1、碩士學(xué)位論文文獻閱讀報告論文名稱： 全地形車整車結(jié)構(gòu)靜動態(tài)分析及輕量化設(shè)計姓 名： 魏小強學(xué) 號： 2008412120專 業(yè)： 機械設(shè)計及理論所屬院系： 機械科學(xué)與工程學(xué)院指導(dǎo)老師： 成凱 教授論文起止時間：2009年9月2011年6月目 錄目 錄1研究課題的背景和意義11.1研究課題的背景11.2研究課題的意義32國內(nèi)外研究現(xiàn)狀42.1前言42.2研究現(xiàn)狀42.3主要的全地形裝甲車52.3.1瑞典改進型Bv206S全地形裝甲車52.3.2新加坡野馬Bronco82.3.3芬蘭西蘇NA-140全地形車83全地形車的性能特點及關(guān)鍵技術(shù)93.1發(fā)動機技術(shù)93.2傳動技術(shù)93.3通過性93.4車身

2、94發(fā)展趨勢分析105全地形車車架計算研究115.1靜力學(xué)計算115.1.1 車架三維模型的建立115.1.2 車架的受力分析115.1.3 車架有限元模型建立125.1.4 車架有限元分析125.2動力學(xué)計算135.2.1模態(tài)分析135.2.2發(fā)動機振動對車架動態(tài)性能的影響及諧響應(yīng)分析145.2.3車體的動態(tài)性能分析165.3車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計175.3.1車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型175.3.2車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計185.3.3優(yōu)化設(shè)計前后對比分析206參考文獻21文獻綜述1研究課題的背景和意義1.1研究課題的背景世界上制造生產(chǎn)全地形車的主要國家有瑞典、俄羅斯、芬蘭、美國、新加坡和斯洛伐克等，主要的全地形

3、車產(chǎn)品有：瑞典Bv206履帶式全地形輸送車，改進型Bv206S全地形裝甲車，俄羅斯雙節(jié)履帶運輸車-10、-20、-30，芬蘭西蘇(SISU)NA-140全地形車，新加坡的“駿馬Bronco” 全地形車，國產(chǎn)的“西貝虎”兩棲全地形車及CTW12橡膠履帶全地形車。瑞典和新加坡都只生產(chǎn)小型車，一般稱為履帶式全地形車，如瑞典赫格隆公司的BV206，整車質(zhì)量4490kg，載重2250kg，發(fā)動機功率93kW/4600rpm，最高車速50km/h，增加裝甲后為BV206S（如圖1），用于戰(zhàn)場輸送兵員。新加坡新科動力公司生產(chǎn)的“駿馬Bronco”（如圖2），與BV206類似，均屬于小型車。俄羅斯Vizyaz

4、生產(chǎn)系列全，有2t、5t、10t、20t、30t。國內(nèi)早在1990年由遼寧省朝陽重型機器廠開始仿研BV206，1992出樣機，但沒有形成批量。目前新加坡新科動力收購的貴州詹陽已經(jīng)開始在國內(nèi)生產(chǎn)“駿馬”輕型全地形車。大型的全地形車在國內(nèi)是空白。由于大型的全地形車在我們國內(nèi)尚未形成優(yōu)勢，此次仿研的產(chǎn)品QSL3OF水陸多用途運輸車即為30t車，是世界上的最大產(chǎn)品。生產(chǎn)使用后將有效彌補國內(nèi)大型全地形車的空白，在運輸?shù)闹亓可先〉猛黄?。圖 1 BV206s履帶全地形車 圖 2 駿馬履帶全地形車此次研制的全地形車即水陸多用途運輸車，可適應(yīng)在各種惡劣環(huán)境和復(fù)雜路面條件下對貨物和人員的運輸，環(huán)境溫度在-4050

5、，可在沙漠、雪地、山地、沼澤地行駛，并可以浮渡。 水陸多用途運輸車的設(shè)計參考俄羅斯樣車，載重30t，前后兩節(jié)，中間鉸接，前后車同時驅(qū)動。參看圖3。圖 3俄羅斯樣車1.2研究課題的意義本課題基于吉林大學(xué)和哈爾濱北方特種車輛制造有限公司合作開發(fā)的QSL3OF水陸多用途運輸車。在簡單理論計算與設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用PRO/Engineer軟件建立設(shè)計后的三維幾何模型，根據(jù)結(jié)構(gòu)的承載受力情況將相關(guān)的非承載結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡化去掉，使用HyperMesh軟件處理幾何模型，用實體、板、梁、桿等單元對模型進行幾何處理并劃分網(wǎng)格形成有限元模型，再將其轉(zhuǎn)化成ans或txt文件導(dǎo)入ANSYS軟件中，約束加載求解。先對車架進行

6、靜態(tài)分析：根據(jù)運輸車行走的環(huán)境要求，分析幾種典型的工作工況：彎曲工況，扭轉(zhuǎn)工況，單橋承載工況，由此判斷設(shè)計后的模型的強度，彎曲剛度，扭轉(zhuǎn)剛度等是否滿足設(shè)計要求。再對車架的動態(tài)性能進行分析：包括自由振動模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析，評價整車運輸過程中的振動頻率和固有振型，進一步分析在外部激勵作用下車架的響應(yīng)情況。從而防止事故的發(fā)生，提高整車的壽命。接著對車架主要部件進行疲勞斷裂分析：由于該車經(jīng)常在各種惡劣環(huán)境下行駛，受到運輸?shù)匦蔚挠绊戦L期使用會造成車架的疲勞斷裂，故對此車架的平衡軸和扭桿進行疲勞計算。最后對車架結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，減輕重量，節(jié)省材料，降低成本，提高車架設(shè)計的合理性和經(jīng)濟性

