端分别与左右立柱固定连接，连杆左右对称各两个，一端与立柱铰接，另一端与支撑板铰接。

弹簧上端与车架铰接，下端与提升架支撑板铰接，车轮与提升架支撑板连接。工作时，活塞杆的伸出与缩回实现悬架的升降，如图3所示。

图3 悬架升降原理

单个模块可以通过在车架前部和尾部加装铰链机构连接成串联式的行动系统，类似高铁各车厢之间的连接，每个连接的单体模块都通过自身的动力源驱动一对前轮行驶。如图4所示，是两个单体模块通过铰链连接在一起组成的行动系统。还可以在两个模块组成的行动系统的基础上，将中间的模块车架前、尾部都加装铰链，以组成三个和多个的模块连接的行动系统。

图4 两个模块连接的行动系统

1.2 系统各部件静态参数设置

将转换为“.x_t”格式后的模型导入ADAMS软件，全局坐标轴的x方向为悬架的长度方向，其负方向为车辆前进方向；全局坐标轴的方向为悬架的高度方向，坐标轴的方向为悬架的宽度方向。如图5所示。

图5 ADAMS中坐标轴设置

在ADAMS中还需要进行模型各部件之间运动副的约束，以使得模型中的各部件形成统一的整体，并以正确的运动关系运行，如表1所示。

表1 运动副约束

对于行动系统来说，质量、悬架刚度和阻尼是关键的参数，由于本研究对象是可以方便地进行模块化组合与拆卸的轮式装甲车辆模块，且面向未来的装甲车辆必然是具有轻量化技术优势的越野作战车辆[11]，所以参数设置方面可以参考轻型装甲车、轻型载货汽车以及越野车辆等。轻型载货汽车的整备质量在2000～4000 kg范围内[12]，文献[13]中采用的轻型货车整备质量为2810 kg，设计总质量为6000 kg，文献[14]中研究的轻型货车整备质量为1880 kg，满载质量为5180 kg，本文设计单个模块空载、轻载和重载这三种情况，分别对应2000 kg、3000 kg和4000 kg的总质量。文献[14]中悬架的刚度设置为2.11×105N/m，文献[15]中悬架刚度为2.7×105N/m，阻尼为5000 N·s/m，本文的悬架弹簧刚度设置为1.2×105N/m，阻尼为6800 N·s/m。静态参数设置如表2所示。

表2 静态参数

1.3 系统各部件动态参数设置

导入ADAMS中的模型需要在路面上行驶以完成通过性仿真，所以系统的动态参数主要分成两类：一类是驱动参数，用于调整行动系统向前的运动特性；另一类是接触参数，用于调整车轮和路面模型接触耦合时的相关力学特性[16]。

由于行动系统的动力由轮毂电机提供，且为前轮驱动，故直接在车轮与支撑板转轴处的转动副上添加旋转驱动，以调节车轮转速的方式控制系统的车速。接触参数主要设置轮胎与地面的接触方式和附着系数，由于该行动系统的工作环境通常是野外土路路面，土路（干）路面的平均峰值附着系数为0.68左右[17]，所以设置接触时的动摩擦系数为0.68，静摩擦系数要稍大一点，设置为0.7。动态参数如表3所示。

表3 动态参数

注：6.46 km·h-1、12.93 km·h-1、19.39 km·h-1、25.85 km·h-1为车轮转速对应的车速。

2 单个模块在不同路面上的通过性分析

本文将研究重点放在单个模块铰接组成的组合行动系统的通过性分析上，为了与普通的单个行动系统模块通过性进行对比，也对单个模块在不同路面上的通过性进行了同工况下的仿真分析。

