徐国英，王 闯，姚新民，王 涛

(装甲兵工程学院 机械工程系，北京 100072)

【装备理论与装备技术】

高速履带车辆不同位置扭力轴刚度变化规律研究

徐国英，王 闯，姚新民，王 涛

(装甲兵工程学院 机械工程系，北京 100072)

扭力轴是现代坦克最重要的弹性元件，其本身体积较小所处的工作环境也较为恶劣还要承受大量扰动载荷，坦克达到一定行程后扭力轴刚度会发生变化，针对坦克不同位置扭力轴承受不同扰动载荷，造成其刚度变化不同的问题；通过测量两种不同车型坦克的不同位置的扭力轴的刚度，探究坦克的不同位置的扭力轴的刚度变化规律；分析得出距离车体质心距离越小扭力轴刚度变化越小，安装减震器可以有效减少扭力轴刚度变化的结论。

悬挂装置；扭力轴刚度；测试实验

扭力轴一般是安装在车体与负重轮之间，一端固定在车体上，一端随着负重轮的摆动，然后通过自身沿轴心的旋转变形来吸收负重轮摆动能量，达到吸收坦克振动的目的。扭力轴是现代坦克最主要的悬挂零件，但是由于其工作环境恶劣，需要承载大量的扰动载荷，所以使用一段时间后容易发生断裂，易造成故障[1-4]。

坦克行驶过程中，扭力轴受到大应力交变载荷的作用，扭力轴常常发生断裂现象，疲劳断裂是其主要的失效形式[5-6]。坦克不用位置的扭力轴受到的扰动载荷不同，其刚度变化不同，使用寿命也就不尽相同，研究不同位置扭力轴刚度变化规律，更加了解扭力轴断裂的原因，对科学制定扭力轴更换时间有积极的意义[8-11]。

1 扭力轴刚度变化的影响

扭力轴主要通过吸收坦克的振源引起的振动，达到保护坦克的部件以及避免乘员受到强烈振动和冲击[2-3]。扭力轴随着坦克的行驶里程的增多，扭力轴不断地发生扭转，当坦克行驶到一定里程的时候，扭力轴因为扭转而发生蠕变、磨损，导致扭力轴的刚度会变小。同时扭力轴前期的扭转变形在之后渐渐不能满足要求，只能通过超负荷吸收储存负重轮冲击能量来缓解冲击，这样就加剧了扭力轴的疲劳损坏，使其刚度下降更快。

扭力轴刚度变化直接决定负重轮悬挂刚度进而影响着车辆的舒适平稳性和可靠耐久性[5-7]。

1.1 车辆舒适平稳性指标

车辆舒适性指标一般用车辆垂直振动和俯仰振动周期表示[1-2]，纵向角振动周期的表达式为

(1)

式(1)中:Cxi为第i个负重轮的悬挂刚度；li为第i个负重轮到质心的水平距离；n为侧的负重轮个数；Iy为悬挂质量对于通过其质心横轴的转动惯量。

垂直线振动周期为

(2)

计算小幅振动时，悬挂刚度取车辆静平衡位置的数值。

1.2 可靠耐久性指标

可靠耐久性指标一般用总比位能表示，平衡肘接触到限制器时，所有扭力轴可以吸收的总能量和车辆的悬挂重力之比λq称为总比位能，其表达式为

(3)

式(3)中Gx为悬置质量，一般有Gx=(0.85～0,90)G，为第个扭力轴的最大位能，其值由下式求得

(4)

式(4)中:Ki为第个扭力轴的刚度；θmax i为第i个扭力轴从自由位置到平衡肘撞到限制器时的扭转角度。平衡肘安装在扭力轴上，二者的扭转角相同，其一般表达式为

θi=(α0i-αi)

(5)

式(5)中:α0i为第i个平衡肘的初始安装角；αi为该平衡肘当前的角度，水平线以上取负值。

因为Ai的一部分是要平衡车体悬置重量的，所以这一部分不参加吸收冲击能量，因此也用动比位能作为衡量指标

(6)

式(6)中Adi为第i个扭力轴的最大许用位能扣除支撑的悬置重量外剩余的位能。

扭力轴刚度和负重轮悬挂刚度的关系为

(7)

通过公式可以看出扭力轴刚度直接决定负重轮悬挂刚度，而负重轮悬挂刚度的增大，会引起车体固有频率增大，固有频率的增大势必会使振动周期减小，振动周期减少又将使坦克的平稳性变坏，同时提高了总比位能和动比位能，使车辆舒适平稳性有所提高。

2 不同位置扭力轴刚度的变化

扭力轴刚度随着车辆行驶里程的增多，其刚度会发生变化，同一车型不同位置的扭力轴发生变化的幅度也会有区别，通过对A、B两种车型坦克的不同位置扭力轴刚度的测量，来探究不同位置刚度变化的大小及其原因。