7、。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1前言全地形車軍用的以輕型為主，能滿足一定的技術(shù)，并能實現(xiàn)快速運輸?shù)娜蝿?wù)要求。輕型全地形車目前還沒有嚴格的概念，因此各國對這類車輛的命名不一。美軍有All-Terrain Transport全地形運輸系統(tǒng)，All-TerrainVehicle全地形車輛，rugged terrain vehicle崎嶇路面行駛車輛等；西班牙有multi-purpose All Terrain vehicle多用途全地形車；法國有l(wèi)ight air-portable vehieles輕型空投車，light airmobile vehieles輕型空運車輛；英國有all terrain rno

8、bile platform全地形機動平臺等等。雖然命名不一，但是他們具有一個共同點，就是具有較高的機動性，較強的通過性，具有良好的非道路條件下的機動性能、空投或機降甚至包括兩棲能力的機動運載平臺，主要實現(xiàn)輕裝步兵、特種部隊、應(yīng)急部隊、兩棲部隊在戰(zhàn)爭中進行快速轉(zhuǎn)移、機動突襲、通信偵察、后勤保障等作戰(zhàn)目標。該車可裝備和攜帶單兵或班組的武器裝備、彈藥、通信設(shè)備、后勤保障物資等等，并發(fā)展成制式系列裝備，組成高效的作戰(zhàn)單元，可實現(xiàn)與其它平臺聯(lián)合作戰(zhàn)。2.2研究現(xiàn)狀早在第二次世界大戰(zhàn)期間，輕型全地形車的雛形就已經(jīng)出現(xiàn)。在德軍的機械化洪流中，運載步兵作戰(zhàn)的Sd.kfz系列半履帶運輸車使輕裝步兵能夠伴隨坦克快

9、速行軍和沖擊，從而使陸地作戰(zhàn)模式發(fā)生了根本的變化。在重量不同的Sd.kfz系列半履帶家族中，最輕最小的就是Sd.kfzZ半履帶摩托，無論重量、機動性還是實際作戰(zhàn)用途，都稱得上是輕型全地形車(ATV)的始祖。1960年開始，許多西方國家也不約而同的出現(xiàn)了輕型全地形車的雛形。步兵尤其是空降兵開始裝備一種比美軍151吉普略小的越野平板車，后來稱之為“機械騾”。美軍步兵在對越南戰(zhàn)爭中一般用“機械騾”運載人力難以搬運的陶式反坦克導(dǎo)彈、迫擊炮、12.7mm機槍等重武器。隨后，世界各國輕型全地形車獲得長足的發(fā)展。其中，以英美兩國的全地形車發(fā)展速度最快。在新世紀的美軍裝備序列中，美軍擁有了從重型坦克運輸車到戰(zhàn)

10、略運輸機的一整套戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)機動裝備，但在陸軍和陸戰(zhàn)隊的裝備序列中仍為ATV這種小不點車輛留有恰當?shù)奈恢?。美軍目前大部分使用的輕型全地形車輛，如“運動家”(sportsman)和M-gator都是民用產(chǎn)品改型而來的。北極星公司生產(chǎn)的“運動家”(Sportsman)4×4、6×6系列都是美軍為滿足緊急作戰(zhàn)使用需求的民用系列全地形車。該系列車型軍選民過程中做了適合軍方使用的相應(yīng)改型。該車在阿富汗、伊拉克均有大量在服役。在前線作戰(zhàn)部隊中，“運動家”主要配發(fā)給巡邏隊與偵查分隊使用；而在后方，它更多作為單人的代步車輛使用。特種部隊以及擔任阿富汗政府軍事顧問的文職人員，多配發(fā)了“運動家”輕

11、型全地形車?！斑\動家”是在重型摩托的基礎(chǔ)上修改設(shè)計而來的，可以說，這是一種“四輪摩托”，而不是一種“小型汽車”?！斑\動家”標準型采用一臺水冷四沖程單缸汽油機，排量為498ml，最大公路速度可達88km/h，越野平均速度40km/h。底盤采用鏈傳動這也是摩托車的一大傳統(tǒng)?！斑\動家”奇特的地方在于，它雖然采用鏈條傳動，卻是4×4驅(qū)動。前后輪采用不同的懸掛方式。前輪的懸掛方式是四連桿獨立懸掛，后輪采用非獨立螺旋彈簧懸掛。懸掛系統(tǒng)的行程很大，前輪為17cm，后輪可達24cm。在保證全車總量不超標的前提下，大大提高越野性能。M-gator6×6是JohnDeere公司為美軍生產(chǎn)的全地

