履带车辆液压减振器建模及不对称阻尼研究.pdf

Vo1.21 No.3June.20238工业技术与职业教育Industrial Technology&Vocational Education履带车辆液压减振器建模及不对称阻尼研究田传臣（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）摘 要：为对高速履带车辆行走机构液压减振器建模及不对称阻尼进行研究，以某高速履带式车辆为研究对象，使用Recurdyn 软件设计了共计 592 个自由度的履带车辆动力学模型，并建立考虑液压减振器不对称阻尼特性的 AMEsim 液压系统模型，两者模拟计算，结合试验数据，经分析结果基本一致。最后在不同车速、地面以及履带预张紧力情况下，分别对不对称阻尼对应的复原与压缩阀节流孔截面积之比大于、等于或小于 1 的情况展开计算并归纳结果，得出节流孔截面积的比值为 1 时，履带车辆减振性能表现最优。该研究可为高速履带车辆减振器的设计提供理论参考和方法。关键词：高速履带车辆；液压减振器；阻尼；节流孔截面积比;AMEsim中图分类号：U489 文献标志码：B 文章编号：1674-943X(2023)03-0008-05ResearchonModelingandAsymmetricDampingofHydraulicShockAbsorberforTrackedVehiclesTIAN Chuanchen(Tangshan Polytechnic College,Tangshan 063299,China)Abstract：In order to study the modeling and asymmetric damping of the hydraulic shock absorber of the traveling mechanism of high-speed tracked vehicle,a high-speed tracked vehicle dynamics simulation model with a total of 592 degrees of freedom has been established using RecurDyn software,and the AMESim hydraulic system model considering the asymmetric damping characteristics of the hydraulic shock absorber has been established.The results of the co-simulation are basically consistent with the experimental results.Then under different vehicle speeds,ground conditions,and track pre-tension conditions,calculations have been conducted for cases where the ratio of the orifice cross-sectional area of the recovery and compression valve orifices corresponding to asymmetric damping are greater than,equal to,or less than 1,and the results have been summarized.It has been found that when the ratio of the orifice cross-sectional area is 1,the vibration reduction performance of tracked vehicles is optimal.This study can provide theoretical references and methods for the design of shock absorbers for high-speed tracked vehicles.Keywords：high speed tracked vehicle;hydraulic shock absorber;damping;ratio of the orifice cross-sectional area;AMESim0 引言 高速履带车辆不仅常见于坦克、装甲车等军用车辆，而且在履带式抢险救援车、履带式森林消防车等非军用车辆也得到了广泛应用。