高机动履带车辆行驶系统中的5个科学技术问题

毛明，张亚峰，杜甫，陈轶杰

（中国北方车辆研究所，北京100072）

高机动履带车辆行驶系统中的5个科学技术问题

毛明，张亚峰，杜甫，陈轶杰

（中国北方车辆研究所，北京100072）

行驶系统对坦克装甲车辆的性能尤其是机动性有特别重要的影响，然而由于工作环境复杂且恶劣，使行驶系统技术成为制约坦克装甲车辆性能提高的“瓶颈”。论述了高机动履带车辆行驶系统中基于机电相似系统的振动衰减网络设计、复杂系统非线性振动动力学、能量耗散、地面力学和非线性振动控制等5个科学技术问题的概念内涵、研究目标、研究内容和前人的研究成果，期望引起各方面的关注，并深入开展基础理论层面上的研究和工程技术层面上的协同攻关。

兵器科学与技术；行驶系统；机电相似理论；非线性振动；能量耗散；地面力学；控制

1 概述

行驶系统的主要功能是将传动系统输出的力矩转化为车辆与地面之间的作用力，从而驱动车辆实现各种行驶动作。

具体到履带车辆行驶系统，它的主动轮安装在传动系统输出轴上，通过主动轮轮齿和履带之间的啮合把履带持续不断地向前铺设并从后方卷起，从而使负重轮能够沿所铺设的履带不断滚动，最终实现车辆的行驶功能。

1.1 行驶系统的构成

履带车辆的行驶系统主要由履带、主动轮、负重轮、诱导轮、托带轮和悬挂减振装置等部件构成，如图1所示［1］。

履带是坦克装甲车辆最典型的特征之一，它的最大特点是支承负重轮并为其提供一条“连续滚动的轨道”，使车辆获得很低的接地压力（约60～90 kPa，而轮式装甲车辆轮胎的接地压力达120～600 kPa）和较大的附着力，保证车辆在无路的情况下也能顺利通过。履带所处的工作环境非常恶劣，在车辆行驶过程中，它直接与砂石、泥水、海水等接触，同时受到多个方向的拉伸、扭转作用，冲击碰撞载荷大，腐蚀严重。

图1 履带车辆行驶系统结构图Fig.1 Structure diagram of tracked vehicle running system

先进坦克普遍采用橡胶铰链履带，与主动轮啮合质量好，行驶噪音小，具有较高的传递效率，且使用寿命较长。德国的豹2A5坦克的双销双板销耳挂胶履带使用寿命可达7 500 km左右（见图2），美国的M1A2坦克采用的是双销双板销耳挂胶、着地面挂胶、跑道面挂胶的T-158型履带，其使用寿命达到3 400 km.

负重轮支承车体在履带接地段上滚动，并将车辆的重量较均匀地分配在整个履带的接地段上。现代履带车辆的行驶装置中，在负重轮的外部一般都有外橡胶圈，这有助于提高行驶平稳性和降低噪声，如图3所示。

图3 负重轮实车照片图Fig.3 Picture of road wheel on real vehicle

坦克负重轮一般要承受25～50 kN的静载荷，动载荷能达到静载荷的3～5倍以上，工作时，负重轮磨损、橡胶圈发热严重。

悬挂减振装置包括弹性元件、减振器、缓冲器、导向装置。功用是把车体和负重轮弹性连接起来，传递作用在负重轮和车体之间的力和力矩，缓和车辆行驶时经负重轮传递到车体的冲击，并衰减车体的振动，保证车辆能以较高的速度行驶。根据弹性元件的类型，可以将悬挂减振装置分为扭杆弹簧悬挂装置和油气悬挂装置。20世纪高速履带式坦克装甲车辆基本上都是采用扭杆作为弹性元件的独立悬挂装置。它是利用圆形扭杆在扭转时的弹性变形实现车体和负重轮之间的弹性连接。如图4所示，扭杆的一端用花键固定在车体上，另一端固定在悬挂装置的平衡肘内，平衡肘摆动时，扭杆发生弹性扭转。扭杆悬挂的特性基本上是线性的，悬挂刚度变化很小。

