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1、第一章绪论1.l课题研究的背景及意义履带车辆本身是非常复杂的机械系统，其显著特点是行动局部采用履带行驶装置，履带是在创造车轮之后又一重大突破，履带装置将车辆从传统的“线”的活动范围改进为“面”的活动范围，使得在复杂多变的使用环境中履带车辆的野外行驶能力，越障能力和机动性能都得到保证。随着现代履带车辆对机动性要求不断提高，车辆在斜坡行驶、软地急转弯等恶劣工况行驶过程中耙齿、脱轮现象时有发生，使得车辆丧失机动性，陷入“瘫痪”状态，直接影响了车辆的行驶通过性和作战任务等。现代军用履带车辆的开展总趋势是要求在降低车辆功耗的同时又要提高履带在链环上的稳定性，以防止履带发生耙齿、脱轮现象。这不仅是提高车辆
2、机动性的保证，而且可以改善车辆行驶平稳性和乘员的舒适性。因此对履带车辆行动系统动力学研究具有重要的实际意义。本课题来源于“十二五”预研工程：“履带车辆行动系统高速啮合技术研究”，论文的重点是履带装甲车辆行动局部动力学分析研究。以特定类型履带装甲车辆为研究对象，以探究履带式车辆脱轮问题为出发点，着重研究履带装置各部件作用机理，并建立履带装置张紧力的数学模型和履带车辆的多体动力学模型，进行不同工况下的仿真分析。论文针对车辆典型行驶工况中脱轮问题进行重点分析，为提高履带车辆行驶性能和对脱轮问题的理论研究提供参考。通过建立履带装置张紧力的数学模型，到达对张紧力控制的目标，通过控制履带张紧力，防止履带耙
3、齿、脱轮现象发生；同时建立履带车辆的多体动力学模型，并且进行不同工况下的仿真，将结果与计算数据比照，以此来论证数学模型的准确程度，并且分析不同工况下履带受力状况，对提高履带行驶系统的设计水平及防止脱轮现象发生具有重要意义，为保持履带车辆的整车行驶性能良好提供了很大帮助，也为未来实现张紧力的控制提供理论根底。1.2履带车辆行动局部的研究现状1.2.1 履带行动局部介绍履带行动局部由主动轮、履带、负重轮、诱导轮、履带张紧装置、托带轮（或托边轮）、张紧轮及诱导轮补偿张紧机构等部件组成。履带为负重轮提供一条连续滚动的轨道（支撑面），负重轮与车体之间有弹性、阻尼元件，以减轻车辆运动过程中的振动。诱导轮上
4、还配置液压张紧装置，以调整履带的张紧程度，保证履带链环在行驶过程中的稳定性。车辆利用履带行驶装置支撑车体的重量，将传动装置传来的扭矩通过履带与地面的相互作用转变为牵引力，实现车辆运动，提高车辆的通行能力，是履带车辆组成中的关键系统之一。因为履带可以作为车辆的自携道路，便于车辆通过承载能力较差的地面，并且较大的牵引力，使履带车辆具有较强的越野通过性，能够在轮式车辆所不能通过使用的无路,深雪及沼泽地带行驶，是一种较为万能的行驶工具。现代履带车辆，特别是高速履带车辆的开展对机动性要求不断提高，机动性系统的设计立足于特定的车辆性能要求和规定的全地形使用能力。地面战斗车辆能否完成其作战使命，直接取决于在
5、行进间车辆系统克服各种地形和车辆实施准确射击的能力，由于对车辆性能和生存能力的特殊要求，使得军用履带车辆的机动性问题进一步复杂化。然而，履带行动系统到目前为止仍然很不完善，特殊工况条件下其机械效率远远低于轮式行动系统；工作可靠性较轮式差，但其履带系统的复杂程度和造价却较高。实际工作中，履带与各轮之间的啮合情况非常复杂，振动噪声大，甚至出现履带与主动轮间脱离的严重故障，这一故障的出现将直接导致车辆机动失效，大幅降低履带车辆在战场上的生存能力和对于多变工况的续航能力，后果不堪设想。1.3国内外研究现状近年来，随着对履带车辆相关根底理论的开展和完善，人们对履带车辆的认识逐步深化。首先,由于地面力学的