12、形車輛。該車最初是在高爾夫球場使用的保障車，后來因其卓越的崎嶇路面行駛性能和可靠性，越來越被軍方所青睞。該車選用13.42kw發(fā)動機，承載量比一般全地形車大，無頂棚結(jié)構(gòu)，但具有高機動性能，可在各種越野路面上行駛，而且該車的高度只有914.4mm，具有更好的機動靈活性。該車有2個座椅，其最大裝載質(zhì)量為635kg，最高車速為27.4km/h。該車使用了CVT(金屬帶式無級變速器)，消除了換檔沖擊。除此以外，該車還裝備有無鑰匙點火器、防盜安全鋼纜、折疊可掛式側(cè)貨物箱、后貨箱尾門和動力起重機，以及時間表、M16步槍槍架、前防護欄、前保險杠和牽引銷鉤等裝置。該車獲得了陸軍安全許可證和陸軍彈藥運輸安全許可

13、證，可進行彈藥、油料等軍需物品的運輸，還可以進行傷員的運送。M-Gator具有空投性能，需要時可使用直升機進行空投，而且也可使用直升機進行空吊運輸，如使用UH-60直升機吊運。該車作為防化部隊的化學(xué)和生物偵察車使用時，可在車上安裝全套的偵測裝備。安裝偵測裝備后該車仍可方便地使用直升機進行吊運。根據(jù)陸軍部隊的需要，制造商為軍方生產(chǎn)了2款M-Gator軍用偵察車，這2款車型是陸軍部隊輕型車輛中非常獨特和有特點的車型。該車目前在伊拉克、阿富汗境內(nèi)的美軍陸軍航空部隊、海軍陸戰(zhàn)隊和特種部隊中有大量裝備。與美軍相比，英軍的輕型全地形車種類相對較為單一，但是同一車型所承擔的戰(zhàn)術(shù)使命卻相當廣泛。眾所周知的“超

14、級貓”Supaeat(6×6)輕型全地形車輛是英國軍車的一大亮點。該車可以通過各種崎嶇路面，具有良好的通過性能。該車既應(yīng)用于軍方又有民用產(chǎn)品。自從1984年以來已經(jīng)在英國陸軍和RAF服役多年，主要用于空降兵、航空旅等其中無論Markl或者是MarkZ型都有廣泛的用途:可以牽引各類輕型火炮；作為運輸車，完成兵員、物資的輸送；作為平臺與其它武器裝備共同組成武器系統(tǒng)，并常用于防空領(lǐng)域、反坦克領(lǐng)域；作為平臺搭載搶修、救援裝備完成營救任務(wù)。該車采用無懸架結(jié)構(gòu)，整車減震由車身與底盤的彈性元件和輪胎共同完成，輪胎為寬斷面、低氣壓越野輪胎。應(yīng)用自動變速器技術(shù)，帶差速鎖。車輪的傳動方式采用鏈傳動技術(shù)。

15、該車的助力轉(zhuǎn)向是通過操縱把完成的，操縱把可操縱前四輪轉(zhuǎn)向，需要的時候可以通過制動完成原地轉(zhuǎn)向，該車同時配備有傳統(tǒng)的腳制動功能。2.3主要的全地形裝甲車2.3.1瑞典改進型Bv206S全地形裝甲車瑞典阿爾維斯·赫格隆公司生產(chǎn)的Bv206S全地形裝甲車，主要用于運送作戰(zhàn)人員和物資，采用雙車體鉸接結(jié)構(gòu)。Bv206系列車輛已經(jīng)生產(chǎn)約11000輛，在全世界超過40個國家中使用，可見性能極佳。瑞典境內(nèi)多河流湖泊，特別是北面地區(qū)氣候寒冷，湖泊常年積雪結(jié)冰。雪地作戰(zhàn)通常具有獨特的特點，決不能按通常的辦法使用裝備，在深雪覆蓋的地面上車輛尤其難以行駛。Bv206系列車輛的設(shè)計，特別注意到在深雪地面遂行戰(zhàn)

16、斗任務(wù)的需要。由于在瑞典森林地帶非常普遍，外形尺寸及其鉸接式結(jié)構(gòu)的設(shè)計都是為了使該車在森林地帶具有高度機動性。Bv206S是Bv206的裝甲型，能攜帶12名全副武裝的士兵通過惡劣地形，從冰雪覆蓋的北極圈到沙漠、沼澤和泥濘叢林，不需準備即可水陸兩用。BV206S適應(yīng)力強，可在極端天氣環(huán)境中使用，溫度適應(yīng)范圍從-32到46。由于考慮到外界條件比較惡劣，修理和保養(yǎng)較為復(fù)雜，所以該車結(jié)構(gòu)相對簡單，便于使用、維修和保養(yǎng)，并較多地采用民用車輛標準件。Bv206系列全地形車由阿爾維斯·赫格隆公司和瑞典陸軍軍需司令部共同發(fā)展，最初只供瑞典陸軍使用。Bv206全地形車是Bv202的后繼車型，1974年

17、瑞典陸軍選擇阿爾維斯赫格隆公司研制樣車。從1976年到1981年，經(jīng)過從52輛不同樣車篩選后，1981年4月首批Bv206正式交付陸軍。2004年3月，瑞典陸軍定購一批巧輛Bv206S全地形車，其中7輛人員輸送車、5輛運輸車和3輛救護車，用于裝備快速反應(yīng)部隊，并加人2003年1月1日組建的歐洲聯(lián)合部隊，執(zhí)行維和等國際性任務(wù)。瑞典陸軍總定購數(shù)量達到50輛?，F(xiàn)在Bv206S系列已經(jīng)成為國際化產(chǎn)品，主要在法國、德國、美國、英國、西班牙、意大利、加拿大、芬蘭、挪威軍隊中服役。一些國家的軍隊正在對Bv206S進行評估，估計將來能被更多的國家采購。法國陸軍在1999年底訂購12輛Bv206S全地形車，其中

