南京航空航天大学赵又群教授团队：复合式柔性负重轮履带车辆平顺性数值预测|CJME论文推荐|减振|刚性|南京航空航天大学|履带|平顺性|负重轮|赵又群|轮胎

引用论文

Deng, Y., Wang, Z., Zhao, Y. et al. Numerical Prediction of Ride Comfort of Tracked Vehicle Equipped with Novel Flexible Road Wheels. Chin. J. Mech. Eng. 37, 85 (2024). https://doi.org/10.1186/s10033-024-01070-0

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研究背景及目的

提高车辆行驶速度和乘坐舒适性一直是履带车辆发展的重要方向。履带车辆的性能与发动机和传动系统有关，但能否提高车辆的平均越野速度和通过性最终取决于驾驶系统的性能。当驱动系统的缓冲性能或负重轮与履带之间的附着力较差时，即使发动机功率更大，千瓦每吨更高，仍无法提高车辆在越野路上的平均行驶速度。负重轮是驱动系统的重要组成部分，但大多数负重轮采用刚性坚固结构，其结构特点决定了其附着性能和减振效果较差，不能满足履带车辆高速、稳定、长期运行的要求，成为制约履带车辆性能进一步提升的关键瓶颈之一。针对传统负重轮的固有缺陷，提出了一种新型的复合式柔性负重轮构型。为了将柔性负重轮应用于履带车辆，研究柔性负重轮对履带车辆平顺性的影响，为柔性负重轮替代刚性负重轮匹配履带车辆提供参考依据。

试验方法

为了预测装配柔性负重轮的履带车辆行使平顺性，本文采用虚拟仿真试验与台架试验相结合的方式。首先，通过橡胶试件单轴拉伸试验得到超弹性本构模型，建立了考虑材料非线性和接触非线性的柔性负重轮/履带板接触三维有限元模型，并通过负重轮静力学台架试验验证了模型的可靠性和准确性。在验证后的有限元模型基础上，揭示了径向载荷与负重轮径向变形的关系，拟合得到了柔性负重轮的非线性数学模型，同时分析了铰链组数量对刚度系数的影响。通过牛顿第二定律建立了七自由度履带车辆的半车模型，利用白噪声建立了考虑履带效应的随机道路模型。最后，将非线性负重轮模型、半车模型和随机路面模型相结合，研究了不同速度和路面等级下装备柔性负重轮的履带车辆行使平顺性，同时与刚性负重轮进行对比分析。

Figure 1Structure of FRW

Figure 2Uniaxial tensile test of rubber material: (a) Uniaxial tensile test, (b) Structure diagram of rubber specimen

结果

研究结果表明：与线性回归分析相比，柔性负重轮径向刚度二次多项式回归分析的缩减的Chi-Sqr较小且Adj. R-square接近1，且残差平方、均方根误差(SD)和缩减的Chi-Sqr更小，表明仿真试验数据的二次多项式拟合效果优于线性回归分析。随着铰链组数量的增加，刚度系数K1和K2随之增加。随着车速和路面等级的提高，车身垂向加速度、车身俯仰加速度、负重轮动载荷均方根有递增趋势。装配刚性负重轮的履带车辆车身垂向加速度均方根大于装配柔性负重轮的履带车辆，随着路面等级的提高，两者之间的差距增加，车速对于两者之间的差异影响不大。当车速较低时（8km/h），装配刚性负重轮的履带车辆车身俯仰加速度均方根小于装配柔性负重轮的履带车辆，随着路面等级的提高两者差距有增加的趋势。随着车速的提高，两者之间的差距就变小。在B级路面上，刚性负重轮的动载荷均方根和柔性负重轮的动载荷均方根很接近，随着路面等级的提高两者差距有增加的趋势，然而随着车速的提高，两者之间的差距变化不大。

Figure 3Road excitation applied to different road wheels

结论

（1）基于负重轮静载仿真试验建立的柔性负重轮非线性模型简单有效，能正确反映柔性负重轮的非线性特性，可用于履带车辆的平顺性仿真，且不增加过多的计算成本。

（2）非线性负重轮模型减小了车身、悬架系统和负重轮的振动，特别是对于高频振动有很大的抑制作用。因此，在履带车辆的平顺性仿真和悬架系统控制中，柔性负重轮的非线性因素是不可忽略的。

（3）相比于刚性负重轮，柔性负重轮可以有效降低车身的垂向加速度和负重轮的动载荷，并且随着路面等级的提高，缓冲效果越明显，然而车速对于两者之间的差异影响不大；然而当车速较低时，柔性负重轮反而增加了车身的俯仰加速度，随着路面等级的提高影响加剧，随着车速的提高影响减小。

前景与应用

目前，履带车辆所使用的负重轮大多采用刚性实心轮盘结构（或包裹少量橡胶），存在重量重、承载效率低、减振效果差等诸多缺点，严重制约了履带车辆包括轻量化、机动性、平顺性以及通过性等性能的进一步提升。为了克服刚性负重轮的上述缺点，改善履带车辆行驶系统综合性能，本课题提出一种新型悬链式柔性负重轮，突破了传统刚性负重轮的轮盘实心结构，采用悬链式柔性结构，不仅具有较高的承载效率、良好的缓冲减振性能，还可以有效地改善轮-履-地动态耦合特性，此外在轻量化设计方面也具有先天优势。

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作者团队介绍

赵又群（通讯作者），现任南京航空航天大学二级教授、博士生导师；研究方向为车辆安全与控制；学术兼职为国家科技专家库专家、教育部学位与研究生教育专家库专家、教育部院校评估专家等，《应用基础与工程科学学报》《农业工程学报》《重庆理工大学学报(自然科学)》编委；获国防技术发明二等奖、国防科技进步二等奖各1项；国家科学技术学术著作出版基金资助出版《非充气机械弹性安全车轮理论与方法》，《汽车系统动力学》入选“十三五”江苏省高等学校重点教材。

邓耀骥（第一作者、共同通讯作者），现任扬州大学讲师，硕士生导师；研究方向为智能安全轮胎理论与方法；以第一作者身份发表/录用SCI检索论文11篇（中科院二区以上7篇）；申请发明专利30项，授权发明专利16项；担任World Electric Vehicle Journal客座编辑，Science Robotics、IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems等40多个SCI期刊审稿专家。

团队研究方向

团队长期从事汽车结构力学与控制研究，主要开展了汽车动态仿真与控制、汽车系统动力学及其反问题、复杂工况下轮胎力学特性建模、安全与智能轮胎结构设计与优化、轮胎与整车动力学匹配与控制等方面的研究工作。

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作者：邓耀骥

责任编辑：谢雅洁

责任校对：向映姣

审核：张强

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