理想的悬挂装置特性，如图5所示，应当使得车辆在较好的路面上行驶时有较低的悬挂刚度，从而保证较好的平顺性；当车辆在起伏较大的路面上行驶时悬挂应该具有较大的刚度，使得吸振缓冲能力较强。油气悬挂集弹性和阻尼元件于一身，以其优越的非线性弹性特性和良好的减振性能，能够最大限度地满足不同车辆的平顺性要求，从而大幅提升行驶速度。安装有液压控制系统的可调油气悬挂系统还具备调节车辆姿态、悬挂刚性闭锁等功能。油气悬挂最大工作压强可达70 MPa，工作速度达5 m/s，工作温度-50℃～200℃，侧向应力达15 N/mm2.日本最新推出的TK10坦克就采用了油气悬挂。

图4 扭杆悬挂装置在车辆上的安装Fig.4 Installation drawing of torsion bar suspension device

图5 悬挂装置特性曲线Fig.5 Characteristic curves of suspension device

减振器是安装在车体和负重轮之间的一个阻尼部件，用来消耗坦克装甲车辆的振动能量，衰减车体的振动。由于它能减小车体振动的振幅和振动次数，因而也能延长弹性元件的疲劳寿命。根据减振方式不同可以分为摩擦减振器和液压减振器；液压减振器按结构又可分为筒式、摆动活塞式和叶片式，其中先进坦克中常用的是回转叶片式减振器，如图6所示。

图6 回转叶片式减振器Fig.6 Rotational absorber

1.2 行驶系统的功能

行驶系统的功能主要有：1）承载车体、动力系统、传动系统等车辆部件的重量；2）将传动装置传递过来的扭矩转化为地面附着牵引力，实现车辆的直行、转向、倒车、制动等行驶功能；3）传递、承受、缓和作用于行驶机构上的各种振动、冲击载荷，保障车辆行驶的平顺性和安全性。对于战斗车辆，行驶系统还必须为上装武器系统提供相对稳定的机动支撑平台，并承受车载武器发射时的动载荷，是实现车辆火力性能的重要保障。

1.3 行驶系统的性能

行驶系统的性能直接关系到坦克装甲车辆火力、机动力和生存力，对军用车辆战斗力的发挥具有决定性作用。美国在《2010年联合作战构想》中论述作战车辆的“火力性”和“机动性”时，也已经明显地向“机动性”倾斜，甚至构想未来主战坦克最大速度应该达到100 km/h以上，越野平均速度达到55 km/h以上，美军对车辆机动性的重视程度可见一斑［2］。

车辆机动性一般是指车辆在全质量状态下，在一定环境中进行指定运动的可能性和快速性，即车辆以尽可能高的平均速度通过各种道路（铺装路、坏路等）、无路地带（如耕地、沙漠、雪地、沼泽等松软地面）和克服各种障碍的能力。显然，车辆机动性是表征车辆行驶系统乃至整车性能的一项至关重要的指标，一般可以用越野平均速度、最大速度这两项指标进行描述。越野平均速度是指车辆在规定比例的各类越野地面上及规定的环境条件下各平均速度的加权平均值。最大速度是指车辆在规定的路面（行驶状况良好）及环境条件下所能达到的最大瞬时速度。对坦克装甲车辆而言，其机动性还直接影响到行进间射击车速这一关乎火力性能的重要指标。世界先进主战坦克机动性已经达到了很高的水平，如德国的豹2A7+坦克和日本TK10式主战坦克越野平均速度达到55 km/h，法国勒克莱尔主战坦克越野平均速度达到50 km/h，俄罗斯新一代主战坦克最大公路速度超过85 km/h，白俄罗斯的2T坦克越野平均速度达60 km/h，最大公路速度达95 km/h.

