劇冬梅， 項昌樂， 陶溢， 徐小軍， 王文浩

(1.北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院， 北京 100081； 2.中國兵器科學(xué)研究院， 北京 100089； 3.北京特種車輛研究所， 北京 100072； 4.國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

0 引言

水陸兩棲裝備對海上運輸、海洋開發(fā)和軍事活動具有重要意義，其重要的應(yīng)用價值使得20世紀以來許多國家開展了相關(guān)研究。20世紀70年代后，主要軍事強國的陸軍輕型戰(zhàn)斗車輛基本實現(xiàn)了兩棲化[1]。近些年，隨著世界格局的穩(wěn)定，兩棲車輛技術(shù)開始逐漸向民用領(lǐng)域拓展，主要應(yīng)用于搶險救災(zāi)和極限運動[2]。目前典型兩棲車輛有美軍EFV履帶式兩棲突擊車、俄羅斯BTR-80和BTR-90系列輪式兩棲步兵戰(zhàn)車、俄羅斯“野牛”氣墊船、英國Aquada輪式兩棲車等[3-4]。

限制水陸兩棲裝備水面速度的一大因素就是車體航行阻力[5]。兩棲裝備水中行駛時，車輪部分將產(chǎn)生大量渦流損失，所產(chǎn)生的阻力約占總阻力的25%. 為減少水陸車輛在水中的行駛阻力，需針對水陸兩棲裝備設(shè)計一種可收放懸架系統(tǒng)，在陸上行駛時，這種可收放懸架系統(tǒng)發(fā)揮普通懸架的作用，傳遞作用在行走機構(gòu)與車體間的力和力矩，緩和車輛行駛時傳到車體的沖擊力，并減少車體振動。當兩棲車進入水中時，可收放懸架系統(tǒng)又能將行走機構(gòu)整體收起，通過減少行走機構(gòu)的渦流損失以實現(xiàn)減阻增速，提高其推進效率。

英國Gibbs公司的高速兩棲汽車(HSA)采用了一種可收放懸架，該車陸上時速達160 km/h，水上行駛時通過收放懸架將車輪收起，航速可達55 km/h[6]，其收放懸架結(jié)構(gòu)已申請了相關(guān)專利[7]；該可收放懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間較大，目前只應(yīng)用于輕型民用車輛，尚未應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。美國于1997年也設(shè)計了一種可收放懸架[8]，該收放懸架類似于雙橫臂懸架，結(jié)構(gòu)簡單，車輪在提升過程中翻轉(zhuǎn)角很小，但其收放行程較小，減阻增速效果不明顯。

本文提出了一種新的可收放懸架，并以提高懸架運動特性和收放特性為目標，對行走機構(gòu)的收放高度、翻轉(zhuǎn)角度、外傾角以及主銷內(nèi)傾角等關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 可收放懸架方案

本文提出的一種輪式兩棲車輛行走機構(gòu)采用4個輪式行走機構(gòu)，每個輪式行走機構(gòu)均安裝了一個輪轂電機，車輛通過差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，因此收放懸架不涉及車輪驅(qū)動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

兩棲車輛懸架系統(tǒng)應(yīng)該盡量簡單可靠，能夠保證裝備越野行駛時有效地緩和來自顛簸地面的振動[9]，水上航行時能夠平穩(wěn)而迅速地將行走機構(gòu)完全收起，實現(xiàn)減阻增速。針對現(xiàn)有可收放懸架的不足，將減振效果良好且振動過程中能保持行走機構(gòu)外傾角變化較小的雙叉骨式懸架與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動收放的四連桿機構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計出一種新型可收放懸架。圖1為采用新型可收放懸架方案的某水陸兩棲車前后視角簡圖，車輛前后、左右對稱布置4個相同的可收放懸架。懸架上橫臂兩端分別與車體和叉骨連桿連接，叉骨連桿與行走機構(gòu)鉸接，下橫臂一端與行走機構(gòu)固連，減振器一端鉸接于下橫臂。另有一主動搖臂，起始端與車體鉸接，末端與減振器相連，主動搖臂上方有一與車體固連的限位塊，對搖臂進行限位。主動臂、減振器、下橫臂與車體構(gòu)成另一個四連桿結(jié)構(gòu)。