由于其行驶速度快，且需适用于各种复杂地面，行走机构的减振性能优劣将直接影响到整车性能，而液压减振器是行走机构装置的重要部件，合理的参数设置可有效减小车身的振动1-2。目前对高速履带车辆行走机构的液压减振器进行了诸多研究，主要在其力学性能参数优化研究方面，大多将其线性化后代入整车模型，然后在多工况、多目标下使用智能优化算法得到最优黏性阻尼系数或根据车身振动响应直接求得阻尼比，如韩宝坤等通过设计了履带车辆多体动力学模型，对影响平稳性的不同因素下的车辆振动响应进行分析，证明存在最佳阻尼比使得车辆平稳性能最优3。根据试验速度特性曲线进行整车非线性动力学性建模与分析，其优点是结果精确度高，如滕绯虎设计带有筒式液压减振器的履带车辆模型，通过建立非线性动力学微分方程和 Simulink 模型表明带有减振器的悬挂装置减振性能更好4，董明明等建立非线性8 自由度履带车辆模型，并结合 ADAMS 软件进行分析，求得车辆在不同行驶工况下的最优参数5。但必须对每种减振器都进行试验，且不便于分析车辆减振性能的变化规律。本 文 以 某 高 速 履 带 车 辆 为 研 究 对 象，设计 Recurdyn 多体系统动力学模型和液压减振器AMEsim 液压系统，然后进行模拟计算，并对照试验结果，最后在各工况下总结液压减振器不对称阻尼对减振性能的影响，为高速履带车辆行走机构的设计研究提供理论依据和方法。1 动力学建模 1.1 动力学仿真模型的建立Recurdyn 含有履带车辆的建模工具包，适合收稿日期：2023-05-10作者简介：田传臣（1981-），男，河北秦皇岛人，硕士，讲师，主研方向为交通运输和汽车关键零部件技术。第 3 期9大规模的多体动力学系统问题的求解，运算速度更快，因此使用该软件建立整车动力学仿真模型6。对于多刚体系统，Recurdyn 采用拉格朗日法（相对坐标法）来建立动力学方程，对于此类问题的求解，采用完全递归算法来表示7-8。它的方程形式拉格朗日坐标阵和相应的约束方程为：(1)式中，为系统的质量矩阵；为描述系统的广义坐标；为位置坐标 的约束方程；Tq为约束方程对广义坐标求偏导的雅可比矩阵；为拉格朗日乘子。根据该高速履带车辆的实际结构和特点，作如下假设：1)左、右履带所受路面激励相同，各负重轮的激励只存在相位差的时间延迟；2)将动力系统简化为驱动轮的旋转速度，忽略张紧轮等一些质量较小的运动构件的转动惯量，车厢各部件与车架刚性连接为一体；3)在高速行驶过程中，负重轮、橡胶履带和地面之间始终接触，不出现脱离现象。所建履带车辆行走机构拓扑模型如图 1 所示。图 1 履带车辆拓扑结构对履带车辆进行建模时，确保各个零部件的耦合关系和实际车辆相符的情况下，对车辆行走机构部分作简化处理以明确减振器对行走机构减振性能的影响9。其中，明确负重轮与履带之间的张紧装置和车身位置使用阻尼弹簧与平移连接副进行约束，负重轮系与行走机构之间采用旋转副连接等约束问题。构建该履带车辆 Recurdyn 动力学模型如图 2 所示，共计 592 个自由度，其中第 1、5 负重轮处安装液压减振器。1.2 地面激励在 Recurdyn 中，可通过设置履带上的一般接触力来建立默认的刚性地面模型。由于该履带车辆常在干砂、雪地等松陷地面行驶，因此基于Bekker 理论，在刚性地面模型的基础上，建立履带与地面之间的压力沉陷关系10-11：(2)式中，为接地的压力；为履带板的宽度；为土壤的内聚及摩擦变形模量；为土壤变形指数；为变形的深度。图 2 高速履带车辆动力学模型履带板和地面相互作用的反复加载、卸载过程，可看作为一个近似的线性函数：(3)式中，为加载或者卸载时的压力；为加载或者卸载时的沉陷量；为卸载开始时的压力；为卸载开始时的沉陷量；为加载-卸载线的平均斜度。另外土壤的剪应力与剪切位移之间的表述式：(4)式中，为剪应力；为剪切位移；为剪切阻力角；为土壤剪切阻尼；为剪切变形模数。2 液压系统建模及联合仿真2.1 减振器模型该液压减振器结构简图如图 3 所示。图 3 中、分别为复原行程和压缩行程的阻尼力，、依次是减振器复原油腔、压缩油腔和储油腔压力。图 3 液压减振器结构简图 (5)(6)式中，S1、S2为活塞和活塞杆的截面积;Ffri为田传臣:履带车辆液压减振器建模及不对称阻尼研究第 21 卷10工业技术与职业教育题，使用 AMEsim 建立减振器模型并与整车动力学模型联合仿真，使得履带式车辆仿真分析结果参数接近于实际值。图 5 表示设计的联合仿真模型系统之间的关系，中间矩形模块为 Recurdyn 接口模块。