2.1 实车试验

为了反映普遍性，试验选取A、B两种车型的坦克，保证着每辆车都没有更换过扭力轴，A型坦克负重轮有5个位置相应的扭力轴也就有5个位置，5根扭力轴的理论刚度值相同，且第一和第五位置安装有减震器。B型坦克扭力轴有6个位置。第一、二、六扭力轴的理论刚度值相同且安装减震器，第三、四、五扭力轴的理论刚度值相同并且没有安装减震器。

实验测试的A型坦克的行程分别是：7 284 km，9 523 km，11 921 km，14 451 km，16 000 km。实验测试的B型坦克的行驶里程分别是：3 900 km，5 929 km，6 700 km，8 000 km。实验是通过对平衡肘上施加的拉力和相应的平衡肘转角来确定扭力轴刚度值。受实验的环境的限制，我们采用传统的杠杆与支架配合进行实验。

如图1所示，实验首先卸掉需要测量扭力轴的负重轮，将杠杆一端靠近车体并固定，下面的钢丝绳圈套在负重轮轴上，上面的拉力环套扣于三角支架的挂钩上，同时使得组合起来的钢丝绳圈、拉力传感器和拉力环保持在铅垂方向上，在杠杆和拉力环之间安装拉力传感器来记录力的大小，逐渐下方负重轮，记录负重轮轴抬升高度f、平衡肘与水平方向夹角α。

图1 实验示意图

在负重轮轴上施加一垂直方向的作用力P，使得扭力轴转过一定角度α，此时扭力轴的扭矩为

TT=KT(α0-α)=PRacosα

(8)

则扭力轴的刚度可以表示为

(9)

由于实验的条件有限，在测出每一根扭力轴多组刚度中，计算每一根扭力轴的算术平均刚度值，以减小实验系统误差和偶然误差。

即经过N次测量的扭力轴的算术平均刚度值为

(10)

计算A、B两种车型的坦克各个扭力轴刚度，计算结果见表1、表2。

表1 A型坦克扭力轴刚度实验值3

表2 B型坦克扭力轴刚度实验值

为了便于进行比较，更好的反映扭力轴刚度的变化趋势，这里我们据所测的实验值计算各个扭力轴刚度的减少量占本来刚度值的百分比。计算结果见表3、表4。

表3 A型坦克实验扭力轴刚度的减少量

表4 B型坦克实验扭力轴刚度的减少量

2.2 扭力轴刚度变化规律

然后绘制两种坦克刚度减少量的变化趋势如图2所示。通过图2我们可以得出，A型坦克扭力轴的刚度是随着坦克行驶里程的增加而逐渐变小，也就是扭力轴会变软。而且其速度是越来越快。同一辆坦克上左二、左三和左四位置的扭力轴刚度值的减少量大于左一和左五位置刚度值的减少量，其中左二位置的扭力轴刚度值的减少量最大。

图2 A型坦克扭力轴刚度值减少量的变化趋势

因为坦克在进行作战和训练任务时，经过起伏路段造成车体发生俯仰振动，产生俯仰角，此时坦克前后负重轮相对于车体的位移最大，即前后负重轮对应的扭杆弹簧变形最大，而负重轮的动行程从车体前后方向向质心位置逐渐降低，所以靠近质心位置的扭力轴刚度变化量较小，但由于左一和左五负重轮处安装有液力减振器，使得两处扭力轴在扭转过程中得到缓冲，所以刚度的减小量相对较小。可见减震器对刚度变化起到额至关重要的作用。

从图3可以看出B型坦克扭力轴刚度变化相比较A型较小，应为B型坦克采用6个负重轮和较为先进的悬挂，同一位置的扭力轴随坦克行驶里程的增多，其刚度的减小量逐渐增大。一、二、三扭力轴，左一扭力轴刚度的减少量大于左六扭力轴，因为车体质心偏后，车身在作俯仰振动时，左一负重轮的动行程要大于左六负重轮处，即左一扭力轴的扭转角要大于左六扭力轴，因此左一扭力轴的减少量大于左六扭力轴。同时还可以看出左二扭力轴刚度减少量少于左一扭力轴，一方面的原因是坦克在行进过程中一般第一个负重轮是第一个受到冲击，这个时候驾驶员往往下意识降低车速来保持驾驶平衡，这样就造成第一根扭力轴扭转的强度比其他扭力轴大很多，另一方面原因是左二扭力轴距离车体质心距离要小于左一扭力轴。而第三位置扭力轴刚度变化幅度小于第四位置，前面说到质心位置偏后，第四位置扭力轴距离质心更小，应该是第四位置的变化最小，可能是因为第三位置扭力轴前面的第一第二位置扭力轴都安装有减震器，帮助第三位置承担了大量的扰动载荷，而第四位置后面只有第六位置扭力轴有减震器，所以第三位置扭力轴变化幅度最小。