圖1 水陸兩棲車可收放懸架方案Fig.1 Front and rear views of retractable suspension schemes of amphibious vehicle

在陸地行駛時，限位塊限制主動臂向上轉(zhuǎn)動，與主動臂連接的減振器上端則可視為與車體鉸接。此時收放懸架發(fā)揮普通懸架的減振作用。當兩棲車完全駛?cè)胨袝r，主動臂向地面一側(cè)轉(zhuǎn)動，而減振器發(fā)揮連桿作用，當越過極位后帶動下橫臂向車體上方轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)行走機構(gòu)的翻轉(zhuǎn)和提升。本文懸架的優(yōu)點在于采用了經(jīng)典四連桿機構(gòu)加限位的方法，可同時實現(xiàn)行走機構(gòu)的提升與翻轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，減振器在陸上行進發(fā)揮減振作用，在收放過程中充當連桿，實現(xiàn)了構(gòu)件的一體多用。此外，收放機構(gòu)采用了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，相比直線驅(qū)動節(jié)約了豎直方向上的空間。

2 運動學(xué)分析

圖2為車輛右后側(cè)可收放懸架結(jié)構(gòu)簡圖，其中：A為主動臂與車體的鉸鏈點，B為主動臂與減振器的鉸鏈點，C為下橫臂與行走機構(gòu)的固連點，D為下橫臂與車體的鉸鏈點，E為叉骨連桿與上橫臂的鉸鏈點，F(xiàn)為上橫臂與車體的鉸鏈點，G為行走機構(gòu)中心，l1、l2、l3、l4、l5、l6分別表示車體上鉸鏈點A與鉸鏈點D間的距離、主動臂長度、減振器長度、下橫臂長度、叉骨連桿長度和上橫臂長度，l7表示鉸鏈點F與鉸鏈點D之間的距離；θ1表示鉸鏈點A與鉸鏈點D的連線AD與x軸的夾角，θ2表示主動臂與x軸的夾角，θ3表示減振器與x軸的夾角，θ4表示下橫臂與x軸的夾角，θ5表示叉骨連桿與x軸的夾角，θ6表示上橫臂與x軸的夾角。減振器、下橫臂和叉骨連桿并未鉸接于同一點，且行走機構(gòu)與叉骨連桿固連時，構(gòu)成典型雙叉骨式懸架。

圖2 右后側(cè)可收放懸架結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram of right rear retractable suspension

按圖2所示結(jié)構(gòu)建立坐標系，在坐標系中將構(gòu)件用矢量表示，并采用閉環(huán)矢量法建立機構(gòu)的位置方程，則有

l1+l4=l2+l3.

(1)

設(shè)定各桿件及主動臂轉(zhuǎn)角θ2已知，θ1為常量。將(1)式分別在x軸和y軸方向投影后，有

(2)

以下橫臂的運動為已知運動，再一次采用閉環(huán)矢量法可以研究下橫臂、叉骨連桿、上橫臂及車身部分組成的四連桿中各部件的運動情況：

l4+l7=l5+l6.

(3)

車身部分長度l7及其與水平方向的夾角θ7已知。從(2)式、(3)式可以看出，通過行走機構(gòu)在提升過程中，其質(zhì)心的橫坐標、縱坐標以及其相對于車身的旋轉(zhuǎn)角度3個參量就可以完全表征該行走機構(gòu)的運動。由于叉骨連桿和行走機構(gòu)固連，為了由叉骨連桿的運動參數(shù)直接得到行走機構(gòu)的參數(shù)，需要進一步分析。

圖3為收放過程中行走機構(gòu)的運動示意圖，其中：ΔyG和ΔθG分別表示行走機構(gòu)中心G的縱坐標的變化量和相對初始位置的旋轉(zhuǎn)角度，即行走機構(gòu)在收放過程中的提升高度和翻轉(zhuǎn)角度；Δθ5表示叉骨連桿相對自身的旋轉(zhuǎn)角度。

圖3 收放過程中行走機構(gòu)運動示意圖Fig.3 Schematic diagram of travelling mechanism during retracting

根據(jù)平面運動學(xué)規(guī)律可知：

ΔθG=Δθ5.

