國內(nèi)外越野車輛模塊化獨立懸架技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

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，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)動作戰(zhàn)的能力.模塊化獨立懸架技術(shù)可大幅提升軍用車輛在強(qiáng)沖擊、振動等極端環(huán)境條件下的機(jī)動性能.發(fā)達(dá)國家在高機(jī)動越野車輛上已開始大量使用高性能的模塊化獨立懸架技術(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，所以對提升裝甲裝備的越野機(jī)動能力具有重要推動意義.因此，有必要梳理國內(nèi)外有關(guān)模塊化獨立懸架技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，明晰模塊獨立懸架在提升車輛性能方面上的特點，并深入開展該項技術(shù)研究.

1 模塊化獨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)者在雙橫臂獨立懸架的研究方面主要集中在以下幾個方面：獨立懸架設(shè)計方法的確定、獨立懸架參數(shù)對車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的影響規(guī)律、獨立懸架與轉(zhuǎn)向系的匹配優(yōu)化、懸架系統(tǒng)彈性元件的設(shè)計分析、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的硬點坐標(biāo)優(yōu)化與運動學(xué)分析、前輪定位參數(shù)的設(shè)計,等等.同時隨著電子、微機(jī)技術(shù)的革新，獨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)力和變形的計算公式是根據(jù)材料力學(xué)推導(dǎo)出來的.1993年Toshio Hamano對變中徑的螺旋彈簧進(jìn)行深入分析，提出對螺旋彈簧變形與壓力的關(guān)系可以按照梁單元進(jìn)行分析計算，此方法優(yōu)點是梁單元節(jié)點和單元數(shù)少、計算規(guī)模小并且計算結(jié)果準(zhǔn)確度較高[1].其后Michel Langa也對螺旋彈簧的受力變形作出了進(jìn)一步的分析，文中將每個螺旋彈簧的單元按照梁單元分析計算，并對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)無法滿足車輛對平順性以及操控性的要求，而對于彈簧3個主要參數(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也比較麻煩.近年來，彈簧的有限元設(shè)計方法已進(jìn)入了實用化階段，出現(xiàn)了不少有實用價值的設(shè)計思路.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)入實用化階段.2020年，Kushwah Sagarsingh等人采用有限元分析方法對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，已實現(xiàn)了模塊化設(shè)計、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立懸架制造商的典范.該公司2000、3000、4000、5000系列模塊化獨立懸架是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)動能力，對維修性、通用性也有質(zhì)的飛躍.

圖1 AxleTech模塊化獨立懸架

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級重型高機(jī)動性戰(zhàn)術(shù)卡車(HEMTT，8×8)、15 t級的貨盤裝載系統(tǒng)(PLS，10×10)、7 t級的中型戰(zhàn)術(shù)替代車輛(MTVR，6×6)超過10 000輛和15 t級的后勤車輛系統(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[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)動性.美國陸軍及海軍陸戰(zhàn)隊于2015年8月選中Oshkosh公司對其現(xiàn)役的“悍馬”進(jìn)行替換.圖3為換裝模塊化獨立懸架前后的悍馬對比圖.可以看出采用了TAK-4i型模塊化獨立懸架后，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型模塊化獨立懸架

