南航团队研发新型柔性负重轮：提升履带车辆平顺性与通过性

创作时间:

作者:

@小白创作中心

南航团队研发新型柔性负重轮：提升履带车辆平顺性与通过性

引用

网易

https://www.163.com/dy/article/JBBBB2120511CJ6T.html

履带车辆在军事和民用领域都有广泛的应用，其行驶平顺性和通过性是衡量车辆性能的重要指标。南京航空航天大学赵又群教授团队提出了一种新型复合式柔性负重轮构型，并通过虚拟仿真试验与台架试验相结合的方法，研究了柔性负重轮对履带车辆平顺性的影响。研究结果表明，柔性负重轮可以有效降低车身的垂向加速度和负重轮的动载荷，特别是在复杂路况下，其优势更加明显。

研究背景及目的

提高车辆行驶速度和乘坐舒适性一直是履带车辆发展的重要方向。履带车辆的性能与发动机和传动系统有关，但能否提高车辆的平均越野速度和通过性最终取决于驾驶系统的性能。当驱动系统的缓冲性能或负重轮与履带之间的附着力较差时，即使发动机功率更大，千瓦每吨更高，仍无法提高车辆在越野路上的平均行驶速度。

负重轮是驱动系统的重要组成部分，但大多数负重轮采用刚性坚固结构，其结构特点决定了其附着性能和减振效果较差，不能满足履带车辆高速、稳定、长期运行的要求，成为制约履带车辆性能进一步提升的关键瓶颈之一。针对传统负重轮的固有缺陷，研究团队提出了一种新型的复合式柔性负重轮构型。

试验方法

为了预测装配柔性负重轮的履带车辆行使平顺性，研究团队采用虚拟仿真试验与台架试验相结合的方式。首先，通过橡胶试件单轴拉伸试验得到超弹性本构模型，建立了考虑材料非线性和接触非线性的柔性负重轮/履带板接触三维有限元模型，并通过负重轮静力学台架试验验证了模型的可靠性和准确性。

在验证后的有限元模型基础上，揭示了径向载荷与负重轮径向变形的关系，拟合得到了柔性负重轮的非线性数学模型，同时分析了铰链组数量对刚度系数的影响。通过牛顿第二定律建立了七自由度履带车辆的半车模型，利用白噪声建立了考虑履带效应的随机道路模型。最后，将非线性负重轮模型、半车模型和随机路面模型相结合，研究了不同速度和路面等级下装备柔性负重轮的履带车辆行使平顺性，同时与刚性负重轮进行对比分析。

图1 柔性负重轮结构示意图

图2 橡胶材料单轴拉伸试验：(a) 单轴拉伸试验，(b) 橡胶试件结构图

结果

研究结果表明：与线性回归分析相比，柔性负重轮径向刚度二次多项式回归分析的缩减的Chi-Sqr较小且Adj. R-square接近1，且残差平方、均方根误差(SD)和缩减的Chi-Sqr更小，表明仿真试验数据的二次多项式拟合效果优于线性回归分析。随着铰链组数量的增加，刚度系数K1和K2随之增加。随着车速和路面等级的提高，车身垂向加速度、车身俯仰加速度、负重轮动载荷均方根有递增趋势。

装配刚性负重轮的履带车辆车身垂向加速度均方根大于装配柔性负重轮的履带车辆，随着路面等级的提高，两者之间的差距增加，车速对于两者之间的差异影响不大。当车速较低时（8km/h），装配刚性负重轮的履带车辆车身俯仰加速度均方根小于装配柔性负重轮的履带车辆，随着路面等级的提高两者差距有增加的趋势。随着车速的提高，两者之间的差距就变小。在B级路面上，刚性负重轮的动载荷均方根和柔性负重轮的动载荷均方根很接近，随着路面等级的提高两者差距有增加的趋势，然而随着车速的提高，两者之间的差距变化不大。

图3 不同路面激励下的负重轮响应

结论

（1）基于负重轮静载仿真试验建立的柔性负重轮非线性模型简单有效，能正确反映柔性负重轮的非线性特性，可用于履带车辆的平顺性仿真，且不增加过多的计算成本。

（2）非线性负重轮模型减小了车身、悬架系统和负重轮的振动，特别是对于高频振动有很大的抑制作用。因此，在履带车辆的平顺性仿真和悬架系统控制中，柔性负重轮的非线性因素是不可忽略的。

（3）相比于刚性负重轮，柔性负重轮可以有效降低车身的垂向加速度和负重轮的动载荷，并且随着路面等级的提高，缓冲效果越明显，然而车速对于两者之间的差异影响不大；然而当车速较低时，柔性负重轮反而增加了车身的俯仰加速度，随着路面等级的提高影响加剧，随着车速的提高影响减小。

前景与应用

目前，履带车辆所使用的负重轮大多采用刚性实心轮盘结构（或包裹少量橡胶），存在重量重、承载效率低、减振效果差等诸多缺点，严重制约了履带车辆包括轻量化、机动性、平顺性以及通过性等性能的进一步提升。为了克服刚性负重轮的上述缺点，改善履带车辆行驶系统综合性能，本课题提出一种新型悬链式柔性负重轮，突破了传统刚性负重轮的轮盘实心结构，采用悬链式柔性结构，不仅具有较高的承载效率、良好的缓冲减振性能，还可以有效地改善轮-履-地动态耦合特性，此外在轻量化设计方面也具有先天优势。