油气悬挂式履带车辆高速转向动力学仿真-.pdf

第 1 2卷第 3期 2 0 1 4年 6月 中国工程机械学报 CHI NE S E J OUR NAL OF CONS TRUCTI ON MACHI NE RY V0 1 ． 1 2 No ． 3 J u n ．2 0 1 4 油气悬挂式履带车辆高速转 向动力学仿真 马 星 国 ， 余 昊 ， 尤 小 梅 ， 叶 明 ， 龚 雪莲 1 ． 沈阳理工大学 机械工程学院 ， 辽宁 沈 阳 1 1 0 1 5 ％ 2 ． 北 京北方 车辆集 团有 限公 司， 北京 1 0 0 0 7 2 摘要 采用多体动力学仿真软件 R e c u r d y n建立油气悬挂式履带车辆多体动力学模型， 重点对履带车辆在两种软 地面上的高速转向过程进行了动力学仿真和对比分析 ， 讨论了履带车辆在软地面高速转向的动力学特性． 研究 结果表明 履带车辆在软地面高速转向稳定性差， 在干沙路面转向半径比黏土路面大， 干沙路面的剪切阻力角比 黏土路面大 ， 造成履带受到相对更大的侧向加速度， 使得履带车辆更易发生侧翻现象； 转向行驶时履带张紧力变 化 明显 ， 主动轮所需扭矩 较大 ， 容易发生脱轮 的状 况． 关键词 履带车辆；油气悬挂； 转向； 多体动力学 ； 仿真 中图分类号 T J 8 1 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 4 0 3 0 2 2 9 0 4 1 r 、 ● 1 ● 1 ●● 1 ● ■ ● J 一 ， ynam i c al S l m Ul at l on 0n n1 gn- s pe e d s t e er i ng f or oi l -- g as -- s us p e nde d t ac ke d v e hi c l e s MA Xi ng - g uo ， y 【 ， Ha o ， Y OU Xi a o - m e i ， Y E Mi n g ， GO NG Xue l i a n 1 ． S h e n y a n g Li g o n g Un i v e r s i t y， S h e ny a n g 1 1 01 5 9， C hina ； 2 ． B e i j i n g N o r t h V e h i c l e Gr o u p C o r p o r a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t By e s t a b l i s h i n g t h e mu l t i b o d y d y n a mi c a l mo d e l o n o i l g a s s u s p e n d e d t a c k e d v e h i c l e s v i a t h e s i mu l a t i o n s o f t wa r e ， i ． e ． Re c u r d y n T M， t h e d y n a mi c a l s i mu l a t i o n s o n h i g h s p e e d s t e e r i n g a r e f i r s t a n a l y z e d a n d c o mp a r e d o n t wo s o f t g r o u n d s ． Th e n， r e l e v a n t d y n a mi c a l p r o p e r t i e s a r e i n v e s t i g a t e d ． Fi n a l l y ， i t i s f o u n d f r o m r e s u l t s t h a t t h e h i g h s p e e d s t e e r i n g s t a b i l i t y i s l o w． Ac c o r d i n g l y， t h e s t e e r i n g r a d i u s a n d s h e a r i n g r e s i s t a n c e a n g l e o n c l a y g r o u n d， wh i c h a r e r e s p e c t i v e l y h i g h e r t h a n t h o s