中圖分類號(hào)：U469.79 收稿日期：2025-03-27 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.011

Abstract：Thesuspensionsystemisthecorepartofthetrackedvehicle，whichdirectlybears theimpacttransmited from the groundthroughthetrack，idlerwhlbalancingelbow.Thestfesscurveofthesuspensionsystedirectlyaectsthedampingeffect. Thevehiclesuspensionsystemisgenerallcomposedofelasticelements，dampingelements，limiters，guidedevicesanduxiliarydevices，andthecoreofthesuspensionisteelasticelementsanddampingelements.Theelasticelementabsorbsenergythroghdeforation，whichcorrespondstoestifsoftsuspesion；damingemntistheateaioofration，chcoespostothe dampingofthesuspension.Bycomparingthemaximumloadandthestaticbalanceloadandcomparing themaximumstrokeandstatic strokeofsuspensioncylinder，theleverratioandtheinitialpressureareoptimizedtoachieveteoptimizationoftesuspensionsste.

Key words：Tracked vehicle;Suspension system;Leverage ratio;Optimal design

1前言

履帶車輛在多種惡劣道路和地形條件下都具有出色的越野能力，但其行駛過(guò)程中伴隨著較強(qiáng)的振動(dòng)，不僅影響車輛的操作舒適性，還可能對(duì)車輛結(jié)構(gòu)、設(shè)備、系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)傳動(dòng)元件等造成損壞，甚至可能產(chǎn)生共振，對(duì)車輛損壞更大。因此針對(duì)履帶車輛振動(dòng)問(wèn)題，優(yōu)化懸掛結(jié)構(gòu)，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

懸掛系統(tǒng)是履帶車輛極為重要的一部分，通過(guò)彈簧與阻尼器來(lái)緩解路面不平對(duì)車身造成的沖擊，衰減車身振動(dòng)。懸掛系統(tǒng)的減振性能會(huì)直接影響到車輛的行駛平順性及乘坐舒適性，其設(shè)計(jì)是否合理直接影響履帶車輛性能的好壞[1]。

到目前為止，國(guó)內(nèi)成熟的兩棲車高速履帶底盤采用油氣懸掛，以滿足水陸兩種不同工況切換的需求。在設(shè)計(jì)時(shí)，一般先按照越野工況，如路面起伏、越障高度等工況匹配彈性元件。然后，再根據(jù)彈性元件與車體匹配后的振動(dòng)特性設(shè)置阻尼元件（減振器）[2]。其中，彈性元件設(shè)置時(shí)，為保證懸掛能可靠的緩沖路面帶來(lái)對(duì)車體的沖擊，滿足越野需求，有兩個(gè)重要的指標(biāo)：

a.總比位能入，它是將車輛抗沖擊的能力等效為一個(gè)高度值 λ ，即假設(shè)車輛從高空跌落，懸掛全伸到自由高度至懸掛剛好接近限制器，懸掛對(duì)車輛不產(chǎn)生剛性沖擊。顯然，入值越大，車輛的抗沖擊能力越強(qiáng)，平衡肘撞擊限制器的概率越小。在負(fù)重輪行程一定的條件下，入值越大，要求彈性元件剛度越大，但剛度越大，會(huì)使自由振動(dòng)周期越小，車輛行駛平順性越差。而實(shí)際空中自由落體的工況很少，基本上跌落前后車輛都處于靜平衡狀態(tài)，因此，一般用動(dòng)比位能 λ_d 衡量，即車輛從懸掛靜平衡高度時(shí)跌落到懸掛剛好接近限制器而不產(chǎn)生剛性沖擊。同樣也是動(dòng)比位能 λ_d 越大，車輛的越野抗沖擊能力越強(qiáng)。

b.動(dòng)行程 h_d ，是指負(fù)重輪從靜平衡位置至最高位置（平衡肘接觸限制器）的垂直行程，同樣，動(dòng)行程越大越野性能越好。實(shí)際上，動(dòng)比位能 λ_d 越大，動(dòng)行程 h_d 一般也大。幾種型號(hào)履帶底盤的比位能和動(dòng)行程如表1所示。

另外，根據(jù)對(duì)比多種型號(hào)的履帶車輛，彈性元件最大變形時(shí)的最大載荷一般為靜載荷的3倍左右。目前，履帶車輛的懸掛最大載荷基本都在3倍左右[3]。因此，針對(duì)履帶車輛懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，建議先從彈性匹配著手解決緩沖可靠性的問(wèn)題，在確保懸掛可靠工作的基礎(chǔ)上再優(yōu)化阻尼，且開(kāi)始時(shí)阻尼盡量不要太大，以避免因阻尼太大干擾了彈性系統(tǒng)的匹配。