(4)

進一步根據(jù)矢量旋轉(zhuǎn)方程：

(5)

式中：

(6)

則

DG′=DC′+C′G′.

(7)

(5)式分別展開，有

(8)

(9)

式中：xD、xC、xC′、xG分別表示D、C、C′、G點的橫坐標；yD、yC、yC′、yG分別表示D、C、C′、G點的縱坐標。

(8)式和(9)式擴充維數(shù)，可進一步得到

(10)

(11)

(4)式、(10)式和(11)式即為能夠完整表征行走機構(gòu)在收放過程中運動狀態(tài)的3個參量。

3 懸架參數(shù)優(yōu)化

可收放懸架存在兩種工作狀態(tài)，即陸地行進時伴隨崎嶇地面起伏懸架的上下跳動，以及進入水中時對行走機構(gòu)的收放過程[10]。因此，對于可收放懸架的優(yōu)化，需要在保證對行走機構(gòu)實現(xiàn)最大程度收放的同時，還要使懸架在陸地行駛時具有合理的運動學(xué)特性，因此需分別針對可收放懸架的收放和陸地行駛兩種工況進行參數(shù)優(yōu)化，懸架水中收放以行走機構(gòu)收放高度和翻轉(zhuǎn)角度為優(yōu)化目標，陸地行駛性能以行走機構(gòu)外傾角和主銷內(nèi)傾角為優(yōu)化目標。

3.1 總體優(yōu)化策略

圖4 可收放懸架優(yōu)化策略Fig.4 Optimization strategy of retractable suspension

可收放懸架的水中收放與陸地減振行駛是兩個聯(lián)系的運動過程，對其中一個運動過程的優(yōu)化會造成機構(gòu)參數(shù)的變化，勢必會影響另一個過程的運動性能。因此，本文將其中一個運動過程的目標函數(shù)作為另一個運動過程優(yōu)化的限制條件，并考慮到可收放懸架系統(tǒng)的參數(shù)化表達式中包含大量三角函數(shù)，無法直接解出明確的目標函數(shù)和限制函數(shù)等情況，采用多體動力學(xué)軟件ADAMS/Insight模塊有效地區(qū)分關(guān)鍵參數(shù)和非關(guān)鍵參數(shù)，觀察參數(shù)對系統(tǒng)的性能影響，從而在實物樣機制造前，可以綜合考慮各種參數(shù)以獲得最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)。圖4為針對可收放懸架系統(tǒng)水中收放和陸地行進兩個過程的優(yōu)化策略。

3.2 虛擬實驗設(shè)計與優(yōu)化變量選取

考慮到懸架運動學(xué)特性參數(shù)的絕對數(shù)值相對較小，且對于系統(tǒng)參數(shù)的變化較為敏感，實現(xiàn)優(yōu)化的難度較小，因此首先分別對陸地行駛過程和水上行走收放過程進行實驗設(shè)計，并完成靈敏度分析。然后根據(jù)變量參數(shù)對兩個過程指標參數(shù)的靈敏度不同，選擇對收放過程具有高靈敏度且對陸地行駛運動參數(shù)靈敏度較低的參數(shù)；對收放過程進行優(yōu)化，采用對收放過程具有低靈敏度且對陸地行駛運動參數(shù)靈敏度較高的參數(shù)對懸架運動學(xué)特性參數(shù)進行優(yōu)化。最后通過對兩個優(yōu)化結(jié)果進行綜合分析并反復(fù)優(yōu)化，確定最終的系統(tǒng)參數(shù)。