图 5 联合仿真 AMEsim 模型图 6 所示为联合仿真工作流程框图。图 6 联合仿真工作流程框图3 模型验证与减振性能分析为验证高速履带车辆联合仿真模型的合理性，通过仿真计算干砂路面下该模型的车身质心加速度，并对该履带车辆进行实车测试验证。图 7(a)为履带车辆现场测试图，其中标注 1 为车身振动加速度测试位置，标注 2 和 3 为液压减振器安装位置，标注 4 为履带链轮与履带之间测试位置，图 7(b)、(c)为测试所用传感器式样。(a)元件及测试位置(b)uT3704FRS-ICP 数据采集器摩擦力;Vhf、Vhy为活塞的复原和压缩速度，其中定义复原行程的速度为正。令活塞与活塞杆截面之间的环形截面积为Spd=S1-S2，代入式(5)、(6)中，可得：(7)(8)如图 4 为不对称阻尼的比值（复原行程阻尼力与压缩行程阻尼力之比）为 1 的液压减振器阻尼特性曲线12。为探究减振器不对称阻尼的比值对履带车辆减振性能的影响，将分成 1、1 及=1 的情况进行分析。图 4 减振器阻尼分段线性拟合曲线其非线性模型为：(9)式中，为复原行程初次与二次开阀速度；为压缩行程初次与二次开阀速度；为复原行程初次、二次开阀以及二次开阀后阻尼系数；为压缩行程初次、二次开阀以及二次开阀后阻尼系数。该减振器参数如表 1 所示。表 1 减振器参数2.2 联合仿真模型的建立针对履带式车辆液压减振器阻尼力非线性的问结构名称单位数值体积模量MPa1 700油液绝对黏度cp20.76油液密度kg/m3845.5复原阀预紧力N400活塞截面直径mm80活塞杆截面直径mm64油液温度20复原阀节流孔截面积mm212压缩阀节流截孔面积mm236活塞与工作缸间隙mm0.04第 3 期11田传臣:履带车辆液压减振器建模及不对称阻尼研究(c)压电式 IEPE 加速度计图 7 履带车辆实车测试图图 8 为车辆以 20 km/h 的车速，在干砂路面行驶的履带车辆车身质心加速度试验测试时域曲线，其中(a)为实车测试图，(b)为所建联合仿真模型结果图。(a)实车测试图(b)仿真模型结果图 8 车身质心加速度实车试验值与理论值表 2 为 3 种工况的车身质心加速度均方根值试验值和理论值对比分析结果。由表可知，所建模型的理论值与试验测试值相差在合理范围之内，模型合理有效。表 2 车身质心加速度均方根值试验与理论值4 等效阻尼系数相等的节流孔方案结合全局和局部两种算法并优化。在定值阻尼系数相等的条件下13，计算节流孔截面积比 大于、等于及小于 1 的 5 种方案，利用所得结果归纳总结对减振性能的影响。Kriging 模型是插值方法，它基于统计学理论，所以其精度很高，包括回归及随机两个过程。设0为未观测点，1,2,3,N为观测点，响应值 为(1),(2),(3),(N)，未 观 测 点的估值记为%(0)：(10)式中i为待定的加权系数。而 Kriging 的关键在于权重系数 i，须符合：1）无偏估计。设其估值点的真值为(0)。(i)以及%(0)，(0)均视为变量。即：(11)则：(12)2）估值%(0)和真值(0)差的方差最小。即：(13)(14)式中(i,0)为i和0两点之间的距离，以其来作为间距 时参数的半方差值；(i,j)为i和j两点之间的距离，其可作为间距 时参数的半方差值。为了得到这个下降最快的方向，使其在该初始点附近下降最快，由泰勒公式可知：(15)由于,其中 为p与两者夹角，当 和数值不变，cos=1 时值最小，下降最显著，即=0 情况下，下降最显著，从而得到。令梯度下降算法的为该点的负梯度方向，故其值在该点下降最显著，代入其中：(16)经优化后计算结果如表 3 所示，5 种方案结果差值小于 1%。表 3 减振器节流孔截面积方案5 不同工况和节流孔截面积比对减振性能的影响5.1 不同地面时节流孔截面积比对车身质心加速度影响在设定的车速 35 km/h 和履带预张紧力 10%工况下，通过改变地面模型，得到图 9。由图 9 可知，履带车辆在 5 种地面工况下，减振器节流孔截面积的比值为 1 时，车身质心加速度均方根值均最小；履带车辆在黏土地面的车身振动加速度最小，其次是干砂、含砂土壤地面，而雪地和重黏土地面最恶劣。截面积/mm2方案1方案2方案3方案4方案5复原阀36.032.02416.012.0压缩阀12.016.02432.036.0车速/(km/h)试验值/(m/s2)理论值/(m/s2)误差/%201.003 10.976 92.61301.650 21.571 74.76402.3912.271 25.01第 21 卷12工业技术与职业教育图 9 不同地面工况下节流孔截面积比对质心加速度均方根值的影响规律5.2 不同履带预张紧力时节流孔截面积比对车身质心加速度影响设定车速 35 km/h、干砂地面，得到履带预张紧力分别为 6%、8%、10%、12%以及 14%时的车身质心加速度，如图 10 所示。