2油氣懸掛的特性

2.1非線性剛度

傳統(tǒng)汽車車輛大多以鋼板彈簧為主的懸掛，其剛度特性是固定不變的，而傳統(tǒng)履帶車輛的油氣懸掛為非線性剛度，彈性介質(zhì)是惰性氣體，如氮?dú)獾?，其剛度可以隨外部受力的變化而變化。

2.2非線性阻尼

車體與地面相對(duì)速度主要與油氣懸掛的阻尼有關(guān)，改變懸掛的阻尼振動(dòng)，可以減少車體相對(duì)于地面的距離劇烈變化，防止起步或急加速急減速履帶車輛的晃動(dòng)，防止緊急剎車時(shí)車頭下降而受到極大的瞬間沖擊力，提高行駛的平穩(wěn)性。

2.3整車高度可調(diào)

油氣懸掛可以通過(guò)改變氣腔氣體的壓力大小，調(diào)節(jié)懸掛的安裝距，即調(diào)整高度，也可以改變大小腔油液的量來(lái)調(diào)整油氣懸掛的安裝距，即間接調(diào)整高度，保證整車的通過(guò)性能。在整車高度有指標(biāo)的情況下，油氣懸掛可以做到調(diào)節(jié)，這是扭桿彈簧所不能達(dá)到的。對(duì)于有鐵路、公路及空運(yùn)時(shí)有尺寸要求的履帶車輛整車，高度可以調(diào)節(jié)顯得尤為重要。

2.4結(jié)構(gòu)緊湊易于布置

油氣懸掛的阻尼沒(méi)有附帶專用減震器，而是把減振器融進(jìn)懸掛缸內(nèi)，用浮動(dòng)活塞將液氣分開(kāi)，更能適應(yīng)履帶車輛大距離緩沖行程的需要。同時(shí)，油氣懸掛彈簧系統(tǒng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于拆卸等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)緊湊易于布置，在整車高度有限制要求的履帶底盤上，要優(yōu)于扭桿式懸掛。油氣懸掛可以布置在車體兩側(cè)，不占用高度空間[4]。

3現(xiàn)有懸掛系統(tǒng)分析

油氣懸掛是利用密封容器內(nèi)的高壓氣體來(lái)作為彈性元件的一種懸掛裝置。氣室的浮動(dòng)活塞一端充入高壓氮?dú)?，浮?dòng)活塞的另一端是油腔，它與主油缸的油腔相通，浮動(dòng)活塞用來(lái)隔離油液與氮?dú)狻．?dāng)履帶車輛行駛時(shí)，負(fù)重輪駛上凸起物時(shí)，主油缸無(wú)桿腔出油有桿腔進(jìn)油，即主油缸安裝距變小，油液受壓縮經(jīng)管路到氣室，通過(guò)浮動(dòng)活塞壓縮氮?dú)?，使氮?dú)鈮毫υ龃?，體積縮小，氮?dú)馕漳芰慷鸬骄彌_作用。當(dāng)負(fù)重輪駛出凸起物后，氮?dú)怏w積膨脹，氣壓減小，放出能量，推動(dòng)浮動(dòng)活塞把油壓回主油缸，油液進(jìn)入主油缸無(wú)桿腔，即主油缸安裝距離變大，如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣室中的氮?dú)鈺r(shí)而壓縮吸收能量，時(shí)而放出能量，其作用相當(dāng)于一個(gè)可以改變剛性的彈性元件。

根據(jù)某車輛數(shù)學(xué)模型對(duì)懸掛及重量指標(biāo)做優(yōu)化，負(fù)重輪是履帶式車輛行走部分的重要零部件之一，懸掛與負(fù)重輪通過(guò)內(nèi)外平衡時(shí)相對(duì)作用，支持車體并保持車體在履帶上滾動(dòng)，取某車輛為研究對(duì)象，下面進(jìn)行具體分析。

