胡彩兵，涂群章，楊 旋，蔣成明，潘 明

(陸軍工程大學 野戰(zhàn)工程學院， 南京 210007)

目前國內的救援車輛，其底盤結構大多采用輪式結構，只適用于在路況較好的道路上快速行駛，存在越野行駛速度慢、復雜地形適應性差、輪胎容易發(fā)生打滑等問題。整體履帶式車輛雖然可以更好地適應復雜地形與特殊環(huán)境，但它過于笨重，難以滿足多種地形的切換且速度較低；同時，整體式履帶一般采用鋼制履帶，振動噪聲大，容易損傷路面，造價和維護成本比較高[1-2]。三角履帶輪是結合了輪胎和履帶行走機構的相關特點而研發(fā)的新型履帶行走裝置[3]。

三角履帶輪與輪式行走裝置相比，具有牽引性能好、復雜地面通過性好等優(yōu)點[4-5]，且能夠快速實現(xiàn)輪履互換，減小了天氣和地面條件對車輛的限制，極大擴展了救援車輛的應用范圍[6-8]。救援車輛行駛系統(tǒng)所使用的三角履帶輪的性能直接影響救援車輛的復雜地形適應能力，而履帶作為三角履帶輪的關鍵部件受力情況復雜，對履帶進行受力分析是新型三角履帶樣機研制的重要基礎。

1 救援車輛三角履帶行駛系統(tǒng)力學分析

本文研究的三角履帶救援車輛滿載質量32 t，最大行駛速度不小于50 km/h，該車行駛系統(tǒng)采用4個三角履帶輪驅動單元，三角履帶輪單元包括1個驅動輪、1個導向輪、1個張緊輪、4個負重輪，其參數(shù)示意圖如圖1。本節(jié)通過救援車輛水平路面行駛時履帶各段拉力進行受力分析，為后續(xù)動力學仿真奠定基礎。

圖1 三角履帶輪結構參數(shù)示意圖

車輛行駛時，發(fā)動機輸出的扭矩T使驅動輪轉動，為履帶車輛前進提供牽引力，牽引力克服一系列阻力帶動履帶車輛向前運動。由于運行阻力的存在，各段履帶受力不同[9]，分別為F1～F7，如圖2所示。

圖2 三角履帶輪系統(tǒng)各段履帶受力示意圖

以驅動輪為研究對象，忽略與驅動輪接觸履帶質量及履帶厚度，驅動輪受到兩側的履帶拉力、機架的支撐力、重力作用，將驅動輪受到的各作用力分解到直角坐標系，受力如圖3所示。

根據(jù)力平衡方程得到驅動輪的力學方程見式(1)：

(1)

式中：F1、F7為驅動輪兩側履帶拉力；Fax、Fay為驅動輪受到機架的支撐力；θ1、θ2為兩側履帶拉力與水平方向夾角；T為驅動輪受到的驅動力矩；m1為驅動輪質量；J1為驅動輪轉動慣量；α1為驅動輪轉動角加速度；r1為驅動輪半徑。

圖3 驅動輪受力分析

導向輪的作用是使三角履帶行走機構具有一定的離去角，其質心位置決定著履帶輪離去角大小，導向輪受到兩側的履帶的拉力、機架支撐力、重力的作用，導向輪受力如圖4所示。

圖4 導向輪受力分析

根據(jù)力平衡方程得到導向輪的力學方程見式(2)：

(2)

式中：F1、F2為導向輪兩側履帶拉力；Fbx、Fby為導向輪受到機架的支撐力；β1、β2為兩側履帶拉力與豎直方向夾角；m2為導向輪質量；J2為導向輪轉動慣量；α2為導向輪轉動角加速度；r2為導向輪半徑。

張緊輪是三角履帶行走機構張緊裝置中的關鍵部件，通過擺動實現(xiàn)對履帶的張緊以適應復雜地面。張緊輪受到兩側的履帶拉力、張緊桿的反作用力、重力的作用，張緊輪受力如圖5所示。

圖5 張緊輪受力分析

根據(jù)力平衡方程得到張緊輪的力學方程見式(3)：

(3)