6、不断开展，使得履带车辆的履带和地面之间的作用关系日益为人所知；其次，微机技术高速开展以及各类数值算法在微机以各种程序的形式实现，使得很多描述高速履带车辆动力学性能的大量方程得以求解；最后，多体系统动力学(MUlti-bodySystemDynamiCS)的进步为解决履带车辆自身复杂问题提供了另一条道路。运用多体系统动力学的方法，可以把高速履带车辆的零部件看作刚体(rigidbody)或柔体(flexiblebody),然后将各个部件通过运动约束装配起来，求解约束方程和动力学方程就可以获得履带车辆的动力学性能。根据研究对象、目的不同，可以建立不同的履带车辆模型并利用仿真工具评价履带式车辆的性能。
7、1994年，DhirA和SankarS建立了一个二维3+N(N为负重轮个数)个自由度的履带车辆模型。车体垂直位移和俯仰角以及独立的结构，弹簧、阻尼为线性或非线性，假定履带为无质量但有张力的连续带子，假定地面不变形，负重轮与履带板的接触模化为连续径向弹簧阻尼结构。Assanis等提出了机动车辆系统的联合仿真,在他们的系统中，利用DADS仿真软件包开发了Ml式坦克的车辆结构模型。TranDangThai对刚性悬挂的履带式车辆在软地面上的转弯问题进行了数值分析计算出此情况下履带的下沉量、滑转率以及转弯半径约为实际测量值的15%,因此有较高的可信度。PaUlAyerS分析不同军用车辆在不同转弯半径下车
8、辙的分布情况【。J.GHetherington通过试验研究坦克重量与坦克牵引力以及对地附着力的影响“3LZSLiu等运用ADMAS建立履带车辆多刚体模型I，进行多体动力学分析，并且对车辆主体进行振动分析。吴运耕讨论履带转弯的运动学绝对回转瞬心点和相对回转瞬心点的问题，指出相对回转瞬心点的概念是履带能够转弯的力学根底。袁芬利用多体动力学软RecurDyn建立了履带车辆模型I，根据诱导轮、诱导轮曲臂及张紧装置的结构，分析它们的受力，建立诱导轮及曲臂的动力学方程，得到了诱导轮周围张紧力的计算公式，并建立了张紧装置液压和张紧力间的函数关系，为研究张紧力提供理论支持。张涛等在分析履带车辆行走系统工作原理
9、的根底上，考虑履带车辆的重要结构，针对履带车辆在高速行驶过程中出现的脱轮问题，建立了行动系统的数学模型，并且着重分析了第一负重轮y方向位移与行走系统结构参数以及地面鼓励的关系，针对高速履带车辆进行其行走系统的计算机仿真，并比照分析仿真结果。韩宝坤等人对履带车辆仿真中常见的两类履带模型一柔性履带模型和刚性履带模型的模型机理进行了分析,，并分别将两类履带模型应用到履带车辆的平稳性模型中，通过仿真比拟两类模型的差异，此文对于本文中刚柔混合模型建立有一定的指导意义。1.4论文研究主要内容(1)履带车辆履带装置数学模型建立在本章中着重研究履带装置简化条件下，对各部件进行力学分析，建立各局部履带板张紧力的
10、数学表达式。(2)负重轮与地面作用机理研究考虑地面鼓励以及路面不平度，分析研究负重轮在行驶过程中与地面之间的作用力，并建立数学模型。(3)履带车辆多体动力学模型模型建立应用Pro/e软件对履带车辆进行了三维立体建模；将车身框架及悬挂系统模型上以stp格式通过parasolid接口导入到RecurDyn软件中，在Track(HM)子系统中建立主动轮、负重轮、托带轮以及履带环系统模型。（4）仿真分析与数值模型比照运用多体动力学软件ReCUrdyn进行整车多路况、多行驶方式的整车仿真，并将仿真结果与数学模型计算结果进行比照，验证本文提出的算法的合理性。本为为以后履带张紧力的控制提供可行性算法理论。2
