高速履带车辆负重轮系—履带—地面耦合动态特性研究

履带车辆高速行驶过程当中,负重轮系、履带和地面之间的相互作用使车辆受到强烈的随机激励和冲击激励,在车辆不同行驶速度、不同预张紧力和不同地面特性作用下,履带车辆受到的激励特性差异很大。本课题以国家重大基础研究项目为背景,针对履带车辆高速行驶时,车辆行动系统中负重轮系-履带-地面的复杂动态耦合问题而开展研究。利用双轨路形计对履带车辆行驶的四种典型路面不平度进行了测量,得出了四种典型路面的功率谱密度,对四种路面高程的低频和高频进行最小二乘拟合,得出了分段拟合曲线参数,为履带车辆参数化动力学模型计算和道路模拟整车台架试验提供激励输入。对软地面的土壤力学特性进行试验,得到了软地面的土壤力学参数,为后续软地面仿真模型的建立以及履带车辆负重轮系-履带-地面耦合系统激励特性仿真模型的建立提供数据支撑。深入分析了负重轮系、履带和地面之间的耦合作用关系,得到了履带的连接特性主要指履带具有围绕主动轮、诱导轮、托带轮、负重轮以及包络地面特征的性能。明确了履带既不与负重轮也不与地面接触、履带与负重轮接触但不与地面接触、履带与地面接触但不与负重轮接触和履带与负重轮、地面都接触四种相对位置关系。研究了履带张紧力的分布、履带与负重轮的相互作用、履带与主动轮的相互作用、履带与诱导轮的相互作用和履带与地面的相互作用。在履带车辆行驶的四种典型路面研究和负重轮系-履带-地面耦合作用关系研究的基础上,通过理论分析、仿真计算和试验相结合的方法研究了履带车辆参数化动力学模型的振动特性。建立了履带车辆参数化动力学方程,以考虑了履带效应后的四种典型路面不平度和车辆行驶速度为输入条件,利用龙格-库塔法求解车体质心处和各个负重轮轴头处的振动特性。利用多体动力学仿真软件建立了履带车辆多体动力学仿真模型,分析了履带车辆以不同速度在四种典型路面行驶时,车体质心处和负重轮轴头处的振动特性。进行了道路模拟整车台架试验,对建立的履带车辆参数化动力学模型和多体动力学仿真模型进行了试验验证,得到了履带车辆参数化动力学模型和多体动力学仿真模型的计算精度。在四种典型路面研究和履带车辆多体动力学仿真模型研究的基础上建立了履带车辆负重轮系-履带-地面耦合系统激励特性仿真模型,主要包括地面模型、履带车辆多体动力学仿真模型和履带模型。分析了履带预张紧力、车辆行驶速度、地面形貌和地面力学特性对耦合系统激励特性的影响规律。提出了用正交分析法来评价耦合特性影响因素的显著程度,结果表明,地面形貌为最显著因素,其次是车辆行驶速度,履带预张紧力影响最小。履带车辆参数化动力学模型和多体动力学仿真模型以及负重轮系-履带-地面耦合系统激励特性仿真模型的研究成果为整车道路模拟系统直接对负重轮进行位移激励加载控制提供技术支持。在前面研究的成果基础上,研究了履带车辆以不同速度在四种典型路面行驶时履带的滤波效应。在相同的仿真条件下,获得履带车辆多体动力学仿真模型和履带车辆负重轮系-履带-地面耦合系统激励特性仿真模型负重轮动位移。对比计算了由两种模型求得的负重轮动位移功率谱,得到了履带对路面的滤波系数,对滤波系数进行拟合分析,构造了考虑车辆行驶速度的履带对四种典型路面的滤波函数。应用滤波函数,对四种典型路面高程进行滤波分析,经过履带滤波后,路面高程幅值明显减小,路面波形中的高频成分降低,履带对路面谱中的高频成分滤波作用明显。履带对路面谱的滤波函数,为整车道路模拟系统激励时,去除履带直接对负重轮进行道路激励加载提供了理论依据。