高速履带行走动力学分析硕士学位论文

第一章绪论

1.1课题研究的背景及意义

履带车辆本身是非常复杂的机械系统，其显著特点是行动部分采用履带行驶装置，履带是在发明车轮之后又一重大突破，履带装置将车辆从传统的“线”的活动范围改良为“面”的活动范围，使得在复杂多变的使用环境中履带车辆的野外行驶能力，越障能力和机动性能都得到保证。随着现代履带车辆对机动性要求不断提高，车辆在斜坡行驶、软地急转弯等恶劣工况行驶过程中耙齿、脱轮现象时有发生，使得车辆丧失机动性，陷入“瘫痪”状态，直接影响了车辆的行驶通过性和作战任务等。

现代军用履带车辆的发展总趋势是要求在降低车辆功耗的同时又要提高履带在链环上的稳定性[1]，以防止履带发生耙齿、脱轮现象。这不仅是提高车辆机动性的保证，而且可以改善车辆行驶平稳性和乘员的舒适性。因此对履带车辆行动系统动力学研究具有重要的实际意义。

本课题来源于“十二五”预研项目：“履带车辆行动系统高速啮合技术研究”，论文的重点是履带装甲车辆行动部分动力学分析研究。以特定类型履带装甲车辆为研究对象，以探究履带式车辆脱轮问题为出发点，着重研究履带装置各部件作用机理，并建立履带装置张紧力的数学模型和履带车辆的多体动力学模型，进行不同工况下的仿真分析。

论文针对车辆典型行驶工况中脱轮问题进行重点分析，为提高履带车辆行驶性能和对脱轮问题的理论研究提供参考。通过建立履带装置张紧力的数学模型，达到对张紧力控制的目标，通过控制履带张紧力，防止履带耙齿、脱轮现象发生；同时建立履带车辆的多体动力学模型，并且进行不同工况下的仿真，将结果与计算数据对比，以此来论证数学模型的准确程度，并且分析不同工况下履带受力状况，对提高履带行驶系统的设计水平及防止脱轮现象发生具有重要意义，为保持履带车辆的整车行驶性能良好提供了很大帮助，也为未来实现张紧力的控制提供理论基础。

1.2履带车辆行动部分的研究现状

1.2.1履带行动部分介绍

履带行动部分由主动轮、履带、负重轮、诱导轮、履带张紧装置、托带轮（或托边轮）、张紧轮及诱导轮补偿张紧机构等部件组成。履带为负重轮提供一条连续滚动的轨道（支撑面），负重轮与车体之间有弹性、阻尼元件，以减轻车辆运动过程中的振动。诱导轮上还配置液压张紧装置[2]，以调整履带的张紧程度，保证履带链环在行驶过程中的稳定性。

车辆利用履带行驶装置支撑车体的重量，将传动装置传来的扭矩通过履带与地面的相互作用转变为牵引力，实现车辆运动，提高车辆的通行能力，是履带车辆组成中的关键系统之一。因为履带可以作为车辆的自携道路，便于车辆通过承载能力较差的地面，并且较大的牵引力，使履带车辆具有较强的越野通过性，能够在轮式车辆所不能通过使用的无路，深雪及沼泽地带行驶，是一种较为万能的行驶工具。

现代履带车辆，特别是高速履带车辆的发展对机动性要求不断提高，机动性系统的设计立足于特定的车辆性能要求和规定的全地形使用能力。地面战斗车辆能否完成其作战使命，直接取决于在行进间车辆系统克服各种地形和车辆实施准确射击的能力，由于对车辆性能和生存能力的特殊要求，使得军用履带车辆的机动性问题进一步复杂化。然而，履带行动系统到目前为止仍然很不完善，特殊工况条件下其机械效率远远低于轮式行动系统；工作可靠性较轮式差，但其履带系统的复杂程度和造价却较高。实际工作中，履带与各轮之间的啮合情况非常复杂，振动噪声大，甚至出现履带与主动轮间脱离的严重故障，这一故障的出现将直接导致车辆机动失效，大幅降低履带车辆在战场上的生存能力和对于多变工况的续航能力，后果不堪设想。

1.3国内外研究现状

近年来，随着对履带车辆相关基础理论的发展和完善，人们对履带车辆的认识逐步深化。

首先,由于地面力学的不断发展，使得履带车辆的履带和地面之间的作用关系日益为人所知；其次，微机技术高速发展以及各类数值算法在微机以各种程序

的形式实现，使得很多描述高速履带车辆动力学性能的大量方程得以求解；最后，多体系统动力学(Multi-body System Dynamics)的进步为解决履带车辆自身复杂问题提供了另一条道路。运用多体系统动力学的方法，可以把高速履带车辆的零部件看作刚体（rigid body）或柔体（flexible body），然后将各个部件通过运动约束装配起来，求解约束方程和动力学方程就可以获得履带车辆的动力学性能。根据研究对象、目的不同，可以建立不同的履带车辆模型并利用仿真工具评价履带式车辆的性能。

1994年，Dhir A 和Sankar S建立了一个二维3+N（N为负重轮个数）个自由度的履带车辆模型[9]。车体垂直位移和俯仰角以及独立的结构，弹簧、阻尼为线性或非线性，假定履带为无质量但有张力的连续带子，假定地面不变形，负重轮与履带板的接触模化为连续径向弹簧阻尼结构。Assanis 等提出了机动车辆系统的联合仿真[10],在他们的系统中，利用DADS仿真软件包开发了M1式坦克的车辆结构模型。Tran Dang Thai对刚性悬挂的履带式车辆在软地面上的转弯问题进行了数值分析[11]，计算出此情况下履带的下沉量、滑转率以及转弯半径约为实际测量值的15%，因此有较高的可信度。Paul Ayers分析不同军用车辆在不同转弯半径下车辙的分布情况[12]。J.G. Hetherington通过试验研究坦克重量与坦克牵引力以及对地附着力的影响[13]。Z.S. Liu等运用ADMAS建立履带车辆多刚体模型[14]，进行多体动力学分析，并且对车辆主体进行振动分析。

吴运耕讨论履带转弯的运动学绝对回转瞬心点和相对回转瞬心点的问题[15]，指出相对回转瞬心点的概念是履带能够转弯的力学基础。袁芬利用多体动力学软RecurDyn建立了履带车辆模型[16]，根据诱导轮、诱导轮曲臂及张紧装置的结构，分析它们的受力，建立诱导轮及曲臂的动力学方程，得到了诱导轮周围张紧力的计算公式，并建立了张紧装置液压和张紧力间的函数关系，为研究张紧力提供理论支持。张涛等在分析履带车辆行走系统工作原理的基础上[17]，考虑履带车辆的重要结构，针对履带车辆在高速行驶过程中出现的脱轮问题，建立了行动系统的数学模型，并且着重分析了第一负重轮y方向位移与行走系统结构参数以及地面激励的关系，针对高速履带车辆进行其行走系统的计算机仿真，并对比分析仿真结果。韩宝坤等人对履带车辆仿真中常见的两类履带模型—柔性履带模型和刚性履带模型的模型机理进行了分析[18]，并分别将两类履带模型应用到履带车辆的平