陳 松,楊 眾,賈小平,于魁龍

(裝甲兵工程學院機械工程系,北京 100072)

基于Recurdyn的鉸接車輛轉(zhuǎn)向分析與仿真*

陳 松,楊 眾,賈小平,于魁龍

(裝甲兵工程學院機械工程系,北京 100072)

簡要介紹了某8×8鉸接車的結(jié)構(gòu)及特點,進行了原地轉(zhuǎn)向阻力矩的理論分析。利用多體動力學仿真軟件RecurDyn建立了鉸接車仿真模型,測得了整車轉(zhuǎn)向過程中的驅(qū)動力矩曲線和轉(zhuǎn)向液壓缸驅(qū)動力曲線。通過分析可得出鉸接車相應的轉(zhuǎn)向性能。

鉸接式車;穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向;RecurDyn

0 引 言

為了準確分析轉(zhuǎn)向力矩并為車輛使用和相似車輛性能的研究提供參考,本文對某8×8的鉸接車進行了轉(zhuǎn)向阻力矩的理論分析,提出一種計算鉸接車轉(zhuǎn)向阻力矩的力學模型,并對鉸接車進行了建模仿真,對仿真結(jié)果進行了分析。

1 鉸接車結(jié)構(gòu)特點及功能

筆者所研究的8×8鉸接車結(jié)構(gòu)如圖1所示,每個車架有兩個自平衡式擺臂機構(gòu),每個擺臂機構(gòu)通過鏈傳動連接兩個車輪。鉸接機構(gòu)與轉(zhuǎn)向油缸共同作用使整車具有橫擺和扭轉(zhuǎn)兩個自由度。整車的轉(zhuǎn)向是通過轉(zhuǎn)向油缸的作用,使前后車體在水平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)一定的角度來實現(xiàn)的。

圖1 多自由度鉸接車模型

2 鉸接車轉(zhuǎn)向阻力矩理論分析

原地轉(zhuǎn)向阻力矩是鉸接車轉(zhuǎn)向過程中的最大阻力矩,所以對鉸接車進行原地轉(zhuǎn)向阻力矩的分析與研究,建立如圖2所示的轉(zhuǎn)向力學模型[2]。

圖2 鉸接車原地轉(zhuǎn)向力學模型

2.1 車輪轉(zhuǎn)動阻力矩

當鉸接車轉(zhuǎn)向角變化時,輪胎產(chǎn)生以鉛垂線為軸線的轉(zhuǎn)動,且該軸線通過輪胎與地面接觸面的形心。輪胎與地面接觸面可視為a×b的矩形面積[3],當輪胎回轉(zhuǎn)中心與該矩形面積的形心重合時,其轉(zhuǎn)動阻力矩為:

式中:G為輪胎負荷,μ為摩擦系數(shù),a、b分別為接觸面矩形面積的長、短邊。

當輪胎與地面接觸面為橢圓形時,可將該橢圓轉(zhuǎn)化為與其面積相等的等效矩形計算:

式中:x,y分別是橢圓接觸面的長、短軸。由于本文低壓胎與地面接觸面是橢圓形,故其轉(zhuǎn)向阻力矩為:

上海市22所二、三級中醫(yī)、中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)療機構(gòu)中藥飲片管理現(xiàn)狀及優(yōu)化建議 …………………………… 王 琴等（11）：1449

令整車8輪與地面的轉(zhuǎn)向阻力矩分別為 MA、MB、Mc、MD、ME、MF、MG、MH,則前、后車輪胎繞各自中點轉(zhuǎn)動阻力矩分別為:

2.2 兩側(cè)車輪滾動產(chǎn)生的滾動阻力矩

鉸接車原地轉(zhuǎn)向時,內(nèi)側(cè)前、后車輪相互靠近,外側(cè)前、后車輪相互遠離,由此形成的前、后車架對應車輪的滾動阻力矩分別為:

式中:G1、G2分別為前后半車載荷;f為滾動阻力系數(shù);B為左右側(cè)車輪輪距。

2.3 靜態(tài)轉(zhuǎn)向阻力矩

靜態(tài)轉(zhuǎn)向阻力矩按虛位移原理計算[4],即:

式中:Fi(i=1,2…,n)為主動力,對應的ri(i=1,2…, n)為第i個主動力所對應的虛位移。

根據(jù)鉸接車靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向力學模型,令:

式中:L1、L2分別為鉸接點距前、后半車中心點的距離,L為L1和L2之和。

當前后車體轉(zhuǎn)動夾角為γ時,后半車與圖中虛線夾角為:

