兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (2): 380-393.doi: 10.12382/bgxb.2021.0588
宋慧新1,2, 顾亮1,*(), 张进秋3, 董明明1, 王利明4
收稿日期:
2021-08-31
上线日期:
2022-06-11
通讯作者:
SONG Huixin1,2, GU Liang1,*(), ZHANG Jinqiu3, DONG Mingming1, WANG Liming4
Received:
2021-08-31
Online:
2022-06-11
摘要:
为解决高速履带车辆机电悬架在高频区性能恶化与结构可靠性的问题,分析基于扭杆的机电悬架刚度特性,求解悬架杆系复杂运动关系,计算机电执行器的等效惯性质量,建立考虑惯性质量与负重轮阻尼的2自由度机电悬架模型。量化分析惯性质量对悬架性能的不利影响,得到影响悬架平顺性、部件可靠性的惯性力的频域分布区间与功率谱密度分布区间。根据悬架惯性力的频域分布,以及悬架动挠度的幅频特性,提出滤振与缓冲的措施,建立带有滤振缓冲器的悬架模型。仿真和试验结果表明:滤振缓冲能够有效降低惯性质量影响,在D级路面40km/h行驶工况下,将原惯性力的均方根值由原2143N降低至175N。同时簧载质量加速度均方根值,由原3.5108m/s2降低至1.2682m/s2。台架测试证明齿圈应力在采用滤振缓冲措施后得到较大衰减,最大值由519.9MPa降低为110.1MPa。通过仿真和试验,验证了滤振与缓冲的措施能够提升机电悬架的性能,有助于解决惯性质量带来的高频区性能恶化的问题。
中图分类号:
宋慧新, 顾亮, 张进秋, 董明明, 王利明. 高速履带车辆机电悬架惯量分析与滤振缓冲设计[J]. 兵工学报, 2023, 44(2): 380-393.
SONG Huixin, GU Liang, ZHANG Jinqiu, DONG Mingming, WANG Liming. Inertia Analysis and Vibration Filtering Buffer Design of Electromechanical Suspension of High Speed Tracked Vehicle[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(2): 380-393.
参数 | 数值 |
---|---|
ms/kg | 2400 |
非簧载质量mu/kg | 235 |
单元履带质量ml/kg | 170 |
扭杆材料剪切弹性模量G/MPa | 78300 |
扭杆工作长度l/mm | 1940 |
扭杆工作直径dT/mm | 48 |
平衡肘初始安装角α0/(°) | -43.56 |
负重轮垂向刚度kf/(N·m) | 2160 |
履带垂向刚度kl/(N·m) | 40000 |
车辆底甲板距地高度h/mm | 406.5 |
扭杆中心距车底甲板高度h0/mm | 95 |
履带板厚度hb/mm | 80 |
平衡肘旋转半径Rd/mm | 360 |
负重轮直径Df/mm | 600 |
悬架静行程fj/mm | 135 |
悬架动行程fd/mm | 293 |
表1 悬架参数
Table 1 Suspension parameters
参数 | 数值 |
---|---|
ms/kg | 2400 |
非簧载质量mu/kg | 235 |
单元履带质量ml/kg | 170 |
扭杆材料剪切弹性模量G/MPa | 78300 |
扭杆工作长度l/mm | 1940 |
扭杆工作直径dT/mm | 48 |
平衡肘初始安装角α0/(°) | -43.56 |
负重轮垂向刚度kf/(N·m) | 2160 |
履带垂向刚度kl/(N·m) | 40000 |
车辆底甲板距地高度h/mm | 406.5 |
扭杆中心距车底甲板高度h0/mm | 95 |
履带板厚度hb/mm | 80 |
平衡肘旋转半径Rd/mm | 360 |
负重轮直径Df/mm | 600 |
悬架静行程fj/mm | 135 |
悬架动行程fd/mm | 293 |
参数 | 数值 |
---|---|
平衡肘与摇臂旋转点水平间距AF/mm | 566 |
平衡肘与摇臂旋转点垂直间距DF/mm | 70 |
摇臂旋转半径CD/mm | 260 |
连杆长度CE/mm | 240 |
平衡肘旋转点至连杆安装点长度AE/mm | 300 |
平衡肘与负重轮旋转点至连杆安装点长度BE/mm | 60 |
表2 悬架杆系参数
