李孟華， 閻 闊， 宋 凱， 代健健， 何立龍

(1.駐長春地區(qū)第二軍事代表室，吉林長春 130011；2.中國北方車輛研究所，北京 100072)

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭特別是高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭，要求軍用車輛能夠迅速有效地執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，全境地域的應(yīng)急機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)將成為未來戰(zhàn)爭的主要形式.未來戰(zhàn)爭還將具有全地域、全天候協(xié)同作戰(zhàn)的特點(diǎn)，要求輪式裝甲車輛具有在各種復(fù)雜路面如凹凸路、軟硬路、砂石路等路面都具有很好的機(jī)動(dòng)性，在風(fēng)沙、泥濘、雨雪等自然環(huán)境下也能正常行駛，具備快速機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)的能力.模塊化獨(dú)立懸架技術(shù)可大幅提升軍用車輛在強(qiáng)沖擊、振動(dòng)等極端環(huán)境條件下的機(jī)動(dòng)性能.發(fā)達(dá)國家在高機(jī)動(dòng)越野車輛上已開始大量使用高性能的模塊化獨(dú)立懸架技術(shù)，產(chǎn)品廣泛地覆蓋了各種車輛領(lǐng)域，由于其互換性、通用性強(qiáng)，適合大規(guī)模生產(chǎn)配套，使成本逐漸降低，所以對(duì)提升裝甲裝備的越野機(jī)動(dòng)能力具有重要推動(dòng)意義.因此，有必要梳理國內(nèi)外有關(guān)模塊化獨(dú)立懸架技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，明晰模塊獨(dú)立懸架在提升車輛性能方面上的特點(diǎn)，并深入開展該項(xiàng)技術(shù)研究.

1 模塊化獨(dú)立懸架的理論研究及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外理論研究及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 理論研究現(xiàn)狀

國外學(xué)者在雙橫臂獨(dú)立懸架的研究方面主要集中在以下幾個(gè)方面：獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)方法的確定、獨(dú)立懸架參數(shù)對(duì)車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的影響規(guī)律、獨(dú)立懸架與轉(zhuǎn)向系的匹配優(yōu)化、懸架系統(tǒng)彈性元件的設(shè)計(jì)分析、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的硬點(diǎn)坐標(biāo)優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、前輪定位參數(shù)的設(shè)計(jì),等等.同時(shí)隨著電子、微機(jī)技術(shù)的革新，獨(dú)立懸架正向著智能化、輕量化、小型化、通用化的方向發(fā)展.

汽車獨(dú)立懸架中所用到的螺旋彈簧的理論研究開始于19世紀(jì)中葉，Thompson等在20世紀(jì)初就己經(jīng)對(duì)螺旋彈簧理論作了深入研究.目前，廣泛應(yīng)用的彈簧應(yīng)力和變形的計(jì)算公式是根據(jù)材料力學(xué)推導(dǎo)出來的.1993年Toshio Hamano對(duì)變中徑的螺旋彈簧進(jìn)行深入分析，提出對(duì)螺旋彈簧變形與壓力的關(guān)系可以按照梁單元進(jìn)行分析計(jì)算，此方法優(yōu)點(diǎn)是梁單元節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)少、計(jì)算規(guī)模小并且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度較高[1].其后Michel Langa也對(duì)螺旋彈簧的受力變形作出了進(jìn)一步的分析，文中將每個(gè)螺旋彈簧的單元按照梁單元分析計(jì)算，并對(duì)螺旋彈簧的大變形量進(jìn)行了討論[2].但是隨著現(xiàn)代車輛性能提升，線性剛度的圓柱螺旋彈簧已經(jīng)無法滿足車輛對(duì)平順性以及操控性的要求，而對(duì)于彈簧3個(gè)主要參數(shù)均變化的“三變”螺旋彈簧，使用梁單元進(jìn)行分析則需定義許多截面使前處理工作量很大，而且梁單元在處理接觸問題時(shí)也比較麻煩.近年來，彈簧的有限元設(shè)計(jì)方法已進(jìn)入了實(shí)用化階段，出現(xiàn)了不少有實(shí)用價(jià)值的設(shè)計(jì)思路.彈簧有限元非線性分析方法，在彈簧技術(shù)水平較高國家也已進(jìn)入實(shí)用化階段.2020年，Kushwah Sagarsingh等人采用有限元分析方法對(duì)不同材料的螺旋彈簧進(jìn)行優(yōu)化[3].

