一种基于行驶平顺性的坦克悬挂系统的设计方法[发明专利]

*CN103273976A*

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103273976 A(43)申请公布日 2013.09.04

(12)发明专利申请

(21)申请号 201310218878.8(22)申请日 2013.06.04

(71)申请人中国北方车辆研究所

地址100072 北京市丰台区槐树岭四号院(72)发明人胡立臣 李玉良 汪建兵 袁良信

林建军(74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公

司 33200

代理人周烽(51)Int.Cl.

B62D 55/112(2006.01)B62D 55/116(2006.01)B60G 17/00(2006.01)

权利要求书2页 说明书6页 附图6页权利要求书2页 说明书6页 附图6页

()发明名称

一种基于行驶平顺性的坦克悬挂系统的设计方法(57)摘要

本发明公开了一种基于行驶平顺性的坦克悬挂系统的设计方法，该方法通过直接建立悬挂系统和车体行驶平顺性的优化模型，分析车体、负重轮和悬挂系统之间的耦合关系，然后再进一步考虑悬挂系统的悬挂特性对优化模型的影响，然后通过先解耦后耦合的方法对模型进行求解即可得到悬挂系统设计的必要参数。依照本发明的悬挂系统的优化设计方法设计的坦克悬挂系统可使坦克行驶过程中的平顺性得到优化。

CN 103273976 ACN 103273976 A

权 利 要 求 书

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1.一种基于行驶平顺性的坦克悬挂系统的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）根据产品开发过程中的耦合形式建立坦克行驶平顺性优化模型：建立的坦克行驶平顺性优化模型为：

其中：为驾驶员位置处的车体加速度；z,分别为车体质心处的位移、加速度；dds为驾驶员位置和车体质心之间的水平距离；xsi,

分别为车体的角度、角加速度；为车体

fci为求阻尼器阻力Fci的函数；M为车辆的质量；初始纵倾角；fki为求弹簧弹力Fki的函数；

为转向架处的车体位移、速度；g为重力加速度；I为车体的转动惯量；li为每个转向架和坐标原点之间的水平距离；xc为车体质心的横坐标值；yc为车体质心的纵坐标值；xri

为路面激励输入；xsi0为转向架处的初始车体位移；

（2）建立油气弹簧的性能模型：建立的油气弹簧的性能模型为：b=R/leverRatio

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权 利 要 求 书

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si=Lmax-l

xsi=R(sinα0-sinα)F=p·A·lOD/(R×cosα)其中：R为平衡肘半径；leverRadio为杠杆比；b为弹簧的初始位移；lOD为弹簧的上铰链中心和平衡肘之间的距离；x1为弹簧的上铰链中心的横坐标；y1为弹簧的上铰链中心的纵坐标；αs为车辆处于静止或平衡状态时，平衡肘和水平轴之间的夹角；αc为平衡肘与通过坐标原点和下铰链中心的直线之间的夹角；α0为平衡肘和水平轴之间夹角的初始值；p为油气弹簧中的气体压力；p0为油气弹簧中的气体的初始压力；si为活塞行程；h0为气柱的初始高度；m为气体的可变指数；Lmax为最大行程；α为任意时刻平衡肘和水平轴之间的夹角；l为弹簧上下铰链中心之间的距离；xsi为转向架处的车体位移；F为悬挂系统竖直向上的力；A为活塞面积；

（3）联合求解步骤1建立的坦克行驶平顺性优化模型和步骤2建立的油气弹簧的性能模型，得到活塞面积、活塞行程、杠杆比、平衡肘长度、弹簧的初始位移、平衡肘和水平轴之间的初始安装角、油气弹簧中气体的初始压力、气柱的初始高度等参数，从而实现基于行驶平顺性的坦克悬挂系统的设计。

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说 明 书

一种基于行驶平顺性的坦克悬挂系统的设计方法

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技术领域

本发明涉及一种坦克悬挂系统的设计方法，尤其涉及一种基于行驶平顺性的坦克

悬挂系统的设计方法。

[0001]

背景技术

目前，在对悬挂系统的参数识别、优化以及车辆行驶平顺性影响因素的研究工作

中，大多将弹性元件简化为一个弹簧模型，忽略了弹性元件的具体结构参数，这样造成优化后的弹簧或阻尼系数难于直接应用于悬挂系统的设计，因而设计出的坦克悬挂系统使得车辆的平顺性不好。