e o n d r y s a n d g r o u n d， p r o d u c e r e l a t i v e l y h i g h e r l a t e r a l a c c e l e r a t i o n f o r t r a c k e d v e h i c l e t u r n o v e r ． I n a d d i t i o n， t h e s i g n i f i c a n t c r a wl e r t e n s i o n v a r i a t i o n． t o g e t h e r wi t h h i g h e r d r i v e wh e e l t o r q u e 。 r e s u l t s i n wh e e l b r o k e n ． Ke y wo r d s t r a c k e r v e h i c l e；o i l - g a s s u s p e n s i o n；s t e e r i n g；mu l t i b o d y d y n a mi c s ；s i mu l a t i o n 履带车辆作为一种自铺路面车辆， 其行驶环境 复杂多变 ， 而转向性能是衡量履带车辆 的重要性能 指标． 近年来地 面力 学与多体 动力 学快速发展 ， 为 履带车辆的转向性研究提供了有力支持 ， R e c u r d y n 还开 发 了专 门 用 于 履 带 车 辆 设 计 的 履 带 工 具 包[ 卜 ． 本文以 R e c u r d y n／Tr a c k H M作为仿 真 分析平 台， 结合履带车辆模型与地面模型 ， 对履带 车辆的转向性能进行仿真分析． 由于履 带 车 辆 及 地 面 的 复 杂性 ， 关 于 履 带 车辆在低 频大起 伏 软性路 面 的转 向性 能研 究 较 少 ． 本文 在建立 具 有 油 气悬 挂 系统 的新 型 高 速 履带车 辆模 型及两 种软性 低频 大起伏 路 面模 型 的基础上， 仿真分析 了车辆在复杂软性路面转 向时 的动力 学 特性 ， 其 研 究 结果 为提 高 高 速 履 带车辆 在复 杂工况 下 的转 向性 能提供 了理论 与 技术支 持 ． 1 履带车辆多体动力学模型建模 利用 R e c u r d y n软件 的履带工具包 R e c u r d y n／ T r a c k H M 自带 的主动轮、 负重轮 、 诱 导轮、 托带 轮、 高速履带等各种履带行驶系统部件 ， 实现 对履 带车辆行动部分快速准确的建模 ． 同时 ， 利用 软件 提供 的 G r o u n d模块建立路面模型． 作者简介 马星国 1 9 6 3 一 ， 男， 博士生， 教授． E - m a i l m a x i n g g u o 1 2 3 4 q q ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 2卷 1 ． 1 油气悬挂 系统建模 本文研究的履带车辆单侧为 6个负重轮， 每个 负重轮和车体之间为独立的油气悬挂 系统 ， 该悬挂 系统 由油气弹簧、 平衡肘及液压缓冲器共 同组成 ． 车辆行驶时 ， 平衡肘 由负重轮带动产生相对转动 ， 压缩油气弹簧以吸收负重轮造成的冲击力． 当冲击 较大时 ， 平衡轴撞击液压缓冲器 ， 液压缓 冲器 工作 吸收冲击力． 悬挂系统的仿真模型如图 1 所示． 冲 器 图 1 油气悬挂 系统 Fi g ． 1 Hy d r o - p e n u ma t i c s u s p e n s i o n s y s t e m 油气弹簧的阻尼曲线如图 2 所示， 油气弹簧的刚 度曲线如图 3 所示 ， 液压缓冲器阻尼曲线如图4所示． 仿真时， 分别将油气弹簧的刚度特性和阻尼特性 及液压缓冲器的阻尼特陛加载到图 1 所示的模型中． 委 ＼ 淑 最 委 ＼ 爱 淑 戬 踊 委 ＼ 爱 掘 戬 船 是 图 4缓冲器阻尼 曲线 Fi g． 4 Buf f e r d a mpi ng c u r v e 1 ． 2 行动系统建模及整车组装 采用 P r o ／ E建立车体底盘 的几何模 型并 导人 到 R e c u r d y n中， 采用 R e c u r d y n仿真软件提供 的履 带工具包 R e c u r d y n ／ Tr a c k H M建立履带系统模 型． 