2.1 台阶路面的通过性分析

选择单个模块载荷为30000 N，台阶路面的高度为0.5 m，仿真时间设为40 s，步长0.05。模块从较高的路面通过台阶后行驶到较低的路面，如图6所示。

当模块通过台阶面时，由于轮胎和地面的冲击，以及车架和车轮相对位置的变化，一方面立柱和支撑板的最低点可能接触地面，另一方面弹簧受力较大位置倾斜可能与车架发生干涉，这两种情况下模块都不能顺利通过台阶面。将模块刚好能通过台阶路面时台阶的最大高度作为衡量其通过性的指标，分别在4种车速和3种载荷条件下测试能通过的台阶最大高度，结果如表4所示。

图6 台阶路面通过性仿真

表4 各种工况下模块能通过的台阶最大高度

由表4可得如下结论：

（1）在载荷一定的情况下，模块能通过的台阶最大高度随车速的增加有增加的趋势，但不是严格的单调增加，低车速时能通过的最大台阶高度不大于高车速时的最大台阶高度，可以认为模块在台阶路面上的通过性在一定范围内随车速的提高而提升。

（2）在车速一定的情况下，模块能通过的台阶最大高度随载荷的增加而减小，即模块在台阶路面上的通过性在一定范围内随载荷的提高而降低。

2.2 正弦起伏路面的通过性分析

选择单个模块载荷为30000 N，起伏路面轮廓的正弦曲线幅值为0.1 m，波长为3 m，仿真时间30 s，步长0.05。考察模块在正弦起伏路面上的行驶过程，如图7所示。

同样，以车架立柱和支撑板不接触地面和弹簧不与车架干涉为前提，将模块刚好能通过正弦起伏路面时路面最大幅值作为衡量其通过性的指标，分别在4种车速和3种载荷条件下测试能通过的路面最大幅值，结果如表5所示。

图7 正弦起伏路面通过性仿真

表5 各种工况下模块能通过的路面最大幅值

由表5可得如下结论：

（1）在载荷一定的情况下，模块能通过的路面最大幅值基本上随着车轮转速的增加而减少，但也并非严格单调减少，低车速下能通过的路面最大幅值不会小于高车速下能通过的路面最大幅值，即模块在正弦起伏路面上的通过性在一定范围内随车速的提升而降低。

（2）在车速一定的情况下，模块能通过的路面最大幅值和载荷的变化没有确定的关系。在30 r/min和120 r/min时，路面最大幅值随载荷增加而非单调增加；在90 r/min时，路面最大幅值随车速增加而单调增加，但是在90 r/min时，路面最大幅值不随载荷的变化而变化。即模块在正弦起伏路面上的通过性在一定范围内不会随载荷的提升而降低。

3 两个模块铰接后在不同路面上的通过性分析

将两个单体行动模块利用铰链机构进行连接，形成组合式的行动系统，由于系统尺寸的增加、零部件数目的增加、自由度数的增加以及机构几何形状的限制，组合式行动系统在路面上的通过性必然与单体模块的通过性不同。因此在ADAMS中进行组合式行动系统通过台阶路面和正弦起伏的仿真并加以分析。

3.1 台阶路面的通过性分析

选择模块载荷30000 N，台阶高度0.35 m，仿真时间20 s，仿真步长0.01，考察两个模块连接组成的行动系统通过台阶路面的过程。图8是车轮转速30 r/min下组合行动系统四对车轮的质心位移变化情况。

图8 30 r/min时各对车轮质心位移变化

由图8可知，分别在8.14 s、9.22 s、10.14 s和11.32 s的时刻第1、2、3、4对车轮从较高的路面上滚落首次触地，并由于弹簧的作用经过多次弹跳后趋于正常的行驶状态。可以看到，不同的车轮落到较低的路面上以后发生衰减振动的振幅也不同。第1对车轮落到地面上时轮胎产生的振幅最大约0.15 m，第4对车轮的最大振幅仅次于第1对车轮，约0.13 m。第2对车轮和第3对车轮处于行动系统居中的位置，产生的振幅则较小，最大振幅分别是0.07 m和0.05 m。所以可以推测，第1对车轮从较高台阶面落在地面上收到的冲击最大，第4对车轮次之，而中间的第2对和第3对车轮受到的冲击较小。如图9是车轮的垂向受力变化，验证了第1对车轮受冲击力最大，第4对车轮次之而第2、3对车轮受力较小的结论。

