徐國(guó)英，王 闖，姚新民，王 濤

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

高速履帶車(chē)輛不同位置扭力軸剛度變化規(guī)律研究

徐國(guó)英，王 闖，姚新民，王 濤

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072)

扭力軸是現(xiàn)代坦克最重要的彈性元件，其本身體積較小所處的工作環(huán)境也較為惡劣還要承受大量擾動(dòng)載荷，坦克達(dá)到一定行程后扭力軸剛度會(huì)發(fā)生變化，針對(duì)坦克不同位置扭力軸承受不同擾動(dòng)載荷，造成其剛度變化不同的問(wèn)題；通過(guò)測(cè)量?jī)煞N不同車(chē)型坦克的不同位置的扭力軸的剛度，探究坦克的不同位置的扭力軸的剛度變化規(guī)律；分析得出距離車(chē)體質(zhì)心距離越小扭力軸剛度變化越小，安裝減震器可以有效減少扭力軸剛度變化的結(jié)論。

懸掛裝置；扭力軸剛度；測(cè)試實(shí)驗(yàn)

扭力軸一般是安裝在車(chē)體與負(fù)重輪之間，一端固定在車(chē)體上，一端隨著負(fù)重輪的擺動(dòng)，然后通過(guò)自身沿軸心的旋轉(zhuǎn)變形來(lái)吸收負(fù)重輪擺動(dòng)能量，達(dá)到吸收坦克振動(dòng)的目的。扭力軸是現(xiàn)代坦克最主要的懸掛零件，但是由于其工作環(huán)境惡劣，需要承載大量的擾動(dòng)載荷，所以使用一段時(shí)間后容易發(fā)生斷裂，易造成故障[1-4]。

坦克行駛過(guò)程中，扭力軸受到大應(yīng)力交變載荷的作用，扭力軸常常發(fā)生斷裂現(xiàn)象，疲勞斷裂是其主要的失效形式[5-6]。坦克不用位置的扭力軸受到的擾動(dòng)載荷不同，其剛度變化不同，使用壽命也就不盡相同，研究不同位置扭力軸剛度變化規(guī)律，更加了解扭力軸斷裂的原因，對(duì)科學(xué)制定扭力軸更換時(shí)間有積極的意義[8-11]。

1 扭力軸剛度變化的影響

扭力軸主要通過(guò)吸收坦克的振源引起的振動(dòng)，達(dá)到保護(hù)坦克的部件以及避免乘員受到強(qiáng)烈振動(dòng)和沖擊[2-3]。扭力軸隨著坦克的行駛里程的增多，扭力軸不斷地發(fā)生扭轉(zhuǎn)，當(dāng)坦克行駛到一定里程的時(shí)候，扭力軸因?yàn)榕まD(zhuǎn)而發(fā)生蠕變、磨損，導(dǎo)致扭力軸的剛度會(huì)變小。同時(shí)扭力軸前期的扭轉(zhuǎn)變形在之后漸漸不能滿(mǎn)足要求，只能通過(guò)超負(fù)荷吸收儲(chǔ)存負(fù)重輪沖擊能量來(lái)緩解沖擊，這樣就加劇了扭力軸的疲勞損壞，使其剛度下降更快。

扭力軸剛度變化直接決定負(fù)重輪懸掛剛度進(jìn)而影響著車(chē)輛的舒適平穩(wěn)性和可靠耐久性[5-7]。

1.1 車(chē)輛舒適平穩(wěn)性指標(biāo)

車(chē)輛舒適性指標(biāo)一般用車(chē)輛垂直振動(dòng)和俯仰振動(dòng)周期表示[1-2]，縱向角振動(dòng)周期的表達(dá)式為

(1)

式(1)中:Cxi為第i個(gè)負(fù)重輪的懸掛剛度；li為第i個(gè)負(fù)重輪到質(zhì)心的水平距離；n為側(cè)的負(fù)重輪個(gè)數(shù)；Iy為懸掛質(zhì)量對(duì)于通過(guò)其質(zhì)心橫軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

垂直線(xiàn)振動(dòng)周期為

(2)

計(jì)算小幅振動(dòng)時(shí)，懸掛剛度取車(chē)輛靜平衡位置的數(shù)值。

1.2 可靠耐久性指標(biāo)