1.1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

國外模塊化獨(dú)立懸架技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，以雙橫臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)為代表，已實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)、通用化生產(chǎn)和系列化發(fā)展，形成了載荷覆蓋2 ～13 t的系列化產(chǎn)品型譜.其中，美國通用動(dòng)力AxleTech、Oshkosh、愛爾蘭的Timoney等公司最具代表性，世界各國軍用輪式車輛配置的模塊化獨(dú)立懸架約80%為這幾家公司所生產(chǎn).

AxleTech公司已經(jīng)成為世界模塊化雙橫臂獨(dú)立懸架制造商的典范.該公司2000、3000、4000、5000系列模塊化獨(dú)立懸架是21世紀(jì)初投產(chǎn)的處于世界領(lǐng)先水平的懸架(如圖1所示).從最初確定懸架方案就考慮了產(chǎn)品模塊化、通用化和系列化發(fā)展，系列懸架采用了相同的機(jī)構(gòu)方案，可以整體模塊化吊裝，也可以靈活拆分，不僅大幅提升了車輛的越野機(jī)動(dòng)能力，對(duì)維修性、通用性也有質(zhì)的飛躍.

圖1 AxleTech模塊化獨(dú)立懸架

美國Oshkosh公司是美軍戰(zhàn)術(shù)車輛主要供應(yīng)商.該公司生產(chǎn)的TAK-4型模塊化獨(dú)立懸架具有很高的通用性，其懸架行程為406 mm，目前已列裝于美軍10 t級(jí)重型高機(jī)動(dòng)性戰(zhàn)術(shù)卡車(HEMTT，8×8)、15 t級(jí)的貨盤裝載系統(tǒng)(PLS，10×10)、7 t級(jí)的中型戰(zhàn)術(shù)替代車輛(MTVR，6×6)超過10 000輛和15 t級(jí)的后勤車輛系統(tǒng)的替代車輛(LVSR，10×10)，如圖2所示.Oshkosh公司新研發(fā)的聯(lián)合輕型戰(zhàn)術(shù)車輛(Joint Light Tactical Vehicle (JLTV))應(yīng)用了其新款TAK-4i型模塊化獨(dú)立懸架，懸架總行程達(dá)到508 mm.JLTV是目前世界上戰(zhàn)術(shù)車輛發(fā)展的最高水平，也是未來戰(zhàn)術(shù)車輛的發(fā)展趨勢(shì)[4].該車的開發(fā)是基于Oshkosh公司的輕型戰(zhàn)術(shù)全地形車，已經(jīng)通過64萬公里的耐久性考核，它提供了良好的越野機(jī)動(dòng)性.美國陸軍及海軍陸戰(zhàn)隊(duì)于2015年8月選中Oshkosh公司對(duì)其現(xiàn)役的“悍馬”進(jìn)行替換.圖3為換裝模塊化獨(dú)立懸架前后的悍馬對(duì)比圖.可以看出采用了TAK-4i型模塊化獨(dú)立懸架后，車輛平衡位置距地高得到顯著提升，具有優(yōu)越的通過能力和防雷性能，同時(shí)模塊化吊裝使該車的維修性、互換性也得到了很大改善，極大地方便了戰(zhàn)場維護(hù)保養(yǎng).