履带车辆包含 2个履带子系统 ， 其 中每个 履带 子系统包括 了 1个 主动轮、 1个诱 导轮、 3个 托带 轮、 6个负重轮以及 9 0块履带板 ． 建模 中要确定各 个部件的几何参数 、 性能参数、 安装位置等 ， 最后完 成履带车辆的整体组装 ． 履带车辆模型采用前置驱 动方式 ， 整体履带车辆模型如图 5所示 ． 图 5 履带车辆动力学模型 Fi g． 5 Tr a c k e d v e hi c l e d y n a mi c s mo d e l 图2悬 挂 阻 尼 曲 线 2 路面模型以及车辆． 地面力学关系 Fi g． 2 S us pe ns i o n d amp i n g c u r v e 图 3 油气弹簧刚度曲线 Fi g ． 3 Oi l s p r i n g s t i f f n e s s c u r v e 6 2 ． 1 路面几何模型 仿真路面的几何模型是根据实测低 频大起伏 路面建立的． 根据实测的 水平 方 向与 Y 竖直 方向的数值建立地面几何模型． 路面全长约 4 8 0 m， 共 3 2 5 0个数据点 ， 表 1 所示为部分路面几何参数． 2 ． 2 路面力学特性 软性地面模型认 为土壤具有“ 记忆” 功能 ， 即考 虑加载历史 ． 每一履 带板与地面之 间都有一 广义 力 ， 并 由一用户子程序完成该广义力 的计算 ． 其 中 方向力表示履带板与地面之间的垂 向力 ， 另两个 水平方向的力表示履 带板 与路面之 间 的剪 切 摩 擦 力 ． 履带车辆对地面 的正压力是基于美 国学者 O O 0 0 0 0 O O 0 0 O { 寻掩 璩 M ￡ j m 8 6 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 马星 国， 等 油气悬挂式履带车辆高速转向动力学仿真 2 3 1 表 1 部分低频大起伏路面几何参数 T a b． 1 Pa r t o f t he l o w f r e q u e n c y a n d l a r g e u n d u l a t i n g r o a d g e o me t r y ． 彗 桩号路面高程／ n l m 桩号路面高程 ／ mm 々 ，r。 了 1 0 5 8 7 0 ． 9 0 0 6 2 2 0． 1 5 6 7 8 0 ． 1 0 5 6 2 3 0． 3 0 7 0 9 0 ． 1 2 0 6 3 4 0． 45 6 9 1 0 0 ． 1 3 5 5 9 5 0． 6 0 6 5 1 1 O ． 1 5 0 5 2 6 0． 75 6 5 1 2 O ． 1 6 5 5 1 贝克提 出的压力。 沉陷关系式[ 3 ] ， 即 ／ 、 P 半 ” 1 ＼U ／ 式 中 P为接地压力 ； ， 为土壤 内聚和摩擦 变 形模量 ； b为履带板 的宽度 ； 为变形深度 ； 为土 壤变形指数 ． 其 中 ， ， 这 3个参数 的值是 经 试验测试出来的． 从实验结果来 看 ， 在压力． 沉 陷关 系理论 中的 卸载与重复加载过程可以近似看作一个线性函 数 ， 即 F Y F 一 Y 一 Y 2 式中 F为加载或卸载时的压力； F 为 卸载开始时 的压力； 七 为加载一 卸载线 的平均斜 度 ；Y 为卸载 开始时的沉陷量 ； Y为加载或卸载时的沉陷量． 履带与地面水平力 的计算也是基 于贝克理论 的 ， 履带在接触 的地面上产生剪切作用 ， 剪切力一 位 移的关系式有 r J ， CP t a n q 1一e J ／ 3 式中 r为剪切力 ； J为剪切位移 ； C为地形 的内部 剪切凝聚力 ； 为地形 内部剪切 阻力角 ； 为剪切 变形模数． R e c u r d y n软件提供 了几种典型路面 的参数． 路 面由矩形单元构成， 每块单元可 以记住最大沉 陷量、 最大压力、 剪应力 、 切应力等． 对于不同类型的地面， 履带与地面问力 的计算也有所不 同， 本 文所选路面 是干沙路面和黏土路面， 它们都属于软性地面[ 4 ] ． 履带板与地面之间 的压力是通过履带齿 片与 软地面之间的作用产生剪切力来实现的． 本文仿真 采用的是干沙路面和黏土路面， 其路面特征参数如 表 2所示 ． 3 仿真算例与结果分析 对履带车辆在低频大起伏路 面行 驶进行仿真 时 ， 在模型主动轮上施加驱动 Mo t i o n ， 通过 S T E P 表 2 干沙、 黏土路面特征参数值 T a b． 