可靠耐久性指標(biāo)一般用總比位能表示，平衡肘接觸到限制器時(shí)，所有扭力軸可以吸收的總能量和車(chē)輛的懸掛重力之比λq稱(chēng)為總比位能，其表達(dá)式為

(3)

式(3)中Gx為懸置質(zhì)量，一般有Gx=(0.85～0,90)G，為第個(gè)扭力軸的最大位能，其值由下式求得

(4)

式(4)中:Ki為第個(gè)扭力軸的剛度；θmax i為第i個(gè)扭力軸從自由位置到平衡肘撞到限制器時(shí)的扭轉(zhuǎn)角度。平衡肘安裝在扭力軸上，二者的扭轉(zhuǎn)角相同，其一般表達(dá)式為

θi=(α0i-αi)

(5)

式(5)中:α0i為第i個(gè)平衡肘的初始安裝角；αi為該平衡肘當(dāng)前的角度，水平線(xiàn)以上取負(fù)值。

因?yàn)锳i的一部分是要平衡車(chē)體懸置重量的，所以這一部分不參加吸收沖擊能量，因此也用動(dòng)比位能作為衡量指標(biāo)

(6)

式(6)中Adi為第i個(gè)扭力軸的最大許用位能扣除支撐的懸置重量外剩余的位能。

扭力軸剛度和負(fù)重輪懸掛剛度的關(guān)系為

(7)

通過(guò)公式可以看出扭力軸剛度直接決定負(fù)重輪懸掛剛度，而負(fù)重輪懸掛剛度的增大，會(huì)引起車(chē)體固有頻率增大，固有頻率的增大勢(shì)必會(huì)使振動(dòng)周期減小，振動(dòng)周期減少又將使坦克的平穩(wěn)性變壞，同時(shí)提高了總比位能和動(dòng)比位能，使車(chē)輛舒適平穩(wěn)性有所提高。

2 不同位置扭力軸剛度的變化

扭力軸剛度隨著車(chē)輛行駛里程的增多，其剛度會(huì)發(fā)生變化，同一車(chē)型不同位置的扭力軸發(fā)生變化的幅度也會(huì)有區(qū)別，通過(guò)對(duì)A、B兩種車(chē)型坦克的不同位置扭力軸剛度的測(cè)量，來(lái)探究不同位置剛度變化的大小及其原因。

2.1 實(shí)車(chē)試驗(yàn)

為了反映普遍性，試驗(yàn)選取A、B兩種車(chē)型的坦克，保證著每輛車(chē)都沒(méi)有更換過(guò)扭力軸，A型坦克負(fù)重輪有5個(gè)位置相應(yīng)的扭力軸也就有5個(gè)位置，5根扭力軸的理論剛度值相同，且第一和第五位置安裝有減震器。B型坦克扭力軸有6個(gè)位置。第一、二、六扭力軸的理論剛度值相同且安裝減震器，第三、四、五扭力軸的理論剛度值相同并且沒(méi)有安裝減震器。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試的A型坦克的行程分別是：7 284 km，9 523 km，11 921 km，14 451 km，16 000 km。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的B型坦克的行駛里程分別是：3 900 km，5 929 km，6 700 km，8 000 km。實(shí)驗(yàn)是通過(guò)對(duì)平衡肘上施加的拉力和相應(yīng)的平衡肘轉(zhuǎn)角來(lái)確定扭力軸剛度值。受實(shí)驗(yàn)的環(huán)境的限制，我們采用傳統(tǒng)的杠桿與支架配合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)首先卸掉需要測(cè)量扭力軸的負(fù)重輪，將杠桿一端靠近車(chē)體并固定，下面的鋼絲繩圈套在負(fù)重輪軸上，上面的拉力環(huán)套扣于三角支架的掛鉤上，同時(shí)使得組合起來(lái)的鋼絲繩圈、拉力傳感器和拉力環(huán)保持在鉛垂方向上，在杠桿和拉力環(huán)之間安裝拉力傳感器來(lái)記錄力的大小，逐漸下方負(fù)重輪，記錄負(fù)重輪軸抬升高度f(wàn)、平衡肘與水平方向夾角α。

圖1 實(shí)驗(yàn)示意圖

在負(fù)重輪軸上施加一垂直方向的作用力P，使得扭力軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度α，此時(shí)扭力軸的扭矩為

TT=KT(α0-α)=PRacosα

(8)