對于收放過程，由于可收放懸架系統(tǒng)參數(shù)取值變化對收放運動效果影響力有所不同，為判斷每個變量對目標的影響程度，進而在機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中依據(jù)影響度大小來選擇優(yōu)化設(shè)計變量，需要對收放過程中的系統(tǒng)參數(shù)對目標影響度進行靈敏度分析?？墒辗艖壹苡?個關(guān)鍵設(shè)計點，每個設(shè)計點有x軸、y軸、z軸方向各3個坐標參數(shù)，如果對所有參數(shù)均做優(yōu)化研究，則有24個變量。根據(jù)可收放懸架的工作原理，將各構(gòu)件簡化為平面內(nèi)的部件，如圖5所示。進一步固定D點位置，并作為坐標系原點。同時假設(shè)下橫臂在設(shè)計位置保持水平，因此減振器與下橫臂鉸鏈點C2、叉骨連桿與行走機構(gòu)鉸鏈點C1的坐標參數(shù)只需以x軸坐標作為變量。由于叉骨連桿在整個過程中均與行走機構(gòu)保持相對固定，行走機構(gòu)的提升、翻轉(zhuǎn)以及定位參數(shù)均取決于E點和C1，而和減振器與下橫臂鉸鏈點C2無關(guān)，因此，實際作為可收放懸架參數(shù)靈敏度分析的變量如表1所示。

圖5 可收放懸架系統(tǒng)優(yōu)化原理圖Fig.5 Schematic diagram of optimized retractable suspension

在設(shè)計實驗過程中，通過篩選研究可以分析每個變量對設(shè)計目標的貢獻，將實驗縮小到重要因素，并確保不排除重大因素或影響，即對各個設(shè)計變量進行靈敏度分析。由于設(shè)計變量較多，在對靈敏度進行分析時，采用線性Fractional Factorial設(shè)計類型，針對收放過程行走機構(gòu)的提升高度共進行16次仿真實驗，分析結(jié)果如表2所示。

表1 靈敏度分析變量

表2 收放過程提升高度靈敏度分析結(jié)果

采取同樣的實驗設(shè)計方法，針對收放過程行走機構(gòu)的翻轉(zhuǎn)角度共進行16次仿真實驗，結(jié)果如表3所示。

通過分析行走機構(gòu)收放高度和翻轉(zhuǎn)角度的實驗設(shè)計結(jié)果可知：對兩個目標均具有較大靈敏度的設(shè)計變量有DV_4、DV_6、DV_5、DV_1、DV_10、DV_9；對于兩個目標均具有較小靈敏度的設(shè)計變量有DV_3、DV_2、DV_7. 由于對水陸兩棲車行走機構(gòu)的收放中，提升高度的重要性高于翻轉(zhuǎn)角度，經(jīng)過綜合考量，選取DV_4、DV_6、DV_10、DV_5、DV_1作為收放過程優(yōu)化變量；選取DV_3、DV_2、DV_7作為懸架運動學(xué)特性優(yōu)化變量。

表3 收放過程翻轉(zhuǎn)角度靈敏度分析結(jié)果

3.3 收放指標優(yōu)化

收放懸架能夠正確實現(xiàn)對行走機構(gòu)的收放，需要滿足：

(12)

同時，當收放過程達到四桿機構(gòu)ABCD的極位，即A、B、C處于同一直線時，機構(gòu)需要滿足：

(13)

xC1>xC.

(14)

將(1)式和(3)式聯(lián)立，作為收放過程優(yōu)化的限制條件。由3.2節(jié)可收放懸架收放過程設(shè)計變量靈敏度的分析結(jié)果，選取DV_4、DV_6、DV_10、DV_5、DV_1作為收放過程優(yōu)化變量。以行走機構(gòu)質(zhì)心G點的y軸坐標最大值為優(yōu)化目標，經(jīng)過多次迭代得到優(yōu)化后的設(shè)計變量值如表4所示。

表4 優(yōu)化設(shè)計變量值

優(yōu)化前和多次迭代后最優(yōu)化的結(jié)果導(dǎo)入MATLAB軟件進行比較，優(yōu)化前后行走機構(gòu)的提升高度和翻轉(zhuǎn)角度對比如圖6和圖7所示。

圖6 行走機構(gòu)提升高度優(yōu)化Fig.6 Height optimization of travelling mechanism

圖7 行走機構(gòu)翻轉(zhuǎn)角度優(yōu)化Fig.7 Flip angle optimization of travelling mechanism