车辆的最大速度取决于动力、传动系统的性能，而越野平均速度则主要取决于行驶系统的性能，履带车辆行驶系统是提高车辆越野平均速度即行驶机动性的关键因素，是提高行进间射击车速即火力机动性的关键因素，是提高车辆行驶平顺性和乘坐舒适性的决定性因素，是影响可靠性的主要因素。

2 行驶系统中的5个科学技术问题

行驶系统的设计所追求的目标是：无论在何种路面以何种车速行驶，其所支撑的平台（悬上质量）应尽量保持多向稳定，并尽量提高牵引效率、减轻质量，以及提高寿命。所包含的基本科学技术问题主要包括：基于机电相似系统的振动衰减网络设计问题、复杂系统非线性振动动力学问题、能量耗散问题、地面力学问题和非线性振动控制问题。

2.1 基于机电相似系统的振动衰减网络设计问题

2.1.1 概念内涵

机电相似理论是根据机械元件与电路元件，在动力学方程上具有相似的形式而建立的，具体表现为：机械减振系统和滤波电路有相同的动态微分方程和传递函数，如表1所示。机械减振系统的目标是过滤来自激励（路面）的扰动，与电路滤波的概念相似；电容与质量、电感与弹簧、电阻与阻尼所表现出的滤波与隔振特性相似。惯容器概念的提出，解决了质量元件的“接地”难题，把惯容器作为改进的质量元件，便形成了新机电相似理论，如表2所示。

表1 机电相似理论Tab.1 Electrical and mechanical analogy

表2 新机电相似理论元件间的对应关系Tab.2 Corresponding relation between the elements in new electrical and mechanical analogy

惯容器是一个从电学中派生出的概念，其实质是一个蓄能器，因此惯容器又称为惯性蓄能器或惯性质量蓄能器，同弹簧和阻尼器一样具有两个独立、自由的端点。其本质是利用其内部的机械传动机构，在与之相关联的两个运动物体之间提供一种产生惯性力的“虚质量”。已出现的惯容器有：齿轮齿条、滚珠丝杠、液压、流体4种形式，如图7所示。

图7 常见的惯容器Fig.7 Common inerters

2.1.2 研究目标

突破履带车辆行驶系统现有弹簧、阻尼、负重轮、平衡肘、履带、主动轮、张紧装置、托带轮的传统构架，将它作为一个有行驶、减振、承载、调姿功能的整体，针对不同的路面（激励）环境，采用由弹簧、阻尼、惯容元件组成的减振网络替代仅由弹性元件和减振元件组成的并联悬挂。

2.1.3 研究内容

将惯容器引入悬挂系统，对基于“弹簧-阻尼”结构体系的悬挂设计理论与方法提出了新的挑战，亟待寻求新的理论、方法和交叉学科知识去研究惯容器本身的特性以及对悬挂动态性能和整车综合性能的影响。为构建新型减振网络，可从以下两方面进行研究：

1）构建行驶系统设计的目标体系。以惯容、弹簧、阻尼构成的减振网络作为黑箱，其输入是不同严酷度的地面激励，而输出为行驶系统设计的各项性能指标，主要用来评价车辆行驶平顺性、射击平顺性、冲击概率以及负重轮载荷。在“弹簧-阻尼”悬挂体系中，用垂直振动加速度评价车辆行驶平顺性，用俯仰速度和加速度表征射击平顺性，用悬挂动行程极限判定冲击概率。惯容、弹簧、阻尼减振网络能否沿用这一指标体系？各指标之间权重如何？这些都是亟待研究的问题。

2）利用机电相似理论，创新设计一个包含不同数量、不同参数、不同连接形式的惯容、弹簧、阻尼组成的减振网络。将电路滤波的概念完整地引入到机械减振网络中，采用惯容、弹簧、阻尼3种力学元件，基于整车，设计面向激励的减振网络，再进一步，将性能优越的“惯容-弹性-阻尼”减振网络设计为集成化和模块化的悬挂系统，并解决轻量化及其在车辆上的实际布置与安装问题。另一方面，油气弹簧将“弹簧-阻尼”集成在一起，也可以考虑将油气弹簧与惯容器再集成而形成惯容式油气弹簧元件。

2.1.4 前人研究成果

2004年，Smith等首次将惯容器应用于车辆悬挂系统，构建了几种简单的被动ISD悬挂结构，每种结构至多含有一个惯容器和一个阻尼器，能使车辆的乘坐舒适性及行驶安全性得到改善［3］。2005年，惯容器在西班牙大奖赛莱科宁的赛车上现身，并为迈凯轮车队取得了胜利［4］。2006年，Papagorgiou等将线性矩阵不等式理论应用到车辆悬挂结构优化中，结果表明与固定结构优化方法相比在某些情况下可获得更优的性能［5］。2007年，惯容器被应用于摩托车转向器的设计中，替代传统的转向减振器，结果表明加入惯容器后摩托车在横向摆动和纵倾状态下都能保持平衡，而这是仅使用转向减振器所不能实现的［6］。