11、履带车辆履带装置数学模型的建立对于履带装置受力分析一直都是履带车辆研究的重点。不同时期所应用的方法有所不同。1999年，Assanis提出了机动车辆系统的联合仿真.等人综合起来考虑了计算效率和计算精度的因素附，建立了混合履带模型，建立的模型中履带环被假设为一条柔性的连续的带子，这种假设大大降低了履带环的自由度数量，由此可大大提高计算效率。1999年，某实验室通过试验比照验证柔性履带模型有利于提高履带链环的低阶振动的仿真精度，并且提高计算效率。Galaitsis首先将履带模化为履带板刚性连接而成的履带环，运用多体系统动力学理论精确计算履带销与驱动轮等行动装置的作用力。履带式车辆的履带移动机构由闭
12、合的履带、诱导轮、主动轮及负重轮和托带轮组成，而履带环的形状取决于各轮间的相互位置。将履带环简化为带式履带环，如图3.1所示，其各支段引用以下名称12叫自由支段一自由悬置于两轮之间的局部履带；弧形支段一位于各轮上的一局部履带；支持支段一支持在地面上的局部履带；工作支段一被牵引力拉紧的自由支段称作工作支段；其中，上部自由支段和弧形支段称为上支履带，前部倾斜支段，支持支段和工作支段统称为下支履带。图3.1履带环简图2.1. 单侧履带整体动力学分析文中所研究的履带车辆主动轮前置，每侧履带系统由83块履带板，5个负重轮，3个托带轮，主动轮、诱导轮以及张紧装置组成。图1为单侧履带系统受力分析，车辆行驶方
13、向水平向左，在分析时，忽略托带轮的受力，着重分析5个负重轮和诱导轮。图履带整体受力分析由于行驶过程惯性力及力矩的量级远小于各轮周围张紧力，其对于整体的影响小于1%，因此将惯性力的影响忽略不计。如图1所示,Tsl和Ts2是主动轮上、下支履带的张紧力,MS为主动轮转矩，其关系如下：4=Q+M式中：建一主动轮半径，mo文中所研究的履带车辆主动轮前置，忽略主动轮和诱导轮之间的履带板自身质量和行驶过程中履带的振动以及托带轮的影响，可将主动轮与诱导轮周围的履带连接看成平滑的带连接，因此主动轮上支履带的张紧力Tsl与诱导轮上支履带张紧力Til可以看成近似相等；主动轮下支履带张紧力Ts2与第1负重轮左侧履带张
14、紧力TWl相等，诱导轮下支履带张紧力Til与第6负重轮右侧履带张紧力Tw6近似相等,即为：TSl七Til(2)Ti2=Tw6Ts2Tvl(4)22负重轮动力学模型负重轮的功用是，支撑车辆车体在履带接地端上滚动；并将车辆的重力均匀的分配在整个履带接地端上。负重轮由轮毂、螺栓、轮盘等组成，图1所示负重轮装置包括负重轮以及负重轮曲臂。文中研究履带车辆在第3、4负重轮处采用高强度扭杆弹簧悬挂，而在第1、2、5轮处采用“扭杆+液压减震器”的复合悬挂形式。由于该悬挂系统具有双向渐升特性，且要求扭杆弹簧具有较高的材料性能。对于负重轮的研究，由于5个负重轮曲臂具有相同的力学性质，因此先对负重轮曲臂进行动力学分
15、析，列出其动力学方程；对于负重轮来说，由于不同位置的负重轮受力情况不同，因此将5个负重轮分为三种情况，第1负重轮由于其左侧履带与地面具有一定角度，所以列为第一类情况；中间2、3、4履带受力情况相同，列为第二类情况；最后第5负重轮右侧履带与地面有夹角，将其列为第三类情况。负重轮曲臂动力学模型负重轮曲臂主要受到车体通过旋转副给它的反力和力矩，以及负重轮通过旋转副给它的反力，由于忽略曲臂质量过小，所以忽略曲臂质量的影响。如图O所示，曲臂绕P点的运动方程为：M*+凡./Msinwai-RwyiIwaicoswai=O1i=1,2,3,4,5)式子中：MWai一负重轮曲臂绕P点产生的转矩，N*m.RWX