18、大部分用于科索沃維和行動，車輛頂部有一個轉(zhuǎn)塔，安裝1挺MZ型12.7毫米機槍。德國陸軍在2004年以前有31輛Bv206S進人服役，全部需求量為200輛，用于其快速反應(yīng)部隊。意大利陸軍于2003年10月訂購了112輛Bv206S全地形車，在2004年和2007年之間交付。英國已經(jīng)訂購了108輛新型BvS10“海盜”全地形車，主要包括裝甲運輸車、指揮車和戰(zhàn)場修理車3種車型。Bv206全地形車由一個轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)連接的兩個車體組成，每個車體的結(jié)構(gòu)十分簡單。前后兩個車體用優(yōu)質(zhì)防火玻璃纖維增強塑料制成，以便于保養(yǎng)，并具有重量輕和較高結(jié)構(gòu)強度等優(yōu)點。這兩部分是單獨密閉的，各自用熱交換器加溫。車體不但堅固耐用，

19、比鋼車體輕，而且還起防翻車作用。Bv206S車體則采用全焊接鋼制裝甲層，可抵抗7.62毫米機槍和榴彈炮碎片的攻擊。駕駛員的擋風(fēng)玻璃備有防冰雪裝置，足以使擋風(fēng)玻璃在-40時不結(jié)冰。前一面的車體提供給駕駛員和3名戰(zhàn)斗人員，后面車體攜帶8名全副武裝人員。前、后車體均配備有窗口。車內(nèi)裝有空調(diào)和核、生、化三防裝置及自動滅抑爆系統(tǒng)。Bv206S全地形車可在車體頂部的環(huán)狀基座上裝1挺7.62毫米或12.7毫米機槍。發(fā)動機和傳動系統(tǒng)布置在前車體，可在車內(nèi)進行保養(yǎng)。發(fā)動機為施泰爾公司M16型6缸3.2升直列渦式增壓柴油機，在轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分時功率為130千瓦，在轉(zhuǎn)速2300轉(zhuǎn)/分扭矩為350牛·米。

20、單位功率為14.27千瓦/噸。傳動裝置為梅塞德斯·奔馳汽車公司W(wǎng)5A-580自動傳動裝置，有5個前進檔和1個倒檔。變速箱和分動箱之間用傳動軸相連。制動器為盤式制動器，安裝在分動箱前部的傳動軸上。發(fā)動機的動力由萬向軸傳到每個車體前部的側(cè)傳動。車輛前、后車體以鉸接連接而且安裝兩套液壓缸控制操縱。轉(zhuǎn)向是借助兩個液壓缸改變前后車體之間的方向?qū)崿F(xiàn)的，液壓缸通過1個普通的方向盤進行伺服控制，轉(zhuǎn)向半徑7米。該液壓系統(tǒng)的設(shè)計允許在兩節(jié)車體之間有很大自由度。為節(jié)省成本，液壓系統(tǒng)直接使用商業(yè)的通用元件組成。每個車體有兩個推進裝置，每個推進裝置有履帶、主動輪、誘導(dǎo)輪和負重輪，推進裝置用兩個橫向葉片彈簧安裝

21、在中央梁上。每個推進裝置有4對負重輪，負重輪按兩排配置，可減少履帶脫落現(xiàn)象，同時也降低了單位壓力。所有4個推進裝置是相同的，可以互換。最大公路速度55千米/小時，能爬上31度的硬地縱向坡道和17度的雪地縱向坡道，能在45度坡上側(cè)傾行駛。Bv206S在普通路面道路上最大速度52千米/小時，最大行程達到300千米，轉(zhuǎn)向半徑16米。Bv206S具有完全兩棲能力，在水上由履帶和螺旋槳推進，最大水上速度4.7千米/小時。車輛因有4條履帶而在泥、砂和雪等地有良好的機動能力，因為負載均衡在4條履帶上，單位壓力很小。履帶為0.6米寬的掛橡膠履帶，在高等級公路上行駛，不會損壞路面。Bv206系列最新改進型是Bv

22、S10“海盜”全地形車。車重約10.5噸，有效載重3.16噸，采用了新的“康明斯”5.9升柴油發(fā)動機和“阿里遜”全自動變速裝置，其最大速度可達65千米/小時，在水上行駛可達5千米/小時。如上所述，由于Bv206全地形車結(jié)構(gòu)特殊，所以其變型車的研制極為容易，只要更換車體即可，而對發(fā)動機和傳動裝置不必作任何改動。裝甲人員輸送車的乘載員可達17人，前車體內(nèi)6人，后車體內(nèi)11人。反坦克戰(zhàn)車安裝90毫米無坐力炮或1個“陶”式反坦克導(dǎo)彈系統(tǒng)，武器支架可用液壓升降。敞開式前車體裝有轉(zhuǎn)動軸，根據(jù)射擊需要可以很快翻下?lián)醢濉：筌圀w設(shè)計得外形低矮，經(jīng)得起武器射擊時后噴射氣流的沖擊，它可攜帶大量彈藥，待發(fā)彈藥則存放在