[0002]

发明内容

本发明的目的在于针对优化结果难以直接应用于悬挂系统的设计这一不足之处，

提供一种基于行驶平顺性的坦克悬挂系统的优化设计方法，通过该方法不仅能够改善车辆行驶的平顺性，而且还可给设计人员提供直接使用的悬挂系统结构参数。[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于行驶平顺性的坦克悬挂系统的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：[0005] （1）根据产品开发过程中的耦合形式建立坦克行驶平顺性优化模型：建立的坦克行驶平顺性优化模型为：

[0003]

[0006]

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说 明 书

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其中：为驾驶员位置处的车体加速度；z,分别为车体质心处的位移、加速度；

分别为车体的角度、角加速度；为车

dds为驾驶员位置和车体质心之间的水平距离；量；xsi,

体初始纵倾角；fki为求弹簧弹力Fki的函数；fci为求阻尼器阻力Fci的函数；M为车辆的质

为转向架处的车体位移、速度；g为重力加速度；I为车体的转动惯量；li为每个

转向架和坐标原点之间的水平距离；xc为车体质心的横坐标值；yc为车体质心的纵坐标值；xri为路面激励输入；xsi0为转向架处的初始车体位移；

[0008] （2）建立油气弹簧的性能模型：建立的油气弹簧的性能模型为：[0009] b=R/leverRatio

[0010]

[0011]

[0012] [0013]

si=Lmax-l

[0015] xsi=R(sinα0-sinα)[0016] F=p·A·lOD/(R×cosα)[0017] 其中：R为平衡肘半径；leverRadio为杠杆比；b为弹簧的初始位移；lOD为弹簧的上铰链中心和平衡肘之间的距离；x1为弹簧的上铰链中心的横坐标；y1为弹簧的上铰链中心的纵坐标；αs为车辆处于静止或平衡状态时，平衡肘和水平轴之间的夹角；αc为平衡肘与通过坐标原点和下铰链中心的直线之间的夹角；α0为平衡肘和水平轴之间夹角的初始值；p为油气弹簧中的气体压力；p0为油气弹簧中的气体的初始压力；si为活塞行程；h0为气柱的初始高度；m为气体的可变指数；Lmax为最大行程；α为任意时刻平衡肘和水平轴之间的夹角；l为弹簧上下铰链中心之间的距离；xsi为转向架处的车体位移；F为悬挂系统竖直向上的力；A为活塞面积；

[0014]

[0018] （3）联合求解步骤1建立的坦克行驶平顺性优化模型和步骤2建立的油气弹簧的

性能模型，得到活塞面积、活塞行程、杠杆比、平衡肘长度、弹簧的初始位移、平衡肘和水平轴之间的初始安装角、油气弹簧中气体的初始压力、气柱的初始高度等参数，从而实现基于行驶平顺性的坦克悬挂系统的设计。[0019] 本发明的有益效果是：本发明的方法主要是建立悬架系统结构参数和车体行驶平顺性的优化模型，通过建立油气弹簧的性能模型，将悬挂系统的悬挂特性融入到优化过程中，然后对性能耦合模型求解，采用仿真－优化一体化方法获得可以供设计人员直接使用的结构参数。使用本方法对车体的平顺性进行优化之后，不仅可以使车体行驶时的平顺性获得理想的优化结果，而且还可以获得可以供设计人员直接使用的结构参数。

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说 明 书

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附图说明

图1是基于行驶平顺性的新型坦克悬挂系统的设计流程；

[0021] 图2是关联耦合模型；[0022] 图3是层次耦合模型；

[0023] 图4是履带式车辆行驶简化模型；

[0020]

图5是车辆行驶过程中信息、能量流动关系；

[0025] 图6是车体、悬挂系统和负重轮之间的耦合关系；[0026] 图7是悬挂系统中油气弹簧的结构示意图；[0027] 图8是迭代设计优化过程中的流程模型；

[0028] 图9是没考虑质心偏移的情况下驾驶员位置加速度变化曲线（初始值）；[0029] 图10是质心水平位移-0.1m的条件下驾驶员位置加速度变化曲线（初始值）；[0030] 图11是没考虑质心位移的情况下驾驶员位置加速度变化曲线（优化值）；