式中：F6、F7為張緊輪兩側履帶拉力；Fcx、Fcy為張緊輪受到張緊桿的反作用力；γ1、γ2為兩側履帶拉力與豎直方向夾角；m3為張緊輪質量；J3為張緊輪轉動慣量；α3為張緊輪轉動角加速度；r3為張緊輪半徑。

負重輪主要起著傳遞載荷的作用，按照工作位置的不同將負重輪依次編號為1、2、3、4，其中1、4負重輪參與形成三角履帶行走機構的接近角與離去角，其受力狀態(tài)相似，2、3負重輪位于中間的位置，其受力狀態(tài)相似，因此只針對1、2負重輪進行受力分析。

負重輪1受到支撐懸臂作用力、兩側履帶的拉力、路面支撐力、重力的作用，其受力如圖6所示。

圖6 負重輪1受力分析

根據(jù)力平衡方程得到負重輪1的受力方程見式(4)：

(4)

式中：F2、F3為負重輪1兩側履帶拉力；Fdx、Fdy為負重輪1受到支撐懸臂作用力；FN1為左側履帶拉力與水平方向夾角；φ為左側履帶拉力與水平方向夾角；m4為負重輪1質量；J4為負重輪1轉動慣量；α4為負重輪1轉動角加速度；r4為負重輪半徑。

負重輪2受到機架傳遞的車體載荷、與其接觸履帶對其的作用力，豎直方向上受到履帶的支持力和重力，其受力如圖7所示。

圖7 負重輪2受力分析

根據(jù)力平衡方程得到負重輪2的受力方程見式(5)：

(5)

式中：F3、F4為負重輪2兩側履帶拉力；Fex、Fey為負重輪2受到支撐懸臂作用力；FN2為左側履帶拉力與水平方向夾角；m4為負重輪2質量；J4為負重輪2轉動慣量；α5為負重輪2轉動角加速度；r4為負重輪半徑。

車輛靜止時，設置履帶預張緊力為F0，當驅動輪受到轉矩T作用時，假設驅動輪兩側履帶拉力的變化幅度相同，則可得到式(6)：

(6)

根據(jù)前文對履帶輪系受力分析及驅動輪受轉矩作用時兩側履帶拉力與預張緊力的關系式，當三角履帶輪結構參數(shù)及車輛行駛初始條件確定時，聯(lián)立方程組即可求得各段履帶拉力。

2 救援車輛三角履帶行駛系統(tǒng)建模

Recurdyn軟件中的Track-HM工具包是針對高速履帶車輛開發(fā)的，它具有豐富的履帶系統(tǒng)組件，可參數(shù)化調節(jié)各部件的幾何形狀。工具箱由驅動輪、路面車輪、履帶鏈接、橡膠襯套等組成[10]?？梢苑奖憧旖莸臉嫿膸ё酉到y(tǒng)模型，實現(xiàn)高速履帶車輛的運動學、動力學仿真模擬。三角履帶救援車輛模型的建立主要分為3個部分：三維幾何模型的建立、約束的添加和路面模型的建立。

2.1 幾何模型的建立

三角履帶輪相關結構參數(shù)的值可以根據(jù)有關設計原則進行確定，如表1所示。

根據(jù)表1的參數(shù)，用Track-HM模塊建立三角履帶輪模型，每個三角履帶輪履帶包括42塊履帶板，驅動輪高置，履帶結構采用單銷履帶，負重輪采用雙輪緣式結構。張緊輪上通過線性彈簧(Spring)模擬液壓張緊裝置，以調整履帶的張緊度。三角履帶輪重1.7 t，其中機架以Pro/E軟件建模后倒入。三角履帶輪模型如圖8所示。

圖8 三角履帶輪模型示意圖

救援車輛車體以質量塊進行簡化，質量為24 t，前后輪軸距為4 230 mm，左右輪輪距為2 076 mm。通過4個平動約束和4個線性彈簧模擬車輛減振系統(tǒng)。減振系統(tǒng)及三角履帶輪張緊裝置線性彈簧參數(shù)設置以實驗獲得的數(shù)據(jù)進行設置，這里不再贅述，整車行駛系統(tǒng)簡化模型如圖9所示。