整車重量8t，油氣懸掛缸筒內(nèi)徑定為 ?70mm ，桿徑 d_g=Φ50mm ，整車靜平衡狀態(tài)下基準(zhǔn)長(zhǎng)度 L₀=620mm （對(duì)應(yīng)離地高 H=350mm ），最大行程 240mm （壓縮方向L_y=115mm ，伸長(zhǎng)方向 L_s=125mm ，蓄能器容積 V₀=0.5L .蓄能器氣缸直徑 Φ65mm ，長(zhǎng)度約 150mm ，初始?jí)毫Φ谌⑺膶?duì)懸掛氣壓 P₀=1.6MPa ，第一、二對(duì)懸掛氣壓調(diào)整至 P₀=2.0MPa ，如圖1所示。

1.誘導(dǎo)輪2.內(nèi)平衡肘3.第一對(duì)負(fù)重輪4.履帶5.外平衡肘6.懸掛油缸7.蓄能器8.主動(dòng)輪

3.1行程與彈性力分析

懸掛缸的行程為 x，x=0 時(shí)蓄能器容積為 V₀ ，壓力則對(duì)應(yīng)行程 x 時(shí)的容積為：

其中，容積 V 的單位為L(zhǎng)，行程 x 的單位為 mm ○

由于工作時(shí)間很短，一定行程內(nèi)工作溫度近似不變，由 ，取 m=1.25 得：

不考慮阻尼，此時(shí)作用在活塞桿上的彈性力為：

由上可得懸掛缸彈性力隨行程的變化，如圖2所示。按照此前設(shè)計(jì)，懸掛油缸長(zhǎng)度 L₀=620mm 時(shí)對(duì)應(yīng)離地高度 H=350mm ，此時(shí)，對(duì)應(yīng)負(fù)重輪支反力的力臂為295mm ，內(nèi)平衡肘力臂為 292mm 。假設(shè)兩側(cè)下支履帶和負(fù)重輪的總重為 500kg ，每個(gè)懸掛平均支撐車重，則單個(gè)負(fù)重輪受的垂直力（即懸置重量）為：

對(duì)應(yīng)懸掛缸彈性力為：

對(duì)照?qǐng)D2可得，此時(shí)對(duì)應(yīng)懸掛的行程 x_j=147mm 。當(dāng)油缸彈性力為 時(shí)，對(duì)應(yīng)行程為 235mm ；而當(dāng)行程達(dá)到最大值 240mm 時(shí)，油缸彈性力大于 110kN 。不考慮系統(tǒng)（如花鍵等）是否可以承受該彈性力，可得懸掛缸從靜平衡壓縮至最短長(zhǎng)度的實(shí)際行程只有 240mm^- 147mm=93mm ，若以 為最大彈性力上限，則懸掛缸實(shí)際壓縮行程為 88mm ，對(duì)應(yīng)負(fù)重輪動(dòng)行程約91mm 。另外，考慮第一對(duì)負(fù)重輪承載略大于第二、三對(duì)負(fù)重輪，若按平均值的1.2倍（即14121.6N），靜平衡行程約 165mm ，懸掛油缸實(shí)際壓縮行程為 70mm ，負(fù)重輪動(dòng)行程為 71.6mm 。

對(duì)應(yīng)如圖3中虛線所示，當(dāng)初始?jí)毫?P₀ 提高至 2.0MPa 時(shí)，靜平衡位置的行程變?yōu)?126mm ，對(duì)應(yīng)80kN 彈性力對(duì)應(yīng)的行程約為 230mm ，實(shí)際壓縮行程變?yōu)?104mm ，對(duì)應(yīng)負(fù)重輪動(dòng)行程約 108mm 。因此，通過(guò)對(duì)比，可以看出方案的初始?jí)毫Σ缓侠?，從圖2可知，初始?jí)毫υ礁?，懸掛彈性系?shù)越大，提高初始?jí)毫?duì)增大懸掛實(shí)際壓縮行程有效，更有利于越野沖擊時(shí)懸掛吸收能量，對(duì)整車抗越野沖擊有更好的效果。

3.2動(dòng)比位能分析

單個(gè)懸掛的動(dòng)比位能為：

當(dāng)初始?jí)毫?P₀ 為 1.6MPa 時(shí)， x_j=147mm ，按懸掛缸最大力為 設(shè)計(jì)，取最大行程為 235mm ，則動(dòng)比位能為 228.67mm 。當(dāng)初始?jí)毫?P₀ 為 2.0MPa 時(shí)， x_j= 126mm ，按控制最大力為 80kN ，取最大行程為 230mm ，則動(dòng)比位能為 264mm 。