[0031] 图12是质心水平偏移-0.1m的条件下坦克行驶平顺性及悬挂系统优化仿真结果（优化值）；

[0032] 图中：上铰链1、油缸2、氮气3、浮动活塞4、活塞5、油6、减震阀7、下铰链8、平衡轴9、负重轮10。

[0024]

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。[0034] 请参阅图1，为本发明基于行驶平顺性的新型坦克悬挂系统设计方法的设计流程。如图所示，本发明所述的设计方法主要是在建立悬挂系统和车体行驶平顺性的优化模型的时候，通过建立油气弹簧的性能模型，将悬挂系统的悬挂特性融入到优化过程中，然后对性能耦合模型求解，获得可供设计人员直接使用的悬挂系统结构参数[0035] 首先，根据产品开发过程中的耦合形式建立坦克行驶平顺性优化模型。[0036] 在产品开发的功能模块之间的耦合关系可以划分为关联和层次耦合，划分标准是功能模块之间是否存在性能的继承或分解以及涉及多少个模块。关联耦合模型如图2所示，层次耦合模型如图3所示。建立好性能耦合模型之后通过模型变换的方式对其进行求解，模型变换主要可分为耦合变换和解耦变换两种方法。也可以综合使用这两种方法即先耦合后解耦和先解耦后耦合的方法。

履带式坦克的行动系统一般由多自由度油气悬挂系统和履带组成，如图4履带式

车辆行驶简化模型所示，其中负重轮的数量一般为5－7个。悬挂系统的主要作用是在承载车体的同时，缓解因地面不平引起坦克高速行驶时的振动。一般为了维护的方便，坦克的悬挂系统都有同一型号的油气弹簧组成。在本实例中，优化的目标是如何设计油气弹簧的参数使得坦克在E级路面上以给定速度20m/s行驶时在驾驶员位置的最大振动加速度最小。考虑到坦克悬挂系统设计一般在总体设计之后进行，此时坦克的质量、长度、高度和宽度以及负重轮之间的距离已知。图4所示模型中含有5对负重轮，为了尽量提高乘员舒适性，忽略掉履带对行驶平顺性的影响，并且将减振器简化为一个线性系统。[0038] 从图4可以看出，实现支持坦克车体以及减振作用的物体主要由三部分组成，即车体、悬挂系统和负重轮。在这个系统中，车体和负重轮把它们竖直的位移、速度和加速度

[0037]

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说 明 书

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传递给悬挂系统，这决定了油气弹簧中活塞的行程、速度等；同时，悬挂系统输出它的力给车体，决定了车体的竖直位移、速度和加速度等。由此可看出，这三者之间存在者相互依赖关系，图5给出了基于功能结构图之间的信息、能量流动关系，据此可建立如下优化模型，其中，竖直（角）位移、竖直（角）速度和竖直（角）加速度是性能模型主要考虑的变量。

[0039]

[0040] 其中：为驾驶员位置处的车体加速度；z,分别为车体质心处的位移、加速度；

分别为车体的角度、角加速度；为车

dds为驾驶员位置和车体质心之间的水平距离；量；xsi,

体初始纵倾角；fki为求弹簧弹力Fki的函数；fci为求阻尼器阻力Fci的函数；M为车辆的质

为转向架处的车体位移、速度；g为重力加速度；I为车体的转动惯量；li为每个

转向架和坐标原点之间的水平距离；xc为车体质心的横坐标值；yc为车体质心的纵坐标值；xri为路面激励输入；xsi0为转向架处的初始车体位移；[0041] 其次，从以上模型可以看出车体、悬挂系统和负重轮之间存在如图6所示的耦合关系，但为了能够直接应用优化后的结果，有必要对悬挂系统的悬挂特性进行进一步分析，即建立悬挂系统的优化模型，这样可以直接建立悬挂系统设计参数和优化模型之间的关联。图7所示即为悬挂系统中油气弹簧的结构示意图（油气弹簧的上下铰链分别连接在车体和平衡肘上，活动活塞4装在活塞5中，活塞5套装在油气弹簧内，活动活塞的上方封闭一定体积的氮气，下方为内油室，装有液压油，内油室和外油室之间装有减压阀），根据此结构示意图建立油气弹簧的性能模型如下所示：[0042] b=R/leverRatio