16、i一负重轮对曲臂X方向支反力，NoRWyi一负重轮对曲臂y方向支反力，N0Owai一曲臂与水平夹角。1.Wai一曲臂绕车体旋转中心与负重轮旋转中心间距离，m。负重轮动力学模型车辆运动过程中，负重轮既在履带上进行滚动，又绕着曲臂上下摆动，任意时刻负重轮都会与一个履带板接触，负重轮和与其接触的履带板瞬时相对静止，因此可以将负重轮和与其接触的履带板看成一体，而由于履带板质量过小，所以重力忽略不计。第1负重轮动力学模型如下图，负重轮受到曲臂通过旋转副给它的反力以及自身重力，与其接触的履带板受地面对其的法向作用力Nji、两侧履带板给它的张紧力Twl、Tw2以及牵引力力，忽略负重轮相对车体加速度，可以列出
17、动力学平衡方程：加“%=&cos%+%-4一凡Mmwyw=G,+RWyl-&SinQLMl&念，1=rW(&一&一弓1)(8)式中：mw一负重轮质量，kgoXwl一第1负重轮X方向上加速度，m2SoYwl-第1负重轮y方向加速度，m2s.wl第1负重轮左侧履带与水平面夹角Fjl-第1负重轮所受牵引力，NoRWXl一曲臂对于第1负重轮X方向作用力，NRWyl一曲臂对于第1负重轮y方向作用力，NIwl-第1负重轮转动惯量将方程6、7、8与方程5联立，可以求出地面对于负重轮的法向作用力：第2、3、4负重轮的动力学模型中间三个负重轮受力类似于第1负重轮，只是其两侧履带沿水平方向无夹角，受力如以下图4所
18、示。负重轮受到曲臂通过旋转副给它的反力、负重轮重力，与其接触的履带板受到其两侧履带板给的张紧力Twi、Tw,i+,地面对其法向作用力Nji以及牵引力耳，动力学方程如下：肛，M=Ki-(i)FjLRwxi(9)/%=Gvv+&*.-N),(WIWidi=rw(Twa+)-Twi-Fji)(i=2-4)(11)式中：mw负重轮质量，kgOXwi-第i负重轮x方向上加速度，m2sYwi第i负重轮y方向加速度，m2s.Fji第i负重轮所受牵引力，NoRWXi一曲臂对于第i负重轮X方向作用力，NRWyi一曲臂对于第i负重轮y方向作用力，NIwi-第i负重轮转动惯量Wwi-第i负重轮角加速度同样将方程9,
19、10,11与方程5联立可以得到地面对负重轮的法向作用力（地面与负重轮间的接触力）：第5负重轮的动力学模型如图5所示，负重轮受到曲臂通过旋转副给它的反力、自身重力，与其接触的履带板受到两侧履带给的张紧力TW5、Tw6,地面对其法向作用力Nj5以及牵引力Fj5,动力学方程如下:*W，5=&-，6COS呢5+Fj5-Rwx5（SJy5=Gwa+Rwy5Tw6sinw5-Nji（13）AA6=rw（Tw5-&一玛5）（14）式中：mw一负重轮质量，kgoXw5一第5负重轮X方向上加速度，m2s0Yw5一第5负重轮y方向加速度，m2s.w5一第5负重轮右侧履带与水平面夹角Fj5一第5负重轮所受牵引力，N
20、oRWX5一曲臂对于第5负重轮X方向作用力，NRWy5一曲臂对于第5负重轮y方向作用力，NIw5一第5负重轮转动惯量Wwi第i负重轮角加速度将方程14/5/6与方程5联立，得：23诱导轮周围张紧力的计算履带行走机构具有牵引力大、接地比压低、爬坡能力强、转弯半径小等特点,在军用车辆、工程机械等领域得到广泛的应用。履带张紧装置在履带车辆的行驶过程中起着非常重要的作用，它及时调整履带系统张紧力，时刻保证履带环的稳定性，防止因振动冲击作用过大而发生脱轮故障等。诱导轮的功能是用来支撑上支履带段和改变上支履带段的运动方向。诱导轮通常安装在履带张紧机构的曲臂轴上，靠张紧机构移动诱导轮来张紧和调节履带的松紧程