則扭力軸的剛度可以表示為

(9)

由于實(shí)驗(yàn)的條件有限，在測(cè)出每一根扭力軸多組剛度中，計(jì)算每一根扭力軸的算術(shù)平均剛度值，以減小實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差和偶然誤差。

即經(jīng)過(guò)N次測(cè)量的扭力軸的算術(shù)平均剛度值為

(10)

計(jì)算A、B兩種車(chē)型的坦克各個(gè)扭力軸剛度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 A型坦克扭力軸剛度實(shí)驗(yàn)值3

表2 B型坦克扭力軸剛度實(shí)驗(yàn)值

為了便于進(jìn)行比較，更好的反映扭力軸剛度的變化趨勢(shì)，這里我們據(jù)所測(cè)的實(shí)驗(yàn)值計(jì)算各個(gè)扭力軸剛度的減少量占本來(lái)剛度值的百分比。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 A型坦克實(shí)驗(yàn)扭力軸剛度的減少量

表4 B型坦克實(shí)驗(yàn)扭力軸剛度的減少量

2.2 扭力軸剛度變化規(guī)律

然后繪制兩種坦克剛度減少量的變化趨勢(shì)如圖2所示。通過(guò)圖2我們可以得出，A型坦克扭力軸的剛度是隨著坦克行駛里程的增加而逐漸變小，也就是扭力軸會(huì)變軟。而且其速度是越來(lái)越快。同一輛坦克上左二、左三和左四位置的扭力軸剛度值的減少量大于左一和左五位置剛度值的減少量，其中左二位置的扭力軸剛度值的減少量最大。

圖2 A型坦克扭力軸剛度值減少量的變化趨勢(shì)

因?yàn)樘箍嗽谶M(jìn)行作戰(zhàn)和訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，經(jīng)過(guò)起伏路段造成車(chē)體發(fā)生俯仰振動(dòng)，產(chǎn)生俯仰角，此時(shí)坦克前后負(fù)重輪相對(duì)于車(chē)體的位移最大，即前后負(fù)重輪對(duì)應(yīng)的扭桿彈簧變形最大，而負(fù)重輪的動(dòng)行程從車(chē)體前后方向向質(zhì)心位置逐漸降低，所以靠近質(zhì)心位置的扭力軸剛度變化量較小，但由于左一和左五負(fù)重輪處安裝有液力減振器，使得兩處扭力軸在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中得到緩沖，所以剛度的減小量相對(duì)較小。可見(jiàn)減震器對(duì)剛度變化起到額至關(guān)重要的作用。

從圖3可以看出B型坦克扭力軸剛度變化相比較A型較小，應(yīng)為B型坦克采用6個(gè)負(fù)重輪和較為先進(jìn)的懸掛，同一位置的扭力軸隨坦克行駛里程的增多，其剛度的減小量逐漸增大。一、二、三扭力軸，左一扭力軸剛度的減少量大于左六扭力軸，因?yàn)檐?chē)體質(zhì)心偏后，車(chē)身在作俯仰振動(dòng)時(shí)，左一負(fù)重輪的動(dòng)行程要大于左六負(fù)重輪處，即左一扭力軸的扭轉(zhuǎn)角要大于左六扭力軸，因此左一扭力軸的減少量大于左六扭力軸。同時(shí)還可以看出左二扭力軸剛度減少量少于左一扭力軸，一方面的原因是坦克在行進(jìn)過(guò)程中一般第一個(gè)負(fù)重輪是第一個(gè)受到?jīng)_擊，這個(gè)時(shí)候駕駛員往往下意識(shí)降低車(chē)速來(lái)保持駕駛平衡，這樣就造成第一根扭力軸扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度比其他扭力軸大很多，另一方面原因是左二扭力軸距離車(chē)體質(zhì)心距離要小于左一扭力軸。而第三位置扭力軸剛度變化幅度小于第四位置，前面說(shuō)到質(zhì)心位置偏后，第四位置扭力軸距離質(zhì)心更小，應(yīng)該是第四位置的變化最小，可能是因?yàn)榈谌恢门ちS前面的第一第二位置扭力軸都安裝有減震器，幫助第三位置承擔(dān)了大量的擾動(dòng)載荷，而第四位置后面只有第六位置扭力軸有減震器，所以第三位置扭力軸變化幅度最小。