23、前車體內(nèi)。通信指揮車只是車內(nèi)布置及后門配置有所改變，通常在前、后車體內(nèi)分別裝有1-3部甚高頻無線電收發(fā)信機，后車體內(nèi)的收發(fā)信機都可在前車體內(nèi)遙控。搶救車的前車體前面裝有1個絞盤，用以搶救輕型車輛。后車體內(nèi)配備有進行野戰(zhàn)修理的工具。物資輸送車的兩個車體都是敞開式，總共可運載2.5噸重的物資器材。Bv206S全地形車具有高靈活性和可靠的防護能力，因此適用范圍非常廣泛，其變型車有裝甲人員運送車、運輸車、戰(zhàn)場救護車、防空導(dǎo)彈發(fā)射車、反坦克導(dǎo)彈發(fā)射車、迫擊炮車、雷達車、戰(zhàn)地指揮車和搶救車。可稱為世界上使用最廣泛的履帶式全地形裝甲車。Bv206S全地形車可由空中運輸來部署。機動運輸主要由波音公司CH-47

24、“支奴干”運輸直升機和西科斯基公司“超級種馬”CH-53運輸直升機運送，能吊載l輛。遠程機動通過運輸機運送，C-SA“銀河”運輸機可搭載10輛，C-I7A“環(huán)球霸王”運輸機可搭載6輛，C-130“大力神”可搭載2輛，C-160“運輸聯(lián)盟”運輸機可搭載1輛，A400M運輸機可搭載2輛。Bv系列全地形車作為鉸接型履帶式全地形車市場的主角，赫格隆公司（現(xiàn)屬于BAE系統(tǒng)公司）現(xiàn)已為40多家用戶生產(chǎn)了11000多輛無裝甲的Bv206。20世紀80年代末，赫格隆研制了裝甲型Bv206S（戰(zhàn)斗全重為7t），90年代中期推出了體積較大的BvS10（戰(zhàn)斗全重為11.5t）。Bv206S基本上屬于披掛裝甲的Bv2

25、06，由兩輛連接在一起的鉸接型履帶式車輛組成，它保留了非裝甲車的兩棲性能。用作裝甲人員輸送車時，Bv206S的前車可搭載4人，后車可容納8人。全焊接鋼裝甲可防御7.62mm實心彈和彈殼破片。德國陸軍需要約200輛Bv206S，2002年定購了首批31輛救護車，2004年12月又采購了75輛，價值5800萬歐元，用于裝備山地步兵旅。法國（12輛）、意大利（60輛）、西班牙（50輛）和瑞典（17輛）等國的武裝部隊也小批量采購了Bv206S。2000年英國皇家海軍定購了約108輛BvS10。BvS10的布局與Bv206S類似，由兩個鉸接的部分組成，但是載重能力有所提高。前部可容納4人，后部可容納10

26、人。皇家海軍采購的車輛由3種車型組成：基本的人員輸送車、指揮車和維修車，預(yù)計在2005年底完成交付工作。2.3.2新加坡野馬Bronco20世紀90年代末，新加坡動能技術(shù)公司研制了兩棲的全地形履帶輸送車（ATTC，名稱為“野馬”（Bronco），主要面向出口市場。與瑞典競爭對手類似，ATTC由通過鉸接式液壓連接機構(gòu)連接在一起的兩輛履帶式車輛組成。前部可容納6人，后部可搭載10人。2.3.3芬蘭西蘇NA-140全地形車該車是一種是由西蘇汽車公司生產(chǎn)的軍用輸送車，第一輛樣車于1985年試驗，1986年秋預(yù)生產(chǎn)，1987年全面投產(chǎn)。該車是雙車廂鉸接式結(jié)構(gòu)，由4條寬而有彈性的橡膠履帶驅(qū)動。兩節(jié)車廂之間

27、有柔性連接裝置。其中還有轉(zhuǎn)向部件和將動力傳遞到后車廂的傳動裝置，轉(zhuǎn)向裝置用液壓驅(qū)動。功率由1臺帶電子噴油器的8缸汽油機供給。前車廂內(nèi)有發(fā)動機并可容納1名駕駛員和5名士兵或700kg貨物。在駕駛艙的前上方開設(shè)頂艙口。后車廂是全封閉式結(jié)構(gòu)，車尾有1扇出入門，側(cè)壁上備有小觀察鏡，其中可容納11名士兵或1300kg貨物。車廂上有1個用于牽引輕型武器的牽引鉤。前后車廂的頂部都備有貨架。整車可搭載17名士兵或2000kg貨物。在承載狀態(tài)下可水陸兩用。兩節(jié)車廂都有各自的車架，以支承懸掛裝置，履帶和行動裝置。兩側(cè)履帶和負重輪組都可以互換。車架用輕合金制造，而車身用輕型增強塑性板制造，能防輕兵器和碎彈片。任選設(shè)