图9 各对车轮垂向力变化

与单体模块一样，将组合系统能通过的台阶路面最大台阶高度作为其通过性的衡量标准，在4种速度和3种载荷下进行仿真，得到结果如表6所示。

表6 各种工况下组合系统能通过的台阶最大高度

由表6可得到如下结论：

（1）在载荷一定时，组合系统能通过的最大台阶高度在一定范围内随车速的增大而呈非单调增大，车轮转速每增加300 r/min，则最大台阶高度增加约0～0.05 m。

（2）在车速一定时，组合系统能通过的最大台阶高度在一定范围内随载荷的增大而减小，载荷每增大10000 N，则最大台阶高度减小约0.15～0.25 m。

（3）通过比较表4和表6，可以发现单体模块和组合系统在台阶路面上的通过性存在异同。相同点是通过性与车速和载荷的关系表现出一致性，不同点在于在同等条件下组合系统的通过性远远差于单体模块的通过性，组合系统能通过的台阶最大高度比同条件下模块能通过的最大台阶高度低0.35～0.4 m，相当于车轮半径的61%～70%。

3.2 正弦起伏路面的通过性分析

选择模块载荷为30000 N，起伏路面的正弦曲线幅值为0.2 m，波长为3 m，仿真时间40 s，仿真步长0.01，考察组合系统通过正弦起伏路面的过程。图10展示了90 r/min车轮转速下车轮和车架质心位移的变化。

组合系统通过正弦起伏路面的过程中，当第1对车轮爬升至波峰时，第3对车轮正处于上坡的过程中，二者都处于较高位置，将前方的车架抬升起来，于是第2对车轮悬空。当第2对车轮爬升至波峰时，第4对车轮处于上坡的过程，第3对车轮悬空；但此时由于第1对车轮在较低的位置，前方的车架向前下方倾斜使得在最高点的第2对车轮的悬架弹簧形变剧烈。以此类推，第3对车轮爬升至波峰时第2对车轮悬空；第4对车轮在较低位置使得后方的车架向前上方倾斜，使得在最高点的第3对悬架弹簧形变剧烈；第4对车轮爬升至波峰时，第3对车轮悬空。所以在正弦起伏路面上行驶时，行动系统的第2和第3对车轮的悬架弹簧受力较大，弹簧的形变程度大，也是影响其通过性的关键位置。图11是通过起伏路面时各对弹簧上端点受力的变化，可看出第2、3对弹簧受力最大。

图10 90 r/min时组合系统车轮和车架质心位移变化

图11 各对弹簧上端点受力变化

在4种速度和3种载荷下进行仿真，测试组合系统在正弦起伏路面上能通过的路面最大幅值，得到结果如表7所示。

表7 各种工况下行动系统能通过的路面最大幅值

由表7可得如下结论：

（1）在载荷一定时，组合系统在正弦起伏路面上能通过的路面最大幅值在一定范围内随车速的增加呈现先不变、后增加、再减小的趋势。这是因为在较低的车速范围内，车轮基本上贴合路面曲线行驶，车架随着路面地形的起伏发生周期性的倾斜，能通过的最大路面幅值受到几何形状参数的制约，改变不大。随着速度的提高，组合系统因为惯性而不完全贴合路面曲线行驶，这使得车架随路面变化而倾斜的情况得到了改善，能通过的最大路面幅值稍有增大。而在车速较大的范围内，由于惯性导致的车轮与路面的冲击力会增大，车轮的跳动幅度增大，弹簧受力增大，能够通过的最大路面幅值又会降低。根据表7，组合系统在车轮转速为90 r/min即车速为19.4 km/h附近的通过性最好。