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si=Lmax-l

[0048] xsi=R(sinα0-sinα)[0049] F=p·A·lOD/(R×cosα)[0050] 其中：R为平衡肘半径；leverRadio为杠杆比；b为弹簧的初始位移；lOD为弹簧的上铰链中心和平衡肘之间的距离；x1为弹簧的上铰链中心的横坐标；y1为弹簧的上铰链中心的纵坐标；αs为车辆处于静止或平衡状态时，平衡肘和水平轴之间的夹角；αc为平衡肘与通过坐标原点和下铰链中心的直线之间的夹角；α0为平衡肘和水平轴之间夹角的初始值；p为气压弹簧中的气体压力；p0为气压弹簧中的气体的初始压力；si为活塞行程；h0为气柱的初始高度；m为气体的可变指数；Lmax为最大行程；α为任意时刻平衡肘和水平轴之间的夹角；l为弹簧上下铰链中心之间的距离；xsi为转向架处的车体位移；F为悬挂系统竖直向上的力；A为活塞面积。[0051] 由该模型可以看出，悬挂系统的输出即支撑力是负重轮行程的非线性函数，这就意味着，在行驶平顺性优化模型中，不能将悬挂系统的接口参数简单的表示为悬挂刚度这一个参数。而应该直接采用悬挂系统的整个性能模型进行优化。这也使得车辆行驶平顺性优化模型和悬挂系统设计模型之间存在强烈的耦合关系，这两个设计问题需要同时求解。[0052] 最后，采用先解耦后耦合的策略对模型进行求解，可从以下几个方面进行分析。一是耦合模型可以采用数值方法进行求解，并且求解方法是可行的，求解时所采用的步长可以调整以便控制求解的精度；二是车体质心的位置对车辆行驶平顺性有较大的影响；三是悬挂系统的活塞行程是有限的，当车辆在不平整路面上高速行驶时有可能导致某些油气弹簧的活塞超过它们的行程范围；四是路面不平度对车辆的行驶平顺性也有较大影响。当把悬挂系统设计模型融入车辆行驶平顺性模型中时，很多设计变量也被同时引入，如何获得这些变量的初始值及设计变化区间是一个需要解决的问题。由于设计人员具有设计油气弹簧的启发性知识，他们利用这些启发性知识可以初步确立变量的初值及变化区间。[0053] 在解耦设计阶段，其主要目的是获得悬挂系统设计变量的初值及变化区间。考虑到悬挂系统存在多个设计变量，且变量之间存在几何等约束关系，需要反复迭代来确定它们的变化范围，因此有必要开发一个流程模型以方便以上迭代设计及优化过程。所开发的流程模型如图8所示，该流程模型主要含有7个节点，即确定杠杆比、计算活塞面积、计算活塞行程、弹簧结构参数设计、计算弹簧特性参数、计算性能参数以及平顺性性能优化等。每个节点对应一个设计资源，资源之间的数据流转通过设计流程进行控制。[00] 根据设计人员获得设计变量初值及变化区间，采用iSight-FD优化软件对该问题进行了优化。由于优化过程中需要对坦克在路面上行驶进行模拟，并且难于采用基于梯度的优化方法，所以优化过程往往比较费时。值得指出的是，设计人员提供的初始设计值在优化过程中起到了重要的作用。得到活塞面积、活塞行程、杠杆比、平衡肘长度、弹簧的初始位

[0047]

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移、平衡肘和水平轴之间的初始安装角、油气弹簧中气体的初始压力、气柱的初始高度等可以直接应用于悬挂系统的结构参数。

[0055] 由于本方法在设计的建模阶段就充分考虑了车辆平顺性模型和悬挂系统的特性模型，并将这两种方法进行耦合求解，所以采用本方法设计的悬挂系统可使车辆行驶的平顺性得到明显优化，用初始值和最优值进行仿真得到的车辆振动模拟结果如图9－图12所示。由图9可以看出，在优化前，在质心没有偏移的情况下，驾驶员位置的最大振动加速度为2.9m/s2,由图10可以看出，在最大偏移距离为-0.1m时，加速度最大值为6.3m/s2，优化后，从图11和图12可以看出这两者的值分别为2.7m/s2和4.1m/s2。这些值都小于1g的优化目标。

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