由图 10 可知，选取节流孔截面积比为 1 时，车身质心振动加速度最小；随着张紧力的增大，车身振动越剧烈。图 10 不同履带预张紧力下节流孔截面积对质心加速度均方根值的影响5.3 不同车速时节流孔截面积比对质心加速度影响设定在干砂地面和履带预张紧力为 10%，通过改变车速的输入，得到图11。由图11可知在不同车速下，在节流孔截面积比取为 1 时，车辆减振性能最优。5.4 越障工况节流孔截面积比对车身质心加速度的影响为车辆模型在干砂石地面，以 10%车重作为履带预张紧力，在 30 km/h 情况下的五组节流孔截面积比的情况对比。图 12 所示为车辆通过路面障碍时的5 组节流孔截面积比对车身质心加速度的影响。由图12 可见，在履带车辆越障碍时，减振器节流孔截面积比为1的情况下，车辆质心垂向加速度也是最小。由上述四种工况下可知高速履带车辆液压减振器节流孔截面积比应选取为 1，以获得最优减振性能。6 结论1)通过建立 Recurdyn 履带式车辆动力学模型和 AMEsim 减振器模型，且两种模型组合计算，模型结构合理有效，仿真结果与试验结果基本吻合。2)在 Isight 集 成 AMEsim 过 程 中，使 用Kriging 近似模型、组合优化算法相结合的方法，具有运算速度快、精度高的优点，为液压减振器参数设定提供一种有效方法。图 11 不同车速下节流孔截面积比对质心加速度均方根值的影响图 12 越障碍下截面积比对车身质心加速度的影响3)液压减振器节流孔截面积比为 1 时，阻尼特性对履带车辆行走机构的减振性能影响是最优。可为高速履带车辆行走机构的设计研究提供理论参考。1 胡彩兵,涂群章,杨旋,等.基于 Recurdyn 的三角履带行驶 系统建模及仿真 J.兵器装备工程学报,2020,41(11):89-94+153.2 陈安成,穆希辉,杜峰坡,等.基于 RecurDyn 的小型履带 车的建模与仿真 J.机械设计,2013,30(10):36-39.3 韩宝坤,李晓雷,王昌田,等.高速履带车辆平稳性能仿 真及影响因素分析 J.兵工学报,2004,25(5):513-516.4 滕绯虎.履带式装甲车悬挂优化及减振性能研究 D.太 原:中北大学,2017:23-25.5 董明明,顾亮.履带车辆非线性悬挂系统的 ADAMS 仿 真 J.北京理工大学学报,2005,25(8):670-673.6 焦晓娟，张谐渭,彭斌彬.RecurDyn 多体系统优化仿真 技术 M.北京：清华大学出版社,2010:36-38.7 柴新伟.某履带车辆胶体缓冲器设计及其与悬挂系统的 匹配研究 D.太原：中北大学,2010:33-34.8 Han J,Ren G,Li D.Co-simulation of a tracked mobile robot based on recurdyn and simulinkC.2017 5th International Conference on Frontiers of Manufacturing Science and Measuring Technology,2017,822:1642-1646.9 陈媛媛.履带车辆行动系统动力学仿真分析 D.沈阳:沈阳理工大学,2012:18-20.10 Zhou C K,Huang Y Y,Ni L.The dynamics simulation of tracked vehicles on the hard and soft ground based on the recur DynJ.Advanced Materials Research,2013(842):351-354.11 Edwin P,Shankar K,Kannan K.Soft soil track interaction modeling in single rigid body tracked vehicle modelsJ.Journal of Terramechanics,2018,77(7):1-14.12 彭莫,刁增祥,党潇正,等.汽车悬架构件的设计计算M.北京：机械工业出版社,2016:32-35.13 叶全勇,俞德孚.车辆悬架减振器外特性非线性的等效 线性计算 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