2006年，台湾学者廖柏淮将惯容器应用于火车悬挂，改善了火车的乘坐舒适性、系统动态性能及稳定性［7］。2007年，江苏大学陈龙等开展了齿轮齿条惯容器在车辆悬挂中的研究，证明应用惯容器能够使悬挂的减振性能得到改善；借鉴电学中的级联滤波思想，根据机械系统的实际进行了改进，创建了两级串联型“惯容-弹簧-阻尼”悬挂，其性能明显优于传统“弹簧-阻尼”悬挂；对惯容器、弹簧和阻尼任意二元件间的串联和并联结构在单自由度系统中的频响特性和振动传递动态特性进行了对比分析，提出了二元件连接的理想匹配关系，在此基础上创建了一种性能优越，结构简单的ISD悬挂［8］。2009年，重庆大学李川等对惯容器、弹簧和阻尼器三元件并联的车辆悬挂结构进行了时域仿真，结果表明：当弹簧刚度取值较大时，无需主动的动力输入或半主动的检测控制回路，三元件并联的悬挂结构可以提升悬挂综合性能［9］。

2013年，中国北方车辆研究所建立了基于一个惯容器的通用悬挂模型，并对模型中包含的21种工程上可行的悬挂拓扑结构进行动力学仿真和参数优化，证明其中5种新型结构的性能优于传统悬架［10］，如图8所示。

图8 5种新型ISD悬架结构Fig.8 5 new ISD suspension structures

2.2 复杂系统非线性动力学问题

2.2.1 概念内涵

复杂系统非线性振动动力学问题是设计悬挂装置、进行悬挂装置总体布局以及确定履带行驶装置各部件设计载荷的基础，是行驶系统研究、设计的基本问题。基于“弹簧-阻尼”结构体系的履带车辆非线性振动动力学问题的物理模型如图9所示。

图9 基于“弹簧-阻尼”结构体系的履带车辆非线性振动动力学模型Fig.9 Tracked vehicle nonlinear vibration dynamic model based on spring-damper structure system

2.2.2 研究目标

研究复杂系统非线性振动动力学问题的目标是找出车辆在各种路面、不同车速下运动时其所支撑的平台（悬上质量）的振动动态特性与行驶系统各技术参数之间的关系。

2.2.3 研究内容

首先，行驶系统许多零部件经常工作在极限应力环境下，参数之间的关系明显进入到了非线性区，或是人为的要求其在非线性区工作。这些非线性因素的存在，给行驶系统特性的精确设计、优化和预测带来很大困难，制约着行驶系统技术的进一步提高和发展。对于中低速履带车辆而言，非线性问题一般不突出，用线性化方法对其进行处理，就可以得到满足工程实际精度需要的结果。对于高机动坦克装甲车辆，其行驶速度变化范围大，路况恶劣多变，行驶系统中的状态变量经常工作在特征曲线的饱和区或极限区域，加之行驶系统采用的金属—橡胶复合件较多，并且存在多形态的各种接触、摩擦等因素，参数之间的非线性现象尤为严重，线性化处理带来的误差将明显增大。

因此，必须建立质量特性m、弹性特性k、阻尼特性c和激励特性矩阵F的非线性模型并进行求解，如（1）式所示，才能进一步提高行驶系统设计精度。

式中：x为悬上质量各向振动位移向量；t为时间；h为路面高程；v为车速。

其次，研究履带车辆行驶系统各物理场之间、各物理量之间的耦合问题，包括其机械结构的刚-柔耦合、热-流-固耦合、传动系统-行驶系统的耦合、履带-地面之间的耦合以及行驶系统内部零部件之间的相互耦合等等。这时，传统的先将物理场或物理量进行隔离再分别求解的方法已经无能为力，难以满足高机动履带车辆非线性的精度需要。（2）式即反映了各物理场或物理量之间的这种耦合关系：