28、備包括1個絞盤、30m長的鋼絲繩和哈龍(Halon)滅火系統(tǒng)。表 1芬蘭西蘇NA-140全地形車性能性能數(shù)據(jù)性能數(shù)據(jù)駕駛艙座位前節(jié)車廂1+5個(后節(jié)車廂能載員11個)履帶寬620mm車凈重4500kg公路最大速度65km/h載荷總重6500kg水上最大速度6km/h最大載荷2000kg燃料儲備200L牽引負荷2500kg側(cè)傾坡度35°總長7.530m車寬1.910m前節(jié)車廂長3.235m車高2.300m后節(jié)車廂長3.450m車底距地高0.400m轉(zhuǎn)向裝置類型鉸接式液壓浮渡能力載荷時有兩棲能力轉(zhuǎn)向半徑6m發(fā)動機類型、帶電子噴油器的3.5L8V汽油機懸掛裝置類型橡膠彈簧發(fā)動機功率/轉(zhuǎn)速1

29、35kW(184馬力)/4750r/min制動器類型片式傳動裝置類型帶閉鎖變矩器的自動傳動裝置電氣系統(tǒng)電壓12V或24V前進檔/倒檔數(shù)4/13全地形車的性能特點及關(guān)鍵技術(shù)輕型全地形車的主要使用對象是輕型機械化步兵、空降兵及特種部隊等特殊的兵種，主要使用于山地、叢林等地形比較復(fù)雜的地域，要求具有很強的越野能力。分析國內(nèi)外輕型全地形車的結(jié)構(gòu)、性能，其特點和關(guān)鍵技術(shù)主要表現(xiàn)在發(fā)動機技術(shù)、傳動技術(shù)、通過性、車身等方面。3.1發(fā)動機技術(shù)輕型全地形車普遍采用單缸、雙缸汽油機或柴油機。經(jīng)過阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場的實際應(yīng)用，反映出輕型全地形車的發(fā)動機功率和牽引質(zhì)量小等不足，這就對全地形車發(fā)動機排量及設(shè)計技術(shù)提出了

30、更高的要求。3.2傳動技術(shù)由于輕型全地形車大多采用摩托車的技術(shù)，因此在傳動技術(shù)上與傳統(tǒng)的汽車存在一定的差別。它大多采用鏈條傳動，通過鏈條與傳動齒輪的巧妙組合成4×4驅(qū)動，提高越野性能。3.3通過性輕型全地形車對越野性能要求很高，因此，對通過性的設(shè)計就尤為重要。前后輪普遍采用獨立懸掛，提高懸掛的動行程，在保證全車總量不超標的前提下，大大提高越野性能。3.4車身輕型全地形車的尺寸相對較小，要求車身重量輕，在戰(zhàn)場環(huán)境下對車體的抗翻滾性能要求較高。特殊的使用環(huán)境，對車身的設(shè)計提出很高的要求。4發(fā)展趨勢分析通過對國外軍用輕型全地形車的分析可以為我國發(fā)展輕型全地形車提供參考和依據(jù)，其發(fā)展趨勢總結(jié)

31、如下:a、先進技術(shù)在輕型全地形車中的大量應(yīng)用已成為主導(dǎo)趨勢。國外目前在輕型全地域機動系統(tǒng)上普遍應(yīng)用了高性能發(fā)動機技術(shù)、電子控制技術(shù)等。b、輕型全地域機動系統(tǒng)裝備的系列化、模塊化發(fā)展模式已經(jīng)初步形成并逐步深人。c、高機動性及通過性技術(shù)不斷提高。d、一種平臺多種用途是各國研發(fā)輕型全地域機動平臺的一個基本原則。e、承載量較輕的全地形車多選用汽油發(fā)動機，承載量較重的全地形車多選用柴油發(fā)動機，體現(xiàn)了輕型車柴油化的基本趨勢。f、動力傳動型式采用軸傳動與鏈傳動相結(jié)合的形式，并有向鏈傳動發(fā)展的趨勢。g、輪胎多選用寬斷面、低氣壓的越野輪胎。h、可部署性強。輕型全地型車可方便的應(yīng)用直升機或運輸機進行空運、空投。5

32、全地形車車架計算研究5.1靜力學(xué)計算5.1.1 車架三維模型的建立某8×8全地形車，其整備質(zhì)量為1620kg，陸地載荷為1100kg，水中載荷為700kg，陸地滿載質(zhì)量包括駕駛員、副駕駛、6名乘客及貨物(或裝備)，其外形見圖4.車架全長2940mm，寬1000mm，前后等寬且縱橫梁皆為矩形空心型鋼，縱梁與橫梁通過焊接實現(xiàn)連接，全車通過5根主橫梁與兩根縱梁的焊接實現(xiàn)整個車車架的連接.該車的最高車速為60km/h。為了得到較為精確的分析結(jié)果對模型進行了適當?shù)暮喕⒑雎粤艘恍┐我牟考?，在此基礎(chǔ)上利用PRO/E軟件建立了該車車架的三維模型，模型如圖5所示。5.1.2 車架的受力分析按照整車