3 鉸接車多體動力學模型仿真分析

RecurDyn多體系統(tǒng)動力學仿真軟件采用完全遞歸算法,能夠準確穩(wěn)定的求解大規(guī)模復雜接觸的多體系統(tǒng)動力學問題,目前被廣泛應用于機械行業(yè)?；赗ecurDyn/Tire工具包,建立輪式鉸接車仿真模型及整車原地轉(zhuǎn)向路面[5],如圖3所示。模型包括車體、4個擺臂車輪子系統(tǒng)、鉸接機構(gòu)和兩側(cè)車輪及車體間差速器子系統(tǒng)。其中:整車實車重3.6 t,車長4 500 mm,車寬1 800 mm,輪胎外徑800 mm,擺臂臂長800 mm。對車體進行了簡化,其轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)實車三維造型獲得。對機構(gòu)中組成元件施加約束,通過Joint來建立約束副,以此來限制不同實體間的相對運動,使系統(tǒng)中各部件組成一個有機整體。為了簡化分析,做如下假設(shè):①轉(zhuǎn)向阻力矩與轉(zhuǎn)向角速度無關(guān);②轉(zhuǎn)向阻力矩在轉(zhuǎn)向過程中為恒量[6]。

圖3 鉸接車動力學仿真模型

模型驗證無誤后,在車體的差速器上加轉(zhuǎn)速驅(qū)動,驅(qū)動函數(shù)為半正矢階躍函數(shù)HAVSIN(),使車輛在6 s內(nèi)逐漸加速到2.5 m/s,然后速度恒定;給轉(zhuǎn)向液壓缸加位移驅(qū)動,使車輛在6～12 s的時間范圍內(nèi)將兩車體間角度由0°轉(zhuǎn)到30°。仿真時長34 s,仿真步數(shù)Step為500。

從圖4中可看出:1～6 s的驅(qū)動力矩的變化與cos(t)圖像相近,在第6 s時的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩約1 000 N· m,該轉(zhuǎn)矩應為克服地面阻力的轉(zhuǎn)矩。從第6 s開始車輛轉(zhuǎn)向,驅(qū)動轉(zhuǎn)矩也隨之增加直到穩(wěn)態(tài)時,驅(qū)動力矩在5 500 N·m左右波動。

圖4 車輪的驅(qū)動力矩

圖5所示為轉(zhuǎn)向液壓缸驅(qū)動力圖,穩(wěn)態(tài)時液壓缸受到210 kN的恢復直線行駛的力,該力為地面轉(zhuǎn)向阻力距在前后車體間產(chǎn)生的內(nèi)力。轉(zhuǎn)向開啟瞬時,液壓缸瞬時驅(qū)動力約為5.8×106N,隨著轉(zhuǎn)向的進行,所需轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩逐漸減小。為克服車體間轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動慣量,轉(zhuǎn)向驅(qū)動力出現(xiàn)了負值。

圖5中曲線上的較為尖銳的突出波動應為計算錯誤予以剔除?？紤]到實際轉(zhuǎn)向過程中液壓缸的波動應該沒有圖5中大,如果要更為精確地分析,還需要建立液壓子系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真。

圖5 兩轉(zhuǎn)向液壓缸驅(qū)動力

4 結(jié) 論

在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上對鉸接式車轉(zhuǎn)向阻力矩進行理論分析,給出了轉(zhuǎn)向阻力矩的計算公式。在Recurdyn中建立了相對精細的鉸接車多體動力學模型,仿真結(jié)果給出該車給定條件下驅(qū)動力矩和轉(zhuǎn)向驅(qū)動力,為車輛使用和相似車輛性能的研究提供了參考。

[1] 王 慧,侯友山,金 純.鉸接車輛轉(zhuǎn)向阻力矩的分析[J].礦山機械,2010,38(1):38-41.

[2] 程軍偉,高連華,王良曦,等.基于打滑條件下的履帶車輛高速轉(zhuǎn)向分析[J].車輛與動力技術(shù),2006(1):44-48.

[3] 汪建春.鉸接式車輛原地轉(zhuǎn)向阻力矩計算及力學模型計算[J].礦山機械,2008,36(21):53-58.

[4] 閆清東,張連第,趙毓芹,等.坦克構(gòu)造與設(shè)計[M].北京:北京理工大學出版社,2007.

[5] 焦曉娟,張湝渭,彭斌彬.RecurDyn多體系統(tǒng)優(yōu)化仿真技術(shù)[M].北京:清華大學出版社,2010.

[6] 汪明德,趙毓芹,祝嘉光.坦克行駛原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1983.

Steering Analysis and Simulation of Articulated Vehicle Based on the Recurdyn

CHEN Song,YANG Zhong,JIA Xiao-ping,YU Kui-long
(Department of Mechanical Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China)

In this paper,structure and characteristics of an 8 x 8 articulator were briefly introduced,and theoretical analysis on the in situ steering resisting moment was carried out.The simulation model of articulated vehicle was set up by using the multi-body dynamics simulation software RecurDyn,the driving torque curve and the steering cylinder driving force curve in the steering process of vehicle are measured.Through the analysis,the corresponding steering performances of articulated vehicles could be obtained.

articulated vehicle;steady-state steering;RecurDyn

TJ81

A

1007-4414(2015)05-0039-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.013

2015-08-18

陳 松(1983-),男,吉林通化人,在讀碩士,研究方向:車輛系統(tǒng)論證、仿真與評估。