2 Dr y s a nd， c l a y s ur f a c e c h a r a c t e r i s t i c pa r am e t e r va l ues 阶跃 函数 进 行 加 载[ 5 ] ． 左 主 动 轮 S T E P函数 为 S T E P TI ME， 3 ， 0 ， 6 ， 1 8 ． 6 7 ； 右主动轮 S T E P函数 为 S T E P TI ME， 3 ， 0 ， 6 ， 1 8 ． 6 7 S T E P T I ME， l 5 ， 0， 1 8， 一1 4 ． 采用 S T E P函数加载实现车辆运动． 前 3 S内， 车速为 0 k m h ～， 车辆在距离地 面一定高度 自由 落下 ， 在油气悬挂系统 的作用下迅速吸振 ， 车身运 动趋于平稳． 3 ～6 S内车辆开始加速 ， 由 0 k m h 加速到 2 0 k m h ～． 之后左侧履带保持速度不变， 右侧履带在 1 5 ～1 8 s内速度 从 2 0 k m h 减到 一 1 8 k m h ～， 车辆开始 向行驶的右侧方向转向． 两种工况的仿 真得 到车体 转 向时的横摆位移 和侧 向加速度 ， 两种路面下两侧履带 的张紧力 以及 外侧主动轮扭矩 ， 分别如图 6 1 0所示． 6 8 0 0 5 1 0 0 岂 g 34 0 0 1 7 0 0 0 图6 车体转向时的横摆位移 Fi g ． 6 Ya w d i s p l a c e m e n t o f t h e v e hi c l e s t e e r i n g 0 6 1 2 1 8 2 4 3 O 时间 ／ S 图 7 车体转向时侧向加速度 Fi g ． 7 La t e r a l a c c e l e r a t i o n wh e n t he v e h i c l e s t ee r i n g 从 图 6 ， 7可知 ， 不同的土壤有不 同的滑转率 ， 以及左右履带不 同的滑转与滑移 ， 造成履带车辆在 黏土路面转 向时横摆位移 的绝对值小于在干沙路 O O O O O 锄 蚴 4 2 2 4 s ．暑 u ＼ 曩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 2卷 面行驶的横摆位移 ， 即履带车辆在黏土路面的转 向 半径小于在干沙路面的转 向半径 ． 同时与黏土路面 相比， 干沙路面具有较大的剪 切阻力 角， 这样履带 车辆在干沙路 面转向时的侧 向加速度大于履带车 辆在黏土路面转 向时的侧 向加速度 ， 所 以， 履带车 辆在干沙路面的行驶稳定性要差 ， 高速转 向时易发 生履带脱轮， 甚至车辆侧翻． 21 0 堇 荛 8 4 4 2 O 6 l 2 1 8 2 4 3 O 时间 ／ s 图 8 干沙路面两侧履 带张紧力 Fi g ． 8 Bo t h s i d e s o f t h e r o a d s u r f a c e d r y s a n d t r a c k t e ns i o n i n g f o r c e 1 4 0 Z 1 1 2 8 4 -R 邕}5 6 2 8 内侧 转 向时， 干沙路 面的横 向阻力 系数大于黏 土路 面， 所 以对车辆产生 的横 向阻力和阻力矩 比黏土路面 大 ， 外侧主动轮需要克服更大的阻扭矩 ． 所 以， 履带 车辆在干沙路面高速转 向比在黏土路面更容易发 生履带脱轮现象 ． 4结论 1 利 用 基 于 R e c u r d y n 的 履 带 工 具 包 R e c u r d y n／Tr a c k H M 可以快速、 准确地 建立履 带车辆动力学模 型， 并在 R e c u r d y n中对不 同路面 进行动力学仿真 ． 2 和在黏土路面转向行驶相比， 履带车辆在于 沙路面转向行驶平稳性更差， 需要更大的转弯半径， 侧 向稳定性也较差， 极限隋况有发生侧翻的可能． 3 和在黏土路面转 向行驶相 比， 履 带车辆在 于沙路面转 向时张 紧力变化更 明显 ， 波 动幅值更 大． 车辆在黏土和干沙路 面转 向时， 外侧履带 的张 紧力波动响应时间长 ， 外侧主动轮也需要更大的扭 矩 ， 这使得外侧履带也更容易发生脱轮现象 ． 参考文献 U 6 1 2 1 8 2 4 30 时间 ／ s L i ] 图 9 黏土路面两侧履带张紧力 F i g ． 