（2）在速度一定时，组合系统在正弦起伏路面上能通过的最大路面幅值在一定范围内随载荷的变化没有明显的变化趋势，基本上维持在0.2±0.05 m的附近。

（3）对比表5和表7，可以发现单体模块和组合系统在正弦起伏路面上的通过性存在着较大的差异。差异体现在两个方面：第一，两者在载荷一定时能通过的最大路面幅值随车速的变化关系不同，模块的通过性随车速增加并不会降低，而组合系统的通过性在车速较高范围内，会随车速的继续增加而降低。第二，同等条件下模块和组合系统的通过性略有不同，在低速范围（30～60 r/min）组合系统能通过的路面最大幅值比模块的要降低0.1～0.15 m，而在高速范围（90～120 r/min）组合系统通过的最大幅值基本上不低于模块通过的最大幅值，即模块相对于组合系统在正弦起伏路面上通过性的优势主要在于车轮转速30～60 r/min的低速区。

4 结束语

本文针对应用于轮式车辆的模块化行动系统，利用ADAMS多体动力学仿真软件分别进行了单个行动系统模块和两个模块铰接形成的组合式行动系统在不同路面上的通过性仿真，得到结论如下：

（1）台阶路面上，单个模块和组合式行动系统的通过性随车速和载荷的变化而变化的关系一致；正弦起伏路面上，二者的通过性随车速和载荷的变化而变化的关系存在差异。

（2）无论是台阶路面还是正弦起伏路面，单个模块和组合式行动系统在同车速、同载荷条件下的具体通过性表现存在差异。台阶路面上行动系统通过性远逊于单个模块，正弦起伏路面上仅在低速时行动系统通过性略逊于单个模块。

对于模块化行动系统的通过性研究，两个模块连接组成的系统仍显特殊，且在实际中使用的概率较低，后续以三个模块连接组成的系统为研究对象将具有更大的研究价值和实际意义。

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Simulation Analysis of Trafficability of Modular Mobile System with Independent Power Source

HOU Youshan1，YUAN Ye2，LIU Kaihua2，LIU Zhentao2

(1.China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China; 2.Power Machinery and Vehicular Engineering Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China )

A design idea of modular running system was proposed by connecting several independent running systems with power sources in series with hinges for wheeled vehicles. The trafficability performance of the system was studied. Firstly, three-dimensional models of a single module and the system composed of two modules were established. Secondly, two road conditions, steps and sinusoidal undulations, as well as four speeds and three load conditions, were established with ADAMS, and then the trafficability performance of the single module and the system were compared through simulation analysis. The results show that the trafficability of a single module and the combined system changed consistently with vehicle speed and load on the stepped road. However, the trafficability of the combined system is worse than that of a single module under the same working conditions. On a sinusoidal undulating road, the changing trend of the trafficability of the two is inconsistent with the speed and load. When the wheel speed is low (30～60 r/min), the trafficability of the combined system is not as good as that of a single module, but when the wheel speed is high (90～120 r/min), the difference is not significant. The findings can support the modular development of wheeled armored vehicles.

trafficability；modular；ADAMS simulation；stepped roads；sinusoidal undulating roads

U461.5+2；TB24

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.01.004

1006-0316 (2022) 01-0023-08

2021-05-17

侯友山（1981－），男，山东临沂人，博士，研究员、工程师，主要研究方向为车辆行动系统技术，E-mail：houyoushan2008@126.com；袁野（1998－），男，安徽合肥人，硕士研究生，主要研究方向为汽车及发动机零部件可靠性技术研究；刘凯华（1995－），男，浙江绍兴人，硕士研究生，主要研究方向为汽车及发动机零部件可靠性技术研究。*通讯作者：刘震涛（1971－），男，山东德州人，博士，教授、博士生导师，主要研究方向为汽车发动机可靠性技术和热管理理论及方法，E-mail：liuzt@zju.edu.cn。