圖2 Oshkosh公司TAK-4型模塊化獨(dú)立懸架

圖3 換裝TAK-4i獨(dú)立懸架系統(tǒng)的“悍馬”(右)與傳統(tǒng)“悍馬”對(duì)比

愛爾蘭Timoney公司是軍用及商用重型運(yùn)載車輛獨(dú)立懸架的領(lǐng)先設(shè)計(jì)供應(yīng)商，20世紀(jì)90年代曾是Oshkosh中型戰(zhàn)術(shù)車輛模塊化獨(dú)立懸架供應(yīng)商.目前該公司模塊化獨(dú)立懸架主要應(yīng)用于美國空軍8×8高機(jī)動(dòng)機(jī)場救援卡車、英國國防研究機(jī)構(gòu)的6×6高機(jī)動(dòng)運(yùn)載車輛(HMLC)和美國坦克及機(jī)動(dòng)車輛研究所的樣車.其特點(diǎn)是集成化程度高，不同承載噸位的產(chǎn)品系列均采用了儲(chǔ)能比更大的變剛度螺旋彈簧(如圖4所示).

圖4 Timoney公司模塊化獨(dú)立懸架

綜上所述，國外大量軍事特種車輛都進(jìn)行了模塊化雙橫臂獨(dú)立懸架技術(shù)的改造升級(jí)，以顯著提升越野機(jī)動(dòng)能力和裝甲防護(hù)的承載能力，已成為該專業(yè)領(lǐng)域的主流方向，并占據(jù)了國際上大部分裝備市場，具有廣闊的應(yīng)用前景.

1.2 國內(nèi)理論研究及發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 理論研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在雙橫臂獨(dú)立懸架方面的研究還處于起步階段，近年來，一些高等院校逐步開展了該方面的理論研究，并發(fā)表了部分學(xué)術(shù)論文，但主要還是應(yīng)用線性振動(dòng)理論研究車輛乘坐動(dòng)力學(xué)，而基于非線性振動(dòng)理論的數(shù)學(xué)建模與分析還未引起足夠重視，無法滿足獨(dú)立懸架產(chǎn)品研發(fā)的技術(shù)需求，制約了雙橫臂獨(dú)立懸架的發(fā)展和推廣應(yīng)用.

國內(nèi)的汽車行業(yè)起步較晚，與國外在非線性剛度懸架系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段相比，我國雖有這方面的技術(shù)開發(fā)，但尚未形成使用模型.1998年以來，國內(nèi)該領(lǐng)域的專家先后從空間解析幾何的角度描述了雙橫臂獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[5]；通過對(duì)變剛度螺旋彈簧的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行推導(dǎo)和整理，完成了能實(shí)現(xiàn)變剛度特性的單獨(dú)變彈簧中徑、變簧絲直徑和變螺旋角螺旋彈簧的設(shè)計(jì)方法[6]；通過軟件建模、仿真分析，在約束條件下對(duì)前懸架進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]；通過對(duì)變剛度的車輛減振系統(tǒng)研究，對(duì)組合彈簧進(jìn)行等效剛度計(jì)算，采用等效線性化方法分析非線性變剛度組合彈簧模型，并對(duì)組合彈簧等效剛度線性化處理的合理性進(jìn)行了仿真分析[8]；建立變參數(shù)螺旋彈簧壓縮過程的數(shù)學(xué)模型，研究結(jié)果表明三變參數(shù)螺旋彈簧的剛度特性可以接近油氣彈簧的剛度特性[9];建立同軸交叉互聯(lián)式客車油氣懸架系統(tǒng)模型，研究結(jié)果表明，油氣懸架在平順性及抗側(cè)傾性能方面遠(yuǎn)優(yōu)于空氣懸架[10].