21、度。按照诱导轮轴的移动轨迹形式四】，张紧装置分为曲臂轴型和直线型两种。在军用履带式车辆上用的最多的是曲臂轴型张紧装置，利用液压张紧缓冲机构来实现运动过程中对张紧力整，因为其结构比拟简单，调整方便、省力，所以得到广泛应用。诱导轮受到张紧装置和诱导轮曲臂支撑，结构如下图，曲臂上端通与车体较接于P。点,诱导轮与曲臂较接于PI点，张紧装置一端与车体较接于P3点，另一端与P2点连接。调整张紧力的过程是：张紧装置液压增加时，推动曲臂绕着Po点逆时针旋转，带动诱导轮旋转中心P绕着PO向右上方移动，即为带动诱导轮后移，履带被拉伸，张紧力增加；反之，液压减小时，曲臂反向旋转，诱导轮前移，张紧力减小。影响诱导轮周
22、围履带张紧力大小的主要因素：张紧装置对曲臂作用力、诱导轮两侧履带角度的变化、曲臂的角度变化以及诱导轮运动等。诱导轮力学模型图示由于诱导轮周围履带板质量很小，在此忽略履带板质量影响。诱导轮上支履带受张紧力Th,其与水平方向夹角01：下支履带受张紧力Ti2,其与竖直方向夹角为02。FCe为诱导轮周围履带旋转的离心合力，与水平夹角Oce,旋转副P对诱导轮的作用力为RiX和Riy,诱导轮重力为Gi,Ii为诱导轮转动惯量，半径为mmixi=Ticos+Ti2cos2-Rix-Fcecosce(miyi=Gi-Riy+Tixsinx-Fcesince-Ti2sin(Iij=ri(Ti2-Tii)(17)式
23、中：mi诱导轮质量，kgoXi诱导轮X方向上加速度，m2sYi诱导轮y方向加速度，m2s.0i一诱导轮曲臂与竖直方向夹角RiX一曲臂对诱导轮X方向作用力，NRiy一曲臂对于诱导轮y方向作用力，NGi-诱导轮重力，Nli一诱导轮转动惯量i诱导轮角加速度2.3.2 诱导轮离心力产生的张力履带等速卷绕时，在弧形段产生的离心力，离心力在履带中引起张力。为了简化运算,假设履带为均质软带,贴于各轮上的弧形段的半径为常数。任取一弧形段AB,其包角为。作用于此段微量dl上的离心力微量为：图诱导轮弧形段上的离心力VzdF.e=-dlgY式中r一履带弧形段半径；d/对应于圆心角d之微量弧长。又dl=yd0将19带
24、入18得：(18)(19)Yg作用于AB弧形段上的离心力的合力，为dFce在包角分角线上投影的积分七=2/cosd=2v2sin与J女女2(21)y其中K=3,P=-O带入21得到：Fce=2priiYsmce，+色ce42(22)(23)诱导轮与其附近托带轮以及负重轮的几何关系如下图，通过几何位置分析,的计算关系式：.tan(-zcs+5L+sinq(24)%=tan(A=ta心2左7)fy3bAy2Tbwa111uwa2.3.3 诱导轮曲臂力学模型:曲臂主要受到诱导轮通过较接对它的反力和力矩，以及诱导轮张紧装置对它的力，如以下图所示，曲臂绕着PO点的运动方程为：IkM=FnCOStl2-R
25、Jlcosi-RiRsini-GJosini(26)(27)l2+l2-l2l=asC243)224式中：lia一诱导轮曲臂转动惯量3ia诱导轮角加速度Rix-诱导轮对诱导轮曲臂X方向支反力，NRiy一诱导轮对诱导轮曲臂y方向支反力，NFtt一张紧装置对曲臂作用力，NOt一装置装置与水平方向夹角*)一曲臂旋转中心Po到曲臂质心距离，m/1一曲臂旋转中心Po到诱导轮中心PI距离，m/2一曲臂旋转中心Po到张紧装置作用点P2距离，m/3一张紧装置旋转中心R到张紧装置作用点P2距离，mZ4一张紧装置旋转中心R到曲臂旋转中心PO距离，m将方程15,16,17与方程26联立，得到诱导轮周围张紧力T”的计