圖9 救援車輛行駛系統(tǒng)模型示意圖

2.2 約束的施加

為了如實反映整車各個部件的連接關系，需要添加相應的約束關系，才能進行正確的仿真[12]，利用Joint命令對部件之間添加約束關系，救援車輛各部件約束關系如表2所示。

表2 救援車輛約束關系

2.3 路面模型的建立

以履帶與地面間的接觸壓力為依據(jù)，路面模型可利用軟件自帶的Ground模塊建立，通過Outline Geometry生成法來生成水平路面、上坡路面(坡度60%)和含障礙的路面(路面上有300 mm高障礙及1.7 m寬，400 mm深的溝)。本文不考慮土壤的不同所造成的影響，統(tǒng)一采用默認的硬質路面進行仿真分析。3種路面的示意圖如圖10。

圖10 3種路面示意圖

3 不同工況力學性能仿真分析

將三角履帶救援車輛設置為四輪驅動，整個系統(tǒng)單位制設置為MKS，仿真時間為15 s，步數(shù)為600。為了便于研究，只選取右前側三角履帶輪某個鏈節(jié)的受力曲線分析履帶受力。

3.1 不同行駛速度對履帶拉力的影響

履帶車輛的動力是通過驅動輪實現(xiàn)的，驅動輪驅動履帶環(huán)，進而驅動車體前進[13]。驅動輪的轉動通過在驅動輪與底盤之間的轉動副上添加step驅動函數(shù)實現(xiàn)。step函數(shù)可以通過3次多項式逼近的方式定義一個光滑的階躍函數(shù)，其表達式為：step(time，x1，h1，x2，h2)[14]。

其中：time為時間自變量；x1為step函數(shù)的起點自變量初值；h1為step函數(shù)的起點處函數(shù)初值；x2為step函數(shù)的終點自變量的值；h2為step函數(shù)的終點處函數(shù)值。

保持預張緊力為60 kN，路面為水平路面，根據(jù)20 km/h、35 km/h、50 km/h三種車輛行駛速度和驅動輪半徑計算驅動輪角速度并進行驗證，得到對應的驅動函數(shù)分別為：STEP(TIME,3,0,6,10.5)；STEP(TIME,3,0,6,18.4)；STEP(TIME,3,0,6,26.2)。不同行駛速度下履帶拉力曲線如圖11所示。

圖11 不同速度工況下三角履帶受力曲線

從圖11可以看出：0～3 s車輛達到靜平衡狀態(tài)，此階段3條曲線基本重合，履帶拉力為預張緊力60 kN，救援車輛從第3 s開始加速，第6 s加速到仿真速度然后勻速行駛，單個履帶板行駛過程中周期進入履帶緊邊和松邊，當進入緊邊時履帶拉力出現(xiàn)極大值，當進入松邊時履帶拉力出現(xiàn)極小值，因此6 s之后的勻速行駛階段，3條曲線中履帶板受力呈現(xiàn)周期性變化，周期為履帶板循環(huán)一周的時間，通過履帶總長與速度的換算，3種速度下受力循環(huán)周期分別為1.16 s、0.657 s、0.46 s。從圖11受力曲線虛框所示位置提取不同速度下2個周期履帶拉力曲線如圖12～圖14。

圖12 20 km/h勻速行駛2個周期履帶拉力曲線

圖13 35 km/h勻速行駛2個周期履帶拉力曲線

從圖12～圖14可以看出，履帶受力周期與計算值吻合。履帶最大拉力和平均拉力均隨著車輛行駛速度的增大而增大，主要是由于行駛速度的增大，會導致履帶離心力的增大，為克服因離心力導致的履帶向外運動的趨勢，履帶拉力會相應的增大。總體而言履帶受力雖然隨速度增大而增大，但是速度對履帶拉力的影響并不大，3種速度工況下履帶平均拉力分別在預張緊力的基礎上增大了2.4 kN、2.9 kN、4.8 kN。