綜合上述分析可得，當(dāng)前油氣懸掛系統(tǒng)的動(dòng)行程和動(dòng)比位能對(duì)比現(xiàn)有其他車型，特別是與新一代履帶底盤的動(dòng)行程均在 250mm 以上，動(dòng)比位能 400mm 以上有較大差距，導(dǎo)致抗越野沖擊能力弱。

通過(guò)初始?jí)毫?duì)整車懸掛影響分析，以行程與彈性力分析和動(dòng)比位能對(duì)比分析可知，目前方案抗越野沖擊能力弱。提高初始?jí)毫?duì)越野沖擊能力有所改善，但改善效果不大。

4改進(jìn)方案

在維持目前油氣懸掛結(jié)構(gòu)尺寸及安裝形式不變的基礎(chǔ)上，做如下要求：a.提高動(dòng)比位能至 400mm 以上；b.增大負(fù)重輪動(dòng)行程至 200mm 以上;c.減小動(dòng)行程范圍內(nèi)的最大載荷和內(nèi)平衡肘花鍵扭矩；d.優(yōu)化阻尼，減小振動(dòng)。參照當(dāng)前高速履帶底盤彈性元件最大變形載荷一般為靜平衡位置載荷3倍左右（取 2.5～3.5） ，并且靜行程與動(dòng)行程基本接近（目前大多數(shù)油氣懸掛靜平衡位置向上向下的行程基本接近）的經(jīng)驗(yàn)，忽略懸掛杠桿比的變化，假設(shè)按照懸掛缸的最大載荷為靜平衡位置載荷的 Ψ_a 倍（ a=2.5～3.5 ），懸掛缸最大行程為靜行程的 b 倍，即：

由式（3）和式（5）得：

則：

代入式（4）得：

將 λ_d=400 作為目標(biāo)值，則對(duì)應(yīng)懸掛油缸壓力：

代入式（2）和式（3）得最大行程時(shí)油缸承受最大彈性力：

（0.5-1.9635×10^-3bx_j）^-0.25-（0.5-1.9635×10^-3x_j）^-0.25]

靜平衡位置時(shí)油缸承受最大彈性力：

（0.5-1.9635×10^-3bx_j）^-0.25-（0.5-1.9635×10^-3x_j）^-0.25]（

保持靜平衡時(shí)車體離地間隙 350mm 以及平衡肘長(zhǎng)度不變，參照?qǐng)D3則有，油缸力臂長(zhǎng)度：

圖4所示為油缸靜平衡位置行程、最大行程、初始?xì)鈮汉妥畲髲椥暂d荷隨 α_a 和 b 值的變化情況。從圖4可以看出，隨著 α_a 值的增大，靜行程、最大行程和油缸最大彈性載荷增大，初始?xì)鈮簻p?。浑S著 b 值的增大，靜行程、最大行程和最大載荷減小，初始?xì)鈮涸龃?。油缸承受的最大彈性載荷均不超過(guò) ，最大行程處在 170～

200mm 之間，初始?xì)鈮簽?6～8MPa 。

圖5所示為靜平衡位置油缸彈性載荷及力臂長(zhǎng)度隨 Ψ_a 和 b 值的變化情況。從圖5可見(jiàn)，靜平衡位置油缸承受的彈性載荷隨 α_a 值和 b 值的增大而減小，而力臂隨a 值和 b 值的增大而增大。

綜合考慮懸掛油缸行程設(shè)置（行程 240mm ，桿徑 d_g Ω=50mm ）不變、內(nèi)平衡肘布置等因素，取 a=3.2，b=2.0 ，并做適當(dāng)修正，設(shè)靜平衡位置行程為 95mm ，最大行程195mm ，靜平衡位置時(shí)懸掛油缸長(zhǎng)度設(shè)定為 640mm ，即油缸伸長(zhǎng)行程 95mm （最長(zhǎng)為 735mm ），壓縮行程為100mm的 220mm ，懸掛得到優(yōu)化。

5結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某種履帶車輛懸掛系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，在不改變懸掛油缸原有結(jié)構(gòu)尺寸下，提高初始?jí)毫?duì)越野沖擊能力有所改善，通過(guò)優(yōu)化靜平衡位置行程、靜平衡位置懸掛缸力臂、負(fù)重輪動(dòng)行程，最終能提高懸掛的動(dòng)比位能，使懸掛越野能力得到優(yōu)化。研究結(jié)論對(duì)于履帶車輛懸掛剛度的匹配性有一定的借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介：李剛暉，男，1986年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樘胤N裝備。