由圖7中優(yōu)化前后行走機構(gòu)提升高度的變化曲線可知：優(yōu)化后提升高度最大值有顯著增加，增加了64.8%. 同時優(yōu)化后提升速率也得到了增加，即要求提升同樣高度情況下，優(yōu)化后的系統(tǒng)所需時間更短。行走機構(gòu)提升前的下放過程中，其下放的最大值在優(yōu)化后降低了12.9%，即優(yōu)化后的可收放懸架在對行走機構(gòu)提升時，初始階段先向下推動的動作幅度得到了減小，符合預(yù)期結(jié)果。由圖7行走機構(gòu)翻轉(zhuǎn)角度變化曲線可知：優(yōu)化后翻轉(zhuǎn)角度最大值也有明顯提升，增加了112.2%；但翻轉(zhuǎn)角度初始值不再是0°，而是-1.56°，需要在行走機構(gòu)的定位參數(shù)優(yōu)化中做進一步的優(yōu)化。

3.4 懸架典型運動學(xué)特性優(yōu)化

車輪上下跳動時，懸架運動學(xué)特性變化反映了懸架性能。在正常車輪跳動行程內(nèi)，應(yīng)使車輪運動特性參數(shù)變化量保持在合理范圍內(nèi)，以保證車輛具有設(shè)計所期望的行駛特性[11]?；谏鲜隹墒辗艖壹芟到y(tǒng)參數(shù)優(yōu)化策略、靈敏度分析以及收放過程優(yōu)化結(jié)果，對懸架運動學(xué)特性進行優(yōu)化。

行走機構(gòu)定位參數(shù)中外傾角γ、主銷內(nèi)傾角σ以及輪距L的計算公式為

(15)

L=2xG.

(16)

在ADAMS軟件模型基礎(chǔ)上構(gòu)建實驗臺，同時建立(15)式和(16)式中的外傾角、主銷內(nèi)傾角、輪距3個測量，然后選取DV_2、DV_3、DV_7、DV_9作為懸架運動學(xué)特性優(yōu)化變量，以最小化主銷內(nèi)傾角最大值為優(yōu)化目標，在[-50 mm,50 mm]車輪跳動行程范圍實驗下經(jīng)過多次迭代，得到優(yōu)化后的變量如表5所示。

表5 定位參數(shù)優(yōu)化前后變量對比

優(yōu)化前后測得的主銷內(nèi)傾角、優(yōu)化前后的車輪外傾角以及優(yōu)化前后的輪距分別進行對比，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對比Fig.8 Kingpin inclination angles before and after optimization

圖9 車輪外傾角優(yōu)化前后對比Fig.9 Wheel cambers before and after optimization

由優(yōu)化結(jié)果來看，主銷內(nèi)傾角在[-50 mm,50 mm]車輪跳動行程范圍實驗下最大值、最小值均減小了0.75°，相應(yīng)的車輪外傾角則整體增加了1°左右，同時平衡位置的外傾角由原來的近似0°增加到了1°，這對于將平臺滿載時其車輪外傾角減小至0°，并減小行走機構(gòu)的不正常磨損是有益的。因此表明本文所設(shè)計的優(yōu)化方案針對行走機構(gòu)定位參數(shù)的優(yōu)化是有效的。

4 結(jié)論

本文提出了可降低水陸兩棲車輛的水中形狀阻力、提高水中行駛速度的可收放懸架方案，對該懸架運動特性進行了分析與優(yōu)化。得到以下主要結(jié)論：

1) 通過運動學(xué)分析得到描述懸架機構(gòu)運動特性的公式，從而能夠完整表征行走機構(gòu)在收放過程中運動狀態(tài)的3個參量。

2) 設(shè)計ADAMS/Insight軟件模塊仿真實驗實現(xiàn)了收放懸架的優(yōu)化，優(yōu)化實驗結(jié)果證明所選取的優(yōu)化變量有效，懸架參數(shù)優(yōu)化后行走機構(gòu)收放高度和翻轉(zhuǎn)角度顯著提高。

3) 參數(shù)優(yōu)化后，陸地行駛時行走機構(gòu)的主銷內(nèi)傾角和外傾角變化更加合理。