圖3 換裝TAK-4i獨立懸架系統(tǒng)的“悍馬”(右)與傳統(tǒng)“悍馬”對比

愛爾蘭Timoney公司是軍用及商用重型運載車輛獨立懸架的領(lǐng)先設(shè)計供應(yīng)商，20世紀(jì)90年代曾是Oshkosh中型戰(zhàn)術(shù)車輛模塊化獨立懸架供應(yīng)商.目前該公司模塊化獨立懸架主要應(yīng)用于美國空軍8×8高機(jī)動機(jī)場救援卡車、英國國防研究機(jī)構(gòu)的6×6高機(jī)動運載車輛(HMLC)和美國坦克及機(jī)動車輛研究所的樣車.其特點是集成化程度高，不同承載噸位的產(chǎn)品系列均采用了儲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立懸架技術(shù)的改造升級，以顯著提升越野機(jī)動能力和裝甲防護(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)用線性振動理論研究車輛乘坐動力學(xué)，而基于非線性振動理論的數(shù)學(xué)建模與分析還未引起足夠重視，無法滿足獨立懸架產(chǎn)品研發(fā)的技術(shù)需求，制約了雙橫臂獨立懸架的發(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立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律[5]；通過對變剛度螺旋彈簧的設(shè)計過程進(jìn)行推導(dǎo)和整理，完成了能實現(xiàn)變剛度特性的單獨變彈簧中徑、變簧絲直徑和變螺旋角螺旋彈簧的設(shè)計方法[6]；通過軟件建模、仿真分析，在約束條件下對前懸架進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計[7]；通過對變剛度的車輛減振系統(tǒng)研究，對組合彈簧進(jìn)行等效剛度計算，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立懸架系統(tǒng)，東風(fēng)“猛士”采用了雙橫臂獨立懸架技術(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)動越野平臺也采用了雙橫臂獨立懸架，前橋為扭桿彈簧，后橋為三變螺旋彈簧；中國重汽的重型運載車輛獨立懸架系統(tǒng)，主要應(yīng)用于非公路用重型卡車；中國航天三江集團(tuán)的雙橫臂雙扭桿獨立懸架系統(tǒng)應(yīng)用于多軸重型運載車輛，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“門式”橋+雙A型擺臂構(gòu)成的獨立懸架，制動分泵設(shè)定在靠近差速器，發(fā)動機(jī)、變速器、分動器、傳動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)動猛士裝甲車前懸架、差速器及軸間制動系統(tǒng)特寫，從這個角度清晰可見前差速器與傳動半軸間布置的軸間制動系統(tǒng)的通風(fēng)制動盤，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，對下A臂進(jìn)行了輕量化設(shè)計[12].圖6為3代猛士甲高機(jī)動前懸架，沒有沿用2代“猛士”系列裝甲車的“門式橋”和軸間制動系統(tǒng)，采用了集成了轉(zhuǎn)向、制動、差速等功能的模塊化設(shè)計思路，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)動前懸架

2 模塊化獨立懸架特點及優(yōu)勢

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)，可減小車輪跳動時引起前輪定位參數(shù)和輪距的過大變化，避免輪胎的過度磨損，而且可以使動力總成的位置降低，整車質(zhì)心位置下降，為行動系統(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)計的解決方案.在某重大項目中，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)中非獨立懸架的紅色車輪、車橋的質(zhì)量和圖7(b)中獨立懸架的紅色車輪、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，車橋的反應(yīng)會因為慣性而延遲，大部分沖擊能量首先通過變形被儲存在充氣輪胎中，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.對于配裝整體式車橋的車輛來言，在空載時后輪懸架質(zhì)量可能小于非懸架質(zhì)量，在此情況下振動可能越發(fā)劇烈會導(dǎo)致車輪從地面彈起.同時較大的非懸架質(zhì)量可能在振動過程中2～3個循環(huán)后才能回到平衡位置，對車輛產(chǎn)生了更大擾動并在結(jié)構(gòu)里生成噪音.采用模塊化獨立懸架系統(tǒng)則可以減少非簧載質(zhì)量，從而明顯地減小沖擊振動，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 非獨立懸架和獨立懸架質(zhì)量對比

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，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主要性能指標(biāo).

獨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.

圖8 懸架形式對比

對于非獨立懸架來說，大的非懸架質(zhì)量會導(dǎo)致輪胎接觸應(yīng)力變化劇烈.這會對車輛轉(zhuǎn)向力的穩(wěn)定性有不良影響，對于負(fù)載較少的配備整體式驅(qū)動橋的車輛來說尤甚.因此采用獨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矛盾體，不能同時具備最優(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)化后的模塊化獨立懸架能夠在較大程度上使車輛盡可能同時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、高承載力并能實現(xiàn)整體式吊裝的模塊化獨立懸架系統(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)化能力的模塊化獨立懸架系統(tǒng)，實現(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.