圖14 50 km/h勻速行駛2個周期履帶拉力曲線

3.2 不同預張緊力對履帶拉力的影響

保持車速為20 km/h，路面為水平路面，預張緊力分別設置為40 kN、60 kN、80 kN。不同預張緊力下履帶拉力曲線如圖15。

圖15 不同預張緊力下三角履帶拉力曲線

從圖15可以看出，0～3 s車輛達到靜平衡狀態(tài)，此階段履帶拉力基本與預張緊力一致，3～6 s車輛從靜止加速到20 km/h，6 s后速度維持在20 km/h。由于車輛行駛速度相同，履帶受力周期基本一致。從圖15受力曲線中虛框所示位置提取不同預張緊力下2個周期的履帶拉力曲線如圖16～圖18所示。

從圖16～圖18可以看出：不同預張緊力時，履帶平均拉力分別為：39.5 kN、62.4 kN、82.3 kN，均與預張緊力基本一致；履帶最大拉力與最小拉力的差值分別為：17.55 kN、20 kN、17.3 kN，該差值是驅動力矩引起的，由此可知雖然履帶拉力隨預張緊力增大顯著增大，但由于行駛條件沒有變化，所需的驅動力矩變化不大。

圖16 40 kN預張緊力下2個周期履帶拉力曲線

圖18 80 kN預張緊力下2個周期履帶拉力曲線

3.3 不同路況對履帶拉力的影響

設置仿真條件使車輛從靜止加速至10 km/h，并以此速度上坡和通過障礙，坡道結束及通過障礙后，車輛再加速至35 km/h，預張緊力為60 kN，分別對水平路面行駛、上坡、通過障礙進行仿真，履帶拉力曲線如圖19。

圖19 不同路面條件下三角履帶受力曲線

從圖19可以看出：0～2 s車輛達到靜平衡狀態(tài)，此階段履帶拉力與預張緊力一致為60 kN，3～5 s車輛加速至10 km/h并勻速行駛，上坡及通過障礙前3條曲線基本重合。從車體縱向位移曲線可以看出，第6 s開始上坡及通過障礙，通過坡道及障礙后11～13 s加速至35 km/h，提取虛框所示履帶拉力曲線進行分析，如圖20～圖22所示。

圖20 水平路面行駛時履帶受力曲線

從圖20可以看出：此時車輛以10 km/h勻速行駛，履帶受力周期明顯，且與受力周期計算值2.32 s吻合較好，上坡時，履帶受力也基本上保持相同的周期，通過障礙時，由于障礙的沖擊作用，履帶受力周期性不明顯。對比圖20～圖22，3種路況下履帶受力最大值與最小值的差值分別為 16.5 kN、36.7 kN、28.6 kN，通過前文理論分析，該差值是由驅動轉矩導致的，差值越大說明驅動轉矩越大，即上坡和通過障礙時，動力源需要輸出的轉矩成倍增大，同時上坡及通過障礙時履帶的最大拉力分別比水平路面行駛時高出8.8 kN、5.5 kN。

圖21 上坡時履帶受力曲線

圖22 通過障礙時履帶受力曲線

4 結論

1) 救援車輛履帶拉力隨著車輛行駛速度的增大而增大，但行駛速度對拉力大小的影響并不顯著，不同行駛速度下的履帶拉力平均值在預張緊力上下小幅度波動。

2) 救援車輛履帶拉力隨著預張緊力增大而顯著增大，拉力過大會導致三角履帶輪系與履帶摩擦力增大，功率損耗及零部件磨損都會加大，拉力過小會導致履帶松弛，行駛過程中可能導致履帶劇烈振動，甚至履帶脫落，因此應結合車輛行駛工況及三角履帶輪結構，合理選擇預張緊力。

3) 不同路面條件，對履帶拉力影響較大，上坡、通過障礙時，履帶拉力會較大幅度增大，根據(jù)應急救援車輛機動性能設計要求，應考慮履帶受力最大的工況，即最大爬坡度工況的履帶載荷進行履帶的設計。