式中：xi表示系统的输入（可以属于不同的物理场）；ri表示系统的输出（也可以属于不同的物理场）；矩阵元素［Rij］（i≠j）表示输入xj和输出ri之间的影响关系。当分别属于不同的物理场时，Rij就表示两个物理场间的耦合系数。如果Rij为非常数，xj和ri之间就更是非线性耦合关系，问题更为复杂。

再次，研究行驶系统受到强冲击激励下的车辆振动问题。高机动军用履带车辆行驶的地面一般起伏大、障碍多、变形严重，行驶系统既要承受来自地面的高频连续冲击激励，低频大振幅瞬态冲击激励，还要承受来自行驶系统内部的履带环、轮系等的冲击激励。这些因素的共同存在，导致行驶系统所受冲击激励的比重和强度迅速增加，行驶系统零部件受到的动载荷迅速上升。此时，行驶系统的动力学方程如（3）式所示：

式中：zi为系统位移响应；系统矩阵mij、cij和kij不再是常量矩阵；动载荷Fi（t，h，v）也不仅是时间t的函数，而且是车速v、路面高程h的函数。系统的动力学方程将变得十分复杂。面对如此复杂的动力学问题，已有的传统行驶系统冲击振动问题的分析和求解方法已经不能适用，必须重新建立行驶系统在复杂强冲击条件下的数学模型，寻求有效实用的求解方法，研究行驶系统在强冲击条件下的冲击振动响应特性，进而通过对悬挂系统的科学和精确设计，实现对冲击的高效缓冲，既提高车辆平顺性，又提升车辆的机动性以及行进间射击能力。

2.2.4 前人研究成果

对于行驶系统所涉及的各类非线性问题前人均有研究，包括特性、机理和建模、非线性数值求解理论、方法和大型专业分析软件开发与应用等方面。很多非线性动力学的理论和仿真算法都已经应用到履带车辆行驶系统的研究当中，在这些研究中，一般多采用理论分析、数值仿真和实车试验相结合的方法。如图10，就是运用ADAMS/ATV软件建立车辆的多体动力学模型，分析车辆在越障、不同路面条件下行驶时的冲击振动响应［11］。

图10 某型履带车辆跨越壕沟时的冲击振动响应Fig.10 Vibration response of a tracked vehicle across a ditch

2.3 能量耗散问题

2.3.1 概念内涵

能量耗散问题包括牵引能量耗散和振动能量耗散两个方面。牵引能量耗散是指由动力传动系统传递到主动轮上的能量经行驶系统后的耗散；振动能量耗散是指行驶系统主要是减振器对振动能量的耗散。显然，能量耗散问题是车辆牵引特性计算和减振器设计的基本问题。

2.3.2 研究目标

能量耗散问题研究的目标是：一是提高行驶系统效率，将主动轮上的能量（功率）尽可能地转化为牵引车辆行驶的能量（功率）；二是快速衰减甚至回收振动能量。

2.3.3 研究内容

能量耗散问题的主要研究内容是行驶系统部件间摩擦和悬挂装置的热动力学以及动态阻尼特性等。

开展履带行驶系统内部阻力耗功计算研究，考虑履带板与履带板之间弹塑性耦合作用，履带-车轮、履带-地面间的耦合力学作用，建立履带-负重轮/托带轮、履带-诱导轮、履带-主动轮接触/碰撞模型。分析挂胶销扭转变形的内摩擦功耗，主动轮齿与履带板的啮合摩擦阻力及功耗，挂胶负重轮沿履带接地段的滚动摩擦功耗，主动轮、诱导轮等轴承处的摩擦功耗，以及负重轮、托带轮、诱导轮与履带导向齿间的摩擦功耗，考虑摩擦损失中力、运动甚至摩擦系数的非线性、强耦合和不确定性，分析不同参数对能量耗散影响程度，并针对性地提出减少履带行驶系统功率损耗的具体措施。

建立减振装置振动能量耗散模型和缓冲装置冲击能量耗散模型，应用热-流-固耦合系统动力学仿真分析方法，进行减振装置的全工况热动力学机理研究，包括阻尼阀系的节流过程生热机理和系统温度场特性、减振装置整体的流-固传热机理及各组成部分的温度变化规律，并进行试验验证和效能预测评价和优化。