圖3 B型坦克扭力軸剛度值減少量的變化趨勢(shì)

3 扭力軸變化的影響因素的分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出扭力軸變化是有一定根據(jù)的，是有規(guī)律可循的。我們可以做出合理的推論與猜想，以下幾個(gè)因素是扭力軸變化的影響因素。

3.1 距離質(zhì)心距離

從實(shí)驗(yàn)可以看出，在同一坦克的扭力軸剛度相同，且在沒(méi)有減震器的情況下，距離質(zhì)心位置越近的扭力軸，剛度變化量越小，其發(fā)生斷裂的可能就越小。如A型坦克第三個(gè)位置的扭力軸也就是距離質(zhì)心距離最小的扭力軸剛度變化最小，而第二位置和第四位置的扭力軸剛度變化相對(duì)較大。B型坦克距離質(zhì)心距離大第一和第六位置扭力軸剛度變化幅度大，而距離質(zhì)心距離小的三四位置扭力軸剛度變化幅度小。所以說(shuō)距離質(zhì)心距離是扭力軸剛度變化的一個(gè)重要因素。

3.2 減震器阻尼力

實(shí)驗(yàn)中A型坦克首尾位置扭力軸變化相對(duì)較小，就有安裝減震器有阻尼力的作用。而B(niǎo)型坦克通過(guò)比較第二位置和第五位置的扭力軸剛度變化，也可以看出減震器可以有效減小扭力軸剛度變化。

坦克前后負(fù)重輪有較大的振動(dòng)加速度，所以一般在坦克的最前端和最后端負(fù)重輪處安裝減振器，從而達(dá)到衰減坦克產(chǎn)生的縱向角振動(dòng)，當(dāng)負(fù)重輪受到地面垂直方向力而上升時(shí)，負(fù)重輪受到扭力軸彈簧的阻力和減振器的阻力，減振器阻尼力增加，而負(fù)重輪受到的垂直方向力和扭力軸的剛度保持不變，則負(fù)重輪垂直方向的振動(dòng)加速度就會(huì)減小，相應(yīng)的對(duì)車(chē)體的沖擊和扭力軸受到的扭力就會(huì)減弱，扭力軸剛度變化趨勢(shì)減弱，前后扭力軸剛度變化較小就有阻尼力的原因。

4 結(jié)論

本文首先論述了扭力軸變化對(duì)坦克自身的影響，然后針對(duì)坦克不同位置的剛度變化規(guī)律不同的特點(diǎn)，選取多種里程的A、B兩種坦克，對(duì)其懸掛關(guān)鍵彈簧元件扭力軸的剛度進(jìn)行了測(cè)量，其中著重對(duì)各個(gè)坦克不同位置的剛度變化進(jìn)行了測(cè)量，分析得出車(chē)體質(zhì)心距離越小剛度變化越小，安裝減震器可以有效減小扭力軸剛度變化的結(jié)論。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Research on Changing Rule of Torsional Axis Stiffness Indifferent Positions of Tanks

XU Guo-ying, WANG Chuang, YAO Xin-min, WANG Tao

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Torsion bar is the most important elastic element of modern tanks. The volume of torsion bar is small and its working environment is harsh. It also needs to bear the disturbance load repeatedly. Therefore, the stiffness of torsion bar will change when the tank reaches a certain mileage. The stiffness changes of torsion bars in different positions of the same tank are not identical because of the different load they take. Through the measurements of the stiffness of torsion bars in different positions on two models of tanks, we explored the rule of the torsion bar stiffness change in different positions of tanks. The conclusion is that the torsion bars closer to the vehicle centroid suffer smaller stiffness change, and the shock absorber can help reducing the stiffness change effectively.

tank suspension; stiffness of torsion bars; experiment measuring

2015-03-20

徐國(guó)英(1965—)，男，博士，副教授，主要從事車(chē)輛工程研究。

10.11809/scbgxb2015.08.002

徐國(guó)英，王闖，姚新民，等.高速履帶車(chē)輛不同位置扭力軸剛度變化規(guī)律研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(8):5-8.

format:XU Guo-ying, WANG Chuang, YAO Xin-min, et al.Research on Changing Rule of Torsional Axis Stiffness Indifferent Positions of Tanks[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):5-8.

TJ811

A

1006-0707(2015)08-0005-04