考虑轮径影响的履带式车辆振动分析学术报告

作者及发表信息
本研究由军械工程学院火炮工程系的孙中兴、唐力伟、汪伟、歹英杰合作完成，发表于《振动、测试与诊断》（Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis）2016年第36卷第6期，是国家自然科学基金资助项目（51575523）的成果之一。

学术背景
履带式车辆与路面的相互作用是车辆动力学研究的重要领域。传统研究通常将路面不平度直接等效为车辆的位移激励，忽略了车轮与路面几何关系（如轮径）对激励的滤波效应，导致分析误差。本研究聚焦履带式车辆负重轮轮径对垂向振动的影响，旨在提出一种考虑轮径和履带滤波效应的等效位移激励计算方法，建立更精确的车辆振动模型，并通过仿真与试验验证其有效性。研究背景基于以下关键问题：
1. 几何关系的影响：车轮进入角（entry angle）和离去角（exit angle）导致路面激励相位差，传统方法无法反映真实激励波形。
2. 履带滤波效应：履带会滤除高频路面不平度，同时引入周期性连接处激励。
3. 工程需求：功能性履带车辆（如自行火炮）对振动特性敏感，需高精度建模以优化悬挂系统设计。

研究流程与方法
1. 等效位移激励建模
- 轮径影响分析：通过几何关系推导车轮与路面接触点的位移激励公式（式1），考虑进入角θ₁和离去角θ₂对激励的“削峰填谷”效应。例如，波谷处激励可能因轮径过大而被完全滤除（图5c）。
- 履带滤波处理：提出履带对路面不平度的双重作用：（a）滤除高于履带节空间频率的成分；（b）引入连接处周期性激励，但其频率远低于车体固有频率，可忽略（文献[8]）。

1. 车辆动力学模型构建

   • 1/2车辆模型：忽略侧摆影响，建立含6个负重轮、1个车体的多自由度模型（图3），参数包括质量（m₁~m₇）、转动惯量（I）、悬架刚度（k₇~k₁₂）和阻尼（c₇~c₁₂）。
     
   • 状态方程：通过Lagrange方程导出动力学方程（式3），并转换为状态空间形式（式4），利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型（图4）。
     

2. 振动特性仿真分析

   • 正弦路面（图5）：轮径导致激励波形在波峰平缓、波谷突变（a=1.5时），引发悬架冲击和振荡；高频时（a=2）波谷激励幅值显著降低。
     
   • 矩形脉冲与冲击路面（图6-7）：轮径使矩形脉冲激励平滑化，冲击信号变为“拱形门”信号，冲击次数由1次增至2次。
     
   • 实际路面（图8-9）：基于谐波叠加法（式6-7）构建H级路面模型，轮径滤除高频成分，功率谱密度在1/m以上频段明显下降（图9）。
     

3. 试验验证

   • 正弦路面试验（图10-12）：以2.5 km/h速度行驶，测量负重轮与车体相对位移。试验结果与仿真波形吻合，验证了位移激励算法的正确性（图12）。
     

主要结果与结论
1. 理论创新：提出考虑轮径和履带滤波的等效位移激励算法，弥补了传统方法忽略几何关系的缺陷。
2. 仿真发现：
- 轮径使高频激励幅值衰减，低频段与路面谱一致（图9）。
- 波谷处的“突变”效应（图5c）和冲击振荡（图7）是轮径影响的典型特征。
3. 工程价值：为履带车辆悬挂系统设计提供高精度振动分析工具，尤其适用于火炮等对振动敏感的装备。

研究亮点
1. 方法新颖性：首次将轮径几何效应与履带滤波结合，建立位移激励模型。
2. 多场景验证：覆盖正弦、脉冲、冲击及实际路面，结论普适性强。
3. 试验支撑：通过实车测试验证理论模型，增强结果可信度。

其他价值
- 提出的谐波叠加法（式6-7）可为其他车辆路面建模提供参考。
- 状态方程变换（式4）提升了多自由度系统计算效率，适用于实时仿真。

（注：全文术语首次出现时标注英文，如“进入角（entry angle）”；期刊名《振动、测试与诊断》保留原名称；作者单位“军械工程学院”未翻译。）