2.3.4 前人研究成果

俄罗斯对不同质量、不同节距、不同布置型式的金属铰链和橡胶套铰链履带、不同尺寸负重轮以及履带与主动轮啮合的功率损耗进行了理论和试验研究，得到计算履带车辆行驶系统效率Eff的经验公式［12］：

（4）式表明，履带车辆行驶系统效率与车速v呈线性关系，而且当车速为0时，行驶系统的效率为0.95.显然，（4）式只是一个经验公式，在车速很低和车速较高时，误差很大。

针对油气悬挂的散热与功率损耗研究，俄罗斯开展了系统的油气悬挂温升特性试验研究，通过传感器记录了在不同工况和外界环境下工作介质温度随时间的变化规律，通过对比分析给出了相关参数对温升特性的影响规律，同时运用数据拟合技术与传热理论相结合确定了缸体表面的综合换热系数，建立了满足工程需要的油气悬挂生热与传热数学模型。美国在开展M1主战坦克肘内式油气悬挂的研发时，进行了车辆在泥泞路况下行驶时悬挂缸外壁包泥后的散热能力研究，所得出的试验结论和采用的方法对悬挂系统设计和功率损耗研究具有参考意义。洛阳拖拉机厂和中国北方车辆研究所也针对能量耗散问题开展了大量试验研究。清华大学吕振华等运用有限元分析软件ADINA对各种阻尼结构的油气悬挂进行热动力学和阻尼特性研究，如图11所示［13］。

图11 油气悬挂中的减振装置热-流-固耦合协同仿真示意图Fig.11 Heat-flow-solid coupling co-simulation of hydropneumatic suspension damper device

2.4 地面力学问题

2.4.1 概念内涵

车辆地面力学是研究车辆与地面间相互作用的一门学科，是车辆工程的基本科学问题。包括：典型路面（民用车主要是铺面路）特别是可变形路面（起伏土路、砂石路、戈壁沙漠路）的土壤力学特性；履带板（或轮胎）与地面（土壤）的动态相互作用。

2.4.2 研究目标

在履带车辆行驶系统领域，地面力学研究以揭示附着力的生成机理和整车非线性振动动力学方程的激励特性为目的。由于大变形滑动接触以及土壤既不连续又各向异性，而且状态随环境的变化而变化等方面的原因，使得履带与地面的相互作用分析比较困难，需要深入研究履带-地面的耦合作用，明晰纵向和侧向附着力产生机理，在保证转向稳定的前提下寻求提升车辆的牵引性能方法。另一方面，需要建立履带板的设计方法，在保证足够附着性能的前提下实现履带板的轻量化。

2.4.3 研究内容

开展典型路面特别是可变形路面的土壤力学特性研究，对典型地面土壤的实地取样和测定，并进行土壤力学特性试验，获取典型地面土壤参数，进行土壤力学特性分析。

建立履带板与地面的动态相互作用模型，研究履带板几何特性对地面接触应力分布的影响；分析土壤在履带板作用下的破坏机理；揭示纵向和侧向附着力和行驶阻力、转向阻力的生成规律。

开展履带的包络与滤波作用研究，履带对地面的包络效应主要表现为履带对路面谱的滤波作用，分析经过履带滤波后路面高程变化规律，建立履带滤波函数，为实现整车道路模拟系统激励加载提供理论依据。

2.4.4 前人研究成果

1913年，德国的Bernstein第一个用古典力学来研究车轮下陷引起的阻力，如图12所示［14］。1936年～1939年，Bekker在波兰华沙工学院开设地面车辆力学课程［15］。1960年Reece建立首个陆地行驶实验室，首次提出变形土壤的概念，并得到半经验土壤各向本构关系，1969年出版《地面-车辆系统导论》［16］。1960年Reece参与阿波罗登月计划，研究月球车轮与月壤的相互作用［16］。2005年，加拿大的Wong等推出模拟车辆在可变形土壤上行驶牵引性能的软件VTVPM［17］。20世纪60年代初，吉林大学陈秉聪等建立了我国第一个试验土槽，开展履带车辆牵引力研究［18］。郭孔辉等提出半经验轮胎统一模型［19］。1981年，中国北方车辆研究所张克健等运用有限元方法计算履刺效应［20］。