26、算公式:T_FttI2cosa+FCellcos(%-g)+mixilicosi-(Gi-miyi)llsini-GiaI0siniqsin4他，织cos+即彳/Jcos(6-q)+cos(2+i)将0I、口和0c,带入式子28中得到:。+/：2.产工仇一仇、兀AFU2；+2。例)SIn(I+4COS(I.)Til二+mjxillcosi-(G,-miyi)lxsini-GiJoSini-(29)G一IiA一弛心出/Jcos(64)+cos(02+l)将式子28带入到式子17得到：TliFHLcosl+Fcelxcos(204)+mixilcosi-(Gi-miyi)llsiniln+-=ri
27、/cz)/闻cos(2+q)(30)-Gi(IlOSlntfi-IiQga*/cos(a4)+COS(%+4)1将0I、Fs和0C,带入式子28中得到：lFU-2；+2两例)sn(-+COS(I斗)i2=-+号+町必cosi-(Gj-miyi)lxsini-GMoSing-(？1c7八IiJICoS(仇+9)GjOsm-Iiad)iu-2-11cos(1-i)-cos(2+4)分别将29、31带入式子2、3得到Tsi、Tw6.将式子29带入式子1,2得到：+Io/2八TinI2=Twl=MxZrs-F”一L+2p(rii)sn(-+-Ly2)4CoS(W+-LY2-Oi)(32)+w.f.1c
28、osd一(GiTniyi)IlsinO1-GiaI0sin-r/dnnW,COS(x式中：一一为自变量，可以是时间和时间的任一函数；X。为自变量的Step函数开始值；ho为Step函数的初始值；X/为自变量的Step函数结束值；hi为Step函数的最终值。其中，xo,ho,x,h,四个变量可以是常数、函数表达式或设计变量。例如，函数Step(time,0,l,l,6)的曲线如图3.10所示。图3.9Step阶跃函数加载曲线图3.10Step函数曲线其中，当time=l时，函数值为1；timel时，函数值为6；OVtime1时，函数值按照STEP(Time)=l+(6l)(time)2(32ti
29、me)取值。3.3悬挂系统的简化处理3.3.1悬挂的阻尼特性履带车辆的悬挂系统和部件必须适应越野战斗车辆的特点，性能上满足高速越野行驶车辆的要求，具备结构上紧凑、防护性等优势。利用软件建立的悬挂系统模型，可以方便的修改车辆模型的各种结构参数和影响因素，例如改变悬挂形式、负重轮、履带板、地面等各种接触单元。多体动力学仿真分析软件RecurDyn中提供了多种柔性连接力，相对于各种理想的钱接而言，柔性连接考虑了变形的因素，是非刚性的约束。两个元件间的弹力、粘滞阻尼力、制动力以及预载荷是由弹性阻尼产生的，主要是通过弹簧刚度和阻尼来控制，可以表示线性弹簧，亦可以表达非线性弹簧，如图3.11所示的为Rec
30、urDyn的平移弹簧阻尼(TSDA)及扭转弹簧阻尼(RSDA)。图3.11弹性阻尼彳二嘉=W(3.8)七尸本KX.r(3-9)式中：K(SpringCoefficient)刚度系数；Kt(SpringSpline)刚度曲线；C(DampingCoefficient)阻尼系数；Ct(DampingSpline)阻尼曲线。弹簧刚度和阻尼系数可以是常数，也可以是样条曲线，当弹簧刚度和阻尼系数是常数时，可以通过刚度系数和阻尼指数来定义非线性弹簧，通过样条曲线来表达的弹簧，拉伸产生负力，压缩产生正力，弹簧力样条曲线如图3.12所示。图3.12弹簧力样条曲线3.3.2扭杆局部简化模型文中研究的车辆采用的悬挂行驶为独立悬挂，配置在负重轮与车体之间，在第3、4负重轮处采用高强度扭杆弹簧悬挂，而在第