Table 2 Suspension linkage parameters
参数 | 数值 |
---|---|
平衡肘与摇臂旋转点水平间距AF/mm | 566 |
平衡肘与摇臂旋转点垂直间距DF/mm | 70 |
摇臂旋转半径CD/mm | 260 |
连杆长度CE/mm | 240 |
平衡肘旋转点至连杆安装点长度AE/mm | 300 |
平衡肘与负重轮旋转点至连杆安装点长度BE/mm | 60 |
参数 | 数值 |
---|---|
Jr/(kg·m2) | 0.32019 |
Jx/(kg·m2) | 0.05316 |
Jd/(kg·m2) | 0.02335 |
ir | 1 |
ix | 9.4 |
id | 5.2 |
摇臂的旋转半径Ry/mm | 260 |
表3 机电执行器参数
Table 3 Parameters of electromechanical actuator
参数 | 数值 |
---|---|
Jr/(kg·m2) | 0.32019 |
Jx/(kg·m2) | 0.05316 |
Jd/(kg·m2) | 0.02335 |
ir | 1 |
ix | 9.4 |
id | 5.2 |
摇臂的旋转半径Ry/mm | 260 |
参数 | 数值 |
---|---|
ms/kg | 2400 |
ml/kg | 235 |
mr/kg | 526 |
ks/(N·mm-1) | 154 |
cs/(N·s·m-1) | 9612 |
ku/mm | 1940 |
cu/(N·s·m-1) | 800 |
μ | 0.098 |
β | 2.1 |
γ | 13.3 |
ξ | 0.25 |
ε | 0.083 |
fs0/Hz | 1.27 |
fs/Hz | 1.15 |
fu0/Hz | 15.41 |
fu/Hz | 8.57 |
表4 2自由度悬架模型参数
Table 4 Parameters of 2DOF electromechanical actuator
参数 | 数值 |
---|---|
ms/kg | 2400 |
ml/kg | 235 |
mr/kg | 526 |
ks/(N·mm-1) | 154 |
cs/(N·s·m-1) | 9612 |
ku/mm | 1940 |
cu/(N·s·m-1) | 800 |
μ | 0.098 |
β | 2.1 |
γ | 13.3 |
ξ | 0.25 |
ε | 0.083 |
fs0/Hz | 1.27 |
fs/Hz | 1.15 |
fu0/Hz | 15.41 |
fu/Hz | 8.57 |
悬架状态 | 均方根值 | |||
---|---|---|---|---|
/N | /(m·s-2) | /mm | ||
惯性质量为0kg | 0 | 2.15 | 0.4212 | 17.47 |
惯性质量为526kg | 2216 | 5.17 | 0.5561 | 17.31 |
表5 频域内D级路面车速40km/h时悬架特性对比
Table 5 Comparison of suspension characteristics at 40km/h on class F road in the frequency domain
悬架状态 | 均方根值 | |||
---|---|---|---|---|
/N | /(m·s-2) | /mm | ||
惯性质量为0kg | 0 | 2.15 | 0.4212 | 17.47 |
惯性质量为526kg | 2216 | 5.17 | 0.5561 | 17.31 |
内容 | 路面等级 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
A | B | C | D | E | F | |
动挠度均方根值/mm | 1.9 | 3.8 | 7.0 | 7.0 | 6.9 | 5.6 |
行驶速度不小于/(km·h) | 120 | 120 | 100 | 26 | 7 | 2 |
表6 滤振幅值7mm以下对应的不同路面行驶速度
Table 6 Different speeds on road corresponding to the amplitude value less than 7mm
内容 | 路面等级 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
A | B | C | D | E | F | |
动挠度均方根值/mm | 1.9 | 3.8 | 7.0 | 7.0 | 6.9 | 5.6 |
行驶速度不小于/(km·h) | 120 | 120 | 100 | 26 | 7 | 2 |