33、設(shè)計提供的載荷大小及位置，分別將其施加在圖4的相應(yīng)部位，載荷大小及位置如表2所示，其中變速箱、CVT及發(fā)動機的質(zhì)心位置由整車設(shè)計提供。坐標使用整車確定的坐標系統(tǒng)，即車輛行駛方向為x軸正方向，原點位于二橋中心，原點指向駕駛員方向為y軸正方向，按照右手法則確定垂直向上為z軸正方向。圖 4 全地行車局部外形圖 5 車架三維模型表 2 車架載荷表5.1.3 車架有限元模型建立由于實際情況中車架的縱梁和橫梁等結(jié)構(gòu)除了承受各部件的外力外，還存在扭轉(zhuǎn)、剪切等狀況，但是該車架使用的是矩形型鋼焊接而成，因此在對車架的網(wǎng)格劃分中首先對幾何體抽取了中間面，簡稱中面，并使用大小為3mm的板殼單元網(wǎng)格進行有限元網(wǎng)格劃分

34、.根據(jù)有關(guān)有限元網(wǎng)格劃分原則最終得到四邊形網(wǎng)格340568個、退化后的三角形網(wǎng)格2062個。劃分網(wǎng)格后的車架的整體模型及局部網(wǎng)格質(zhì)量，車架的整個結(jié)構(gòu)形式采用的是焊接形式，對于焊接在有限元中采用可以傳遞6自由度的焊接單元模擬，從而實現(xiàn)焊接的模擬。在整個模型中共生成17489個焊接單元，在分析過程中不考慮焊縫的應(yīng)力集中，并認為焊縫強度與母體相同。因此，該車架的有限元模型共計生成360119個有限元單元。5.1.4 車架有限元分析1)車架材料基本參數(shù)該車架選用超低碳貝氏體鋼DB685，DB685的彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7.85t/m3。2)有限元分析工況選擇根據(jù)該車的使用特點

35、，確定如下3種計算工況及模態(tài)作為分析工況。工況一：彎曲工況當車輛在行使過程中僅二、三橋的4個車輪著地時，此時約束二、三橋吊耳的x，y，z方向的所有剛體平動位移，計算相應(yīng)的剛強度。工況二：扭轉(zhuǎn)工況約束四橋吊耳及一橋右一吊耳的x，y，z方向的剛體平動位移，讓一橋左一處于自由狀態(tài)，這樣整個車架處于整體受扭的狀態(tài)，模擬計算此時的車架剛強度。工況三：單橋承載工況當車輛在行使過程中以一定車速翻越特定高度障礙物時，此時二橋或三橋會在某一瞬間承擔整車的所有載荷，為了研究這一工況整個車架的受力狀況，僅對二橋瞬間承擔整車的所有載荷時做分析。那么約束二橋吊耳的x，y，z方向的剛體平動位移，讓其余各橋處于自由狀態(tài)，模

36、擬此時的車架剛強度，作為工況三圖 6工況一的綜合應(yīng)力云圖3)有限元分析結(jié)果各工況下應(yīng)力、變形取一定數(shù)量的關(guān)鍵位置分析，具體位置見圖5，這里只列舉了工況一時的綜合應(yīng)力云圖(圖6)和一階自由模態(tài)振型圖(圖7)，其靜態(tài)和動態(tài)詳細分析結(jié)果如表2和表3所示。 由計算結(jié)果可知，車架受靜載時的應(yīng)力峰值為240MPa，小于DB685鋼的屈服極限590MPa和強度極限670MPa，滿足設(shè)計要求。5.2動力學(xué)計算5.2.1模態(tài)分析對全地形車車架進行。車架結(jié)構(gòu)的有限元分析，就是將車架結(jié)構(gòu)離散化，離散化的車架結(jié)構(gòu)是一個多自由度的彈性系統(tǒng)，其振動微分方程為（1）式中，x為廣義坐標矩陣；M、C、K分別為質(zhì)量、阻尼和剛度矩

37、陣；x·、x¨分別為速度和加速度向量；F為簡諧載荷的幅值向量；t為時間。這是一個耦合方程組，求解微分方程即為解耦的過程。模態(tài)分析即是根據(jù)系統(tǒng)的特征方程組求解系統(tǒng)固有頻率和固有振型，利用振型矩陣可解式(1)，對無阻尼系統(tǒng)，系統(tǒng)的特征方程組為（2）式中，為振型矩陣。對于無阻尼系統(tǒng)，有限元分析即為求解特征方程式(2)，得到特征值。在ANSYS軟件中，利用Lanczos法提取車架的前六階彈性模態(tài)，由于是自由模態(tài)分析，故忽略前六階剛體模態(tài)，其固有頻率和振型特征如表1所示。部分振型如圖7、圖8所示。表 3 車架的前六階固有頻率和振型特征圖 7 車架的一階彎曲模型圖 8車架的一階扭轉(zhuǎn)振型

38、5.2.2發(fā)動機振動對車架動態(tài)性能的影響及諧響應(yīng)分析作為整車的主要振源，發(fā)動機的振動很大程度上影響到車架的動態(tài)性能。YTK500-UTV全地形車采用單缸四沖程水冷發(fā)動機，最低空載穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為(1300±100)r/min，最高轉(zhuǎn)速為6500r/min，發(fā)動機的著火脈沖頻率即激勵頻率為式中，z為發(fā)動機缸數(shù)；為發(fā)動機沖程數(shù)；n為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。因此，發(fā)動機運轉(zhuǎn)時的一階慣性力頻率f1變化范圍為1054·17Hz。發(fā)動機的二階慣性力頻率f2=2f1，故f2的變化范圍為20108·34Hz。由模態(tài)分析結(jié)果可知，車架的前六階固有頻率避開了發(fā)動機的一階慣性力頻率，而落在二階慣性力頻