1.2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)現(xiàn)有車型中還沒有成熟應(yīng)用模塊化獨(dú)立懸架技術(shù)的先例.北汽的“勇士”采用了仍舊為整體式橋的非獨(dú)立懸架系統(tǒng)，東風(fēng)“猛士”采用了雙橫臂獨(dú)立懸架技術(shù)，但承載能力有限且沒有突破“三變”彈簧的關(guān)鍵技術(shù)，一汽的中型高機(jī)動(dòng)越野平臺(tái)也采用了雙橫臂獨(dú)立懸架，前橋?yàn)榕U彈簧，后橋?yàn)槿兟菪龔椈桑恢袊仄闹匦瓦\(yùn)載車輛獨(dú)立懸架系統(tǒng)，主要應(yīng)用于非公路用重型卡車；中國航天三江集團(tuán)的雙橫臂雙扭桿獨(dú)立懸架系統(tǒng)應(yīng)用于多軸重型運(yùn)載車輛，行駛工況主要以鋪面路為主；某輪式步兵戰(zhàn)車采用了擺臂為焊接結(jié)構(gòu)的獨(dú)立懸架，其基型底盤和變形車系列在裝甲、武警、防爆等特種車輛領(lǐng)域大量應(yīng)用[11].

第1代猛士采用斷開時(shí)“門式”橋+雙A型擺臂構(gòu)成的獨(dú)立懸架，制動(dòng)分泵設(shè)定在靠近差速器，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、分動(dòng)器、傳動(dòng)軸以及懸架全部固定在梯形車架上；圖5為2代長軸4輪驅(qū)動(dòng)猛士裝甲車前懸架、差速器及軸間制動(dòng)系統(tǒng)特寫，從這個(gè)角度清晰可見前差速器與傳動(dòng)半軸間布置的軸間制動(dòng)系統(tǒng)的通風(fēng)制動(dòng)盤，懸架系統(tǒng)的零散件較多，集成化和模塊化程度還比較低，相較于第1代猛士，懸架形式未發(fā)生改變，對(duì)下A臂進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)[12].圖6為3代猛士甲高機(jī)動(dòng)前懸架，沒有沿用2代“猛士”系列裝甲車的“門式橋”和軸間制動(dòng)系統(tǒng)，采用了集成了轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、差速等功能的模塊化設(shè)計(jì)思路，降低了制造工藝要求，提升了大規(guī)模量產(chǎn)的良品率.

圖5 2代猛士裝甲車前懸架 圖6 3代猛士甲高機(jī)動(dòng)前懸架

2 模塊化獨(dú)立懸架特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

隨著基礎(chǔ)理論和制造技術(shù)的發(fā)展，具有高穩(wěn)定性、高承載力的模塊化獨(dú)立懸架系統(tǒng)已逐步成為輪式裝甲車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置.通過合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，可減小車輪跳動(dòng)時(shí)引起前輪定位參數(shù)和輪距的過大變化，避免輪胎的過度磨損，而且可以使動(dòng)力總成的位置降低，整車質(zhì)心位置下降，為行動(dòng)系統(tǒng)在復(fù)雜工況下持久穩(wěn)定工作提供關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)的解決方案.在某重大項(xiàng)目中，我國突破了變剛度螺旋彈簧、高耗散減振器、輕量化雙橫臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、免維護(hù)軸承等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)大幅提升武器裝備的戰(zhàn)斗力，滿足新一代裝備發(fā)展需要具有重大意義，大幅縮小了與發(fā)達(dá)國家在技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)差距.