9 C I a y s u r f a c e t e n s i o n o n b o t h s i d e s o ft h e t r a c k [ 2 ] 从图 8 ， 9可知 ， 在软地面转 向时履带张紧力变 化复杂 ， 外侧履带张紧力 的变化 比较规律 ， 但 波动 较大 ， 内侧履带张紧力 的变化 比较平缓． 车辆在 干 沙路面行驶时的履带张紧力 的波动幅值 比在 黏土 地面行驶时更 大． 图 1 0为履带车辆在两种路 面行 驶时外侧主动轮的扭矩变化对 比曲线 ． 从 图 1 0可 以看出 ， 履带车辆直线行驶时 曲线 区别不大 ， 而当 言0 主 一 2 0 邑 一 30 一 5 O 一6 0 0 6 1 2 1 8 2 4 30 时间 ／ s 图 1 0 两种路面外侧主动轮扭矩 Fi g． 1 0 Two d r i v i n g wh e e l t o r q u e p a v e me n t o u t s i d e [ 4 ] 王 书镇 ． 高速履带车 辆行驶 系[ M] ． 北 京 北京 工业 大学 出版 社 ， 1 9 8 6 ． W ANG S hu z h e n．Hig h s p e e d t r a c k e d v e h i c l e d r i v i n g s y s t e m [ M] ． B e ij i n g B e ij i n g I n d u s tr i a l U n i v e r s i t y P r e s s ， 1 9 8 6 ． 焦 晓娟 ． R e c u r d y n多体系统优 化仿真 技术 F M] ． 北 京 清华 大 学 出版社 ， 2 0 1 0 ． J I A 0 X i a o j u a n ． R e c u r d y n mu l t ib ody s y s t e m o p t i mi z a t i o n s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y F M] ． B e i j i n g Ts i n g h u a U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 01 0． B E KK E RM G． 地面． 车辆 系统 导论F M] ． 北 京 机械 工业 出版 社 ， 1 9 7 8． BEKKER M G． I n tro d u c t i o n t o t e r r a i n ． v e h i c l e s y s t e ms r M ]． B e i j i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 1 9 7 8 ． 戴瑜， 刘少军． 履带车多刚体建模 与仿真分析[ J ] ． 计算机仿 真 ， 2 0 0 9 ， 2 6 3 2 8 12 8 5 ． D AI Y u ， L I U S h a o j u n ． Mu l t i - r i g i d b o d y mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n a n a l y s i s f o r tra c k e d v e h i c l e E J ] ． C o mp u t e r S i mu l a t io n ， 2 0 0 9， 2 6 3 2 8 12 8 5． 董新建 ， 文桂林 ， 韩旭 ． 履带 车辆转 向动力仿 真 [ J ] ． 计算 机辅 助工程 ， 2 0 0 6 ， 1 5 9 2 7 72 8 0 ． D0 N G X i n j i a n ， Ⅵr E NG u i l i n ， H AN X u ． D y n a mi c s i mu l a t i o n o f tr a c k e d v e h i c l e t u r n i n g a t h ig h s pee d[ J ] ． C o mp u t e r Ai d e d En gi n e e r i n g， 2 0 0 6， 1 5 9 2 7 72 8 0． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m