图12 地面力学研究示意图Fig.12 Schematic diagram of terramechanics research

2.5 非线性振动控制问题

2.5.1 概念内涵

非线性振动控制问题是主动悬挂、电磁悬挂的基础问题。振动控制的目标是悬上质量的多向稳定。从力的角度看，控制目标是使悬挂减振系统在悬上质量与负重轮（轮胎）之间传递的力尽可能不变。控制对象为悬挂装置的弹性特性和阻尼特性。

2.5.2 研究目标

行驶系统非线性振动控制研究目标是能够实现上装平台多向（一般是垂直和俯仰）稳定，而且耗功少、系统鲁棒性好。

2.5.3 研究内容

研究主动悬挂性能评价体系，分析行驶平顺性、悬挂动挠度和负重轮动载荷等参数的变化规律；研究最优控制（线性、H∞、预测）、自适应控制（增益调度、模型参考、自校正）、智能控制（模糊、神经网络）、复合控制等不同控制方法对悬挂动挠度、俯仰角加速度、人体和车体垂直振动加速度的衰减程度；研究不同控制方法对行驶系统的适应性。

研究液压式、机电式、电磁式等不同执行机构的可行性，开发出响应快速、在有限行程内能输出足够大的力执行器。

2.5.4 前人研究成果

前人在主动悬挂领域研究非常活跃。1954年，Federspiel-Labrosse首次提出主动悬挂的概念［21］。1969年，Bender提出主动悬挂预测控制，即通过传感器来预测车辆前面的路面高程［22］。1976年，Yamada等提出用前轮悬挂的状态信息作为后轮悬挂的前反馈信息，控制后轮悬挂［23］。1970年，Thomose发表了应用最优控制理论设计的有源主动悬挂在阶跃激励输入时的最优状态反馈器的方法，并于1984年进行了改进［24］。1993年，Huiman等研究了带有预测的主动悬挂的最优控制方法［25］。1992年，Yeh等首次应用模糊控制技术于主动悬挂［26］。1992年，美国在陆军坦克机动车司令部的基础上成立国家机动车中心，建立专门研究军用车辆主动悬挂技术的部门。当前最著名的主动悬挂系统ECASS由美国L-3公司研发，如图13所示。该系统安装在20 t级“枪骑兵”装甲侦查车上，使车辆的越野机动性提高50%，车体稳定性提高30%.

图13 主动悬挂系统ECASSFig.13 Active suspension system ECASS

3 结论

行驶系统对坦克装甲车辆的性能尤其是机动性有特别重要的影响，而当前行驶系统技术是制约坦克装甲车辆性能提高的“瓶颈”。履带车辆行驶系统在朝着高机动（平均越野速度55 km/h以上、行进间射击的车速30 km/h以上）、轻量化（小于整车质量的15%）、高寿命（6 000～10 000 km）的方向发展，而行驶系统的技术非常复杂，所面临的主要科学技术问题包括：基于机电相似系统的振动衰减网络设计、复杂系统非线性振动动力学、能量耗散、地面力学和非线性振动控制5个问题，这些基础的科学技术问题迫切需要开展深入研究和工程技术层面上的协同攻关。

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Five Scientific and Technological Problems on Running System of High Mobility Tracked Vehicle

MAO Ming，ZHANG Ya-feng，DU Fu，CHEN Yi-jie
（China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

The running system is very important for tank and armored vehicles，especially for the mobility performance.The running system becomes a bottleneck to improve the performance of tank and armored vehicles due to the complex and adverse working environment.The concept，connotation，research objectives，research contents and research achievements of five scientific and technological problems，such as vibration damping network design based on the electrical and mechanical analogy，nonlinear vibration dynamics of complex system，energy dissipation，ground mechanics and nonlinear vibration control，are discussed.The fundamental theoretical research is carried out，and the key technical problems are overcome by collaborative research.

ordnance science and technology；running system；electrical and mechanical analogy；nonlinear vibration；energy dissipation；ground mechanics；control

U463.3

A

1000-1093（2015）08-1546-10

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.08.024

2015-04-21

国家自然科学基金项目（51305410）

毛明（1962—），男，研究员，博士生导师。E-mail：ming_mao@noveri.com.cn