图3 B型坦克扭力轴刚度值减少量的变化趋势

3 扭力轴变化的影响因素的分析

通过实验可以看出扭力轴变化是有一定根据的，是有规律可循的。我们可以做出合理的推论与猜想，以下几个因素是扭力轴变化的影响因素。

3.1 距离质心距离

从实验可以看出，在同一坦克的扭力轴刚度相同，且在没有减震器的情况下，距离质心位置越近的扭力轴，刚度变化量越小，其发生断裂的可能就越小。如A型坦克第三个位置的扭力轴也就是距离质心距离最小的扭力轴刚度变化最小，而第二位置和第四位置的扭力轴刚度变化相对较大。B型坦克距离质心距离大第一和第六位置扭力轴刚度变化幅度大，而距离质心距离小的三四位置扭力轴刚度变化幅度小。所以说距离质心距离是扭力轴刚度变化的一个重要因素。

3.2 减震器阻尼力

实验中A型坦克首尾位置扭力轴变化相对较小，就有安装减震器有阻尼力的作用。而B型坦克通过比较第二位置和第五位置的扭力轴刚度变化，也可以看出减震器可以有效减小扭力轴刚度变化。

坦克前后负重轮有较大的振动加速度，所以一般在坦克的最前端和最后端负重轮处安装减振器，从而达到衰减坦克产生的纵向角振动，当负重轮受到地面垂直方向力而上升时，负重轮受到扭力轴弹簧的阻力和减振器的阻力，减振器阻尼力增加，而负重轮受到的垂直方向力和扭力轴的刚度保持不变，则负重轮垂直方向的振动加速度就会减小，相应的对车体的冲击和扭力轴受到的扭力就会减弱，扭力轴刚度变化趋势减弱，前后扭力轴刚度变化较小就有阻尼力的原因。

4 结论

本文首先论述了扭力轴变化对坦克自身的影响，然后针对坦克不同位置的刚度变化规律不同的特点，选取多种里程的A、B两种坦克，对其悬挂关键弹簧元件扭力轴的刚度进行了测量，其中着重对各个坦克不同位置的刚度变化进行了测量，分析得出车体质心距离越小刚度变化越小，安装减震器可以有效减小扭力轴刚度变化的结论。

[1] 王彦才.车辆扭杆弹簧设计与制造[M].北京：国防工业出版社，1996:1-6.

[2] 闫清东，张连第，刘辉.坦克构造与设计[M].北京：北京理工大学出版社，2006:421-429.

[3] 黄琏.坦克结构与计算[M].长春:装甲兵技术学院，1985:417-530.

[4] 丁法乾.履带式装甲车辆悬挂系统动力学[M].北京：国防工业出版社，2004:198-222.

[5] 王良曦，王红岩.车辆动力学[M].北京:国防工业出版社，2008.1-24.

[6] 孙伟，李军，刘西侠.装甲车辆构造[M].北京:装甲兵工程学院，2006:139-152.

[7] 尤·帕·沃尔科夫，阿·弗·巴依科夫，彼·得·巴·拉·诺夫.履带车辆的设计与计算[M].北京:北京理工大学出版社，1996:490-512.

[8] 陈兵，顾亮，王文瑞.主战坦克悬挂系统发展趋势研究[J].车辆与动力技术.2003(4):50-54.

[9] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社，1989:21-34.

[10]李传才.履带式装甲车辆悬挂性能研究与仿真[D].太原:中北大学出版社，2013:10 -58.

[11]张克健.车辆地面力学[M].北京:国防工业出版社，2002:90-102.

(责任编辑 周江川)

Research on Changing Rule of Torsional Axis Stiffness Indifferent Positions of Tanks

XU Guo-ying, WANG Chuang, YAO Xin-min, WANG Tao

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Torsion bar is the most important elastic element of modern tanks. The volume of torsion bar is small and its working environment is harsh. It also needs to bear the disturbance load repeatedly. Therefore, the stiffness of torsion bar will change when the tank reaches a certain mileage. The stiffness changes of torsion bars in different positions of the same tank are not identical because of the different load they take. Through the measurements of the stiffness of torsion bars in different positions on two models of tanks, we explored the rule of the torsion bar stiffness change in different positions of tanks. The conclusion is that the torsion bars closer to the vehicle centroid suffer smaller stiffness change, and the shock absorber can help reducing the stiffness change effectively.

tank suspension; stiffness of torsion bars; experiment measuring

2015-03-20

徐国英(1965—)，男，博士，副教授，主要从事车辆工程研究。

10.11809/scbgxb2015.08.002

徐国英，王闯，姚新民，等.高速履带车辆不同位置扭力轴刚度变化规律研究[J].四川兵工学报，2015(8):5-8.

format:XU Guo-ying, WANG Chuang, YAO Xin-min, et al.Research on Changing Rule of Torsional Axis Stiffness Indifferent Positions of Tanks[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):5-8.

TJ811

A

1006-0707(2015)08-0005-04