2.1 提高車輛行駛平順性

車輛通過彈性裝置將非懸架質(zhì)量(如車輪及車橋部件等)和懸架質(zhì)量(車身)連接起來，如圖7所示,圖7(a)中非獨(dú)立懸架的紅色車輪、車橋的質(zhì)量和圖7(b)中獨(dú)立懸架的紅色車輪、轉(zhuǎn)向節(jié)的質(zhì)量為非懸架質(zhì)量，圖7(a)和(b)中藍(lán)色懸架支撐質(zhì)量為懸架質(zhì)量，圖7(a)中的紫色懸架系統(tǒng)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和圖7(b)中的紫色懸架系統(tǒng)、半軸，其懸架質(zhì)量和非懸架質(zhì)量各約占50%.當(dāng)車橋等非懸架質(zhì)量較大時(shí)，車橋的反應(yīng)會(huì)因?yàn)閼T性而延遲，大部分沖擊能量首先通過變形被儲(chǔ)存在充氣輪胎中，輪胎很快通過恢復(fù)形狀將能量釋放而將車橋飛速上推.在某些速度下車橋的位移可能大于障礙物的尺寸，從而將巨大的力量通過懸架彈簧作用在車輛上，降低車輛行駛平順性.對(duì)于配裝整體式車橋的車輛來言，在空載時(shí)后輪懸架質(zhì)量可能小于非懸架質(zhì)量，在此情況下振動(dòng)可能越發(fā)劇烈會(huì)導(dǎo)致車輪從地面彈起.同時(shí)較大的非懸架質(zhì)量可能在振動(dòng)過程中2～3個(gè)循環(huán)后才能回到平衡位置，對(duì)車輛產(chǎn)生了更大擾動(dòng)并在結(jié)構(gòu)里生成噪音.采用模塊化獨(dú)立懸架系統(tǒng)則可以減少非簧載質(zhì)量，從而明顯地減小沖擊振動(dòng)，且車輛的轉(zhuǎn)向響應(yīng)更加穩(wěn)定，車輛行駛平順性更好.

圖7 非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架質(zhì)量對(duì)比

2.2 改善車輛操縱穩(wěn)定性

車輛的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到疲勞、緊張的條件下，車輛能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí)，車輛能抵抗干擾而保持穩(wěn)定性的能力[13].操縱穩(wěn)定性不僅影響到操縱方便程度，而且是決定高速車輛安全行駛的一個(gè)主要性能指標(biāo).

獨(dú)立懸架可以減小車輛傾角的變化(如8所示)，使車輪仍保持與地面垂直，有助于車輛的行駛方向穩(wěn)定.此外獨(dú)立懸架可以增大懸架系統(tǒng)的側(cè)傾角剛度，以減小車身側(cè)傾角和角振動(dòng).

圖8 懸架形式對(duì)比

對(duì)于非獨(dú)立懸架來說，大的非懸架質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致輪胎接觸應(yīng)力變化劇烈.這會(huì)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向力的穩(wěn)定性有不良影響，對(duì)于負(fù)載較少的配備整體式驅(qū)動(dòng)橋的車輛來說尤甚.因此采用獨(dú)立懸架具有較小的非懸架質(zhì)量使得輪胎與地面穩(wěn)定貼合，因此車輛具有更好的操縱穩(wěn)定性.但行駛平順性與操縱穩(wěn)定性是相互制約的一對(duì)矛盾體，不能同時(shí)具備最優(yōu)的行駛平順性和最優(yōu)的操縱穩(wěn)定性，只能做優(yōu)化折中，而優(yōu)化后的模塊化獨(dú)立懸架能夠在較大程度上使車輛盡可能同時(shí)擁有較好的行駛平順性與操縱穩(wěn)定性.

3 結(jié)束語

隨著基礎(chǔ)理論和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，具有高穩(wěn)定性、高承載力并能實(shí)現(xiàn)整體式吊裝的模塊化獨(dú)立懸架系統(tǒng)已逐步成為輪式裝甲車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置.雖然國內(nèi)外在模塊化獨(dú)立懸架的理論研究及應(yīng)用上還存在一定差距，但我國在突破了變剛度螺旋彈簧、高耗散減振器、輕量化雙橫臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、免維護(hù)軸承等關(guān)鍵技術(shù)后，提升了武器裝備的戰(zhàn)斗力，大幅縮小了與發(fā)達(dá)國家在技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)差距，但仍需繼續(xù)深入開展模塊化獨(dú)立懸架技術(shù)研究，加緊研制更高性能、更具產(chǎn)業(yè)化能力的模塊化獨(dú)立懸架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)核心部件關(guān)鍵技術(shù)的突破和革新，縮短與發(fā)達(dá)國家在車輛減振和越野性能方面的差距，對(duì)提升我國輪式裝甲車輛底盤的核心競爭力具有重要的意義和作用.