参数 | 数值 |
---|---|
电机的感应电动势常数ke/(V·s·rad-1) | 0.6 |
电机的扭矩常数ki/(N·m·A-1) | 10 |
电机负载电阻R/Ω | 100 |
电机内阻r/Ω | 1.3 |
缓冲器刚度khs/(N·m·rad-1) | 259 |
缓冲器阻尼系数chs/(N·m·s·rad-1) | 0.01 |
缓冲器转动惯量Jh/(kg·m2) | 0.005 |
表7 电机与缓冲器参数表
Table 7 Motor and buffer parameters
参数 | 数值 |
---|---|
电机的感应电动势常数ke/(V·s·rad-1) | 0.6 |
电机的扭矩常数ki/(N·m·A-1) | 10 |
电机负载电阻R/Ω | 100 |
电机内阻r/Ω | 1.3 |
缓冲器刚度khs/(N·m·rad-1) | 259 |
缓冲器阻尼系数chs/(N·m·s·rad-1) | 0.01 |
缓冲器转动惯量Jh/(kg·m2) | 0.005 |
悬架状态 | 均方根值 | |||
---|---|---|---|---|
/N | /(m·s-2) | /mm | ||
无惯性质量 | 0 | 0.8609 | 0.3076 | 31.70 |
惯性质量为526kg | 2143 | 3.5108 | 0.5568 | 32.20 |
惯性质量为526kg (带滤振缓冲器) | 175 | 1.2682 | 0.4104 | 34.03 |
表8 D级路面40km/h时3种状态的悬架特性对比
Table 8 Comparison of suspension characteristics for the three states at 40km/h on Class D road
悬架状态 | 均方根值 | |||
---|---|---|---|---|
/N | /(m·s-2) | /mm | ||
无惯性质量 | 0 | 0.8609 | 0.3076 | 31.70 |
惯性质量为526kg | 2143 | 3.5108 | 0.5568 | 32.20 |
惯性质量为526kg (带滤振缓冲器) | 175 | 1.2682 | 0.4104 | 34.03 |
悬架状态 | 簧载质量振动加速度均方根值/(m·s-2) | |||
---|---|---|---|---|
频率3Hz, 振幅30mm | 频率7Hz, 振幅8mm | 频率10Hz, 振幅5mm | 频率15Hz, 振幅3mm | |
无滤振缓冲 | 1.8609 | 8.1693 | 12.4382 | 16.3824 |
有滤振缓冲 | 0.3881 | 0.6153 | 0.3998 | 1.0373 |
降低百分比/% | 79.14 | 92.47 | 96.79 | 93.67 |
表9 多频点台架试验悬架特性对比
Table 9 Comparison of suspension characteristics in multi-frequency bench test
悬架状态 | 簧载质量振动加速度均方根值/(m·s-2) | |||
---|---|---|---|---|
频率3Hz, 振幅30mm | 频率7Hz, 振幅8mm | 频率10Hz, 振幅5mm | 频率15Hz, 振幅3mm | |
无滤振缓冲 | 1.8609 | 8.1693 | 12.4382 | 16.3824 |
有滤振缓冲 | 0.3881 | 0.6153 | 0.3998 | 1.0373 |
降低百分比/% | 79.14 | 92.47 | 96.79 | 93.67 |
悬架状态 | 均方根值 | ||
---|---|---|---|
/(m·s-2) | /mm | ||
无滤振缓冲 | 5.8215 | 0.8324 | 35.43 |
有滤振缓冲 | 2.5243 | 0.7121 | 38.32 |
表10 D级路面台架试验悬架特性对比
Table 10 Comparison of suspension characteristics in bench test of Class D road
悬架状态 | 均方根值 | ||
---|---|---|---|
/(m·s-2) | /mm | ||
无滤振缓冲 | 5.8215 | 0.8324 | 35.43 |
有滤振缓冲 | 2.5243 | 0.7121 | 38.32 |
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