39、率之內(nèi)，所以車架在車輛行駛的過程中會發(fā)生共振現(xiàn)象。作用在單缸發(fā)動機上的動力產(chǎn)生于曲軸的反力矩和作用于活塞沖程運動的振動力，呈周期性，與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速有關(guān)。在周期變化載荷的作用下，車架結(jié)構(gòu)將隨載荷頻率做周期振動，其運動方程為式中，f為激振力的頻率；x為位移響應(yīng)；A為位移幅值向量；為位移響應(yīng)滯后激勵載荷的相位角。車架通過前后減振器與車輪相連，故可得到約束的邊界條件，前減振器簡化為(剛度)K1=19531.25N/m的彈簧，后減振器簡化為K2=58714.3N/m的彈簧5，發(fā)動機的垂直最大激勵力為3250.5N。在ANSYS軟件中，利用FULL法將振動頻率設(shè)置為50110Hz，每0·5Hz為

40、一個子步，共120個子步。按車架與發(fā)動機剛性連接狀態(tài)計算，得到感興趣點車架前端點301118、縱梁截面變化處節(jié)點320676、車架尾端點267557、發(fā)動機支架與縱梁連接處點316577、前座椅骨架上表面中點329258、后座椅骨架上表面中點269282等的UX、UY、UZ方向位移響應(yīng)，以車架前端橫梁上的點301118為例，位移響應(yīng)如圖9所示。圖 9 車架前端橫梁上點的位移響應(yīng)由分析結(jié)果可知，車架前端橫梁上點的共振最大幅值為1.56mm，在車架上任取一點觀察其位移響應(yīng)，在頻率為70Hz和90Hz周圍節(jié)點位移幅值最大，一方面驗證了模態(tài)分析的正確性，另一方面為減振研究提供了一定的依據(jù)2車架的減振方

41、案研究與分析5.2.3車體的動態(tài)性能分析ATV在行駛過程中，激勵來自路面不平度和發(fā)動機。因此，應(yīng)當避免激勵頻率與車體頻率的耦合，這樣不僅會提高乘坐舒適性，同時也能提高車體的可靠性。ATV懸掛下的結(jié)構(gòu)為車輪，固有頻率一般在20Hz以內(nèi)。該ATV250采用單缸四沖程的發(fā)動機，怠速轉(zhuǎn)速為1500r/min，可得發(fā)動機怠速激勵頻率為25Hz。而車體的一階固有頻率為82Hz，遠遠高于懸掛下結(jié)構(gòu)的固有頻率，且避開了發(fā)動機怠速頻率，所以怠速狀態(tài)下，車子不會發(fā)生共振。5.2.3.1路面不平度對車體動態(tài)特性的影響ATV以一車速v行駛在不平度波長為的路面時，時間頻率為f=v/(3.6×)。若ATV的車體

42、的固有頻率與時間頻率一致時，將引起共振。路面不平度的激勵與行駛的車速有關(guān)，各種路面的不平度波長14如表4所示。表 4各種路面的波長（m）以該車的最高車速75km/h為準，取路面不平度波長為最小值0.32m，求得路面可能產(chǎn)生的最激勵頻率為f=v/(3.6×)=65.1Hz.低于車體的一階固有頻率，所以路面不平度的激勵不會引起車體的共振。5.2.3.2發(fā)動機激勵對車體動態(tài)特性的影響由于該ATV的發(fā)動機是由螺栓直接剛性連接到車體上的，發(fā)動機工作時，由曲軸、連桿和活塞等不平衡質(zhì)量產(chǎn)生周期變化的慣性載荷，會將振動直接傳遞到車體上。發(fā)動機的慣性力一般分為往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力。發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)慣性力

43、只要在曲柄的另一側(cè)裝上平衡塊，使其產(chǎn)生的離心力與該慣性力相等，就可以使旋轉(zhuǎn)慣性力得到平衡15。所以主要考慮發(fā)動機的往復(fù)慣性力對車體振動的影響，由于往復(fù)慣性力隨著階數(shù)的增加而迅速地減少，且該發(fā)動機未裝平衡軸，所以主要考慮發(fā)動機的一階往復(fù)慣性力對車體振動的影響。對于單缸四沖程發(fā)動機，往復(fù)慣性力的基頻率為f1=n/60，其中n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。發(fā)動機的常用工作轉(zhuǎn)速為30008000r/min，所以發(fā)動機的一階往復(fù)慣性力頻率為50133Hz。發(fā)動機一階往復(fù)慣性力頻率和車體掛發(fā)動機模態(tài)頻率耦合的轉(zhuǎn)速和車速見表5。表 5車體掛發(fā)動機的共振轉(zhuǎn)速從表5可以看出，發(fā)動機的激勵頻率覆蓋了車體掛發(fā)動機的前四階模態(tài)頻率，

44、因此有可能發(fā)生共振。且車體一階彎曲模態(tài)頻率對應(yīng)的車速為47.85km/h，也在該ATV的常用車速范圍內(nèi)，因此正常行駛時，有可能發(fā)生共振。5.2.3.3改進措施與建議從以上分析可以得出，為了改善ATV的車體動態(tài)特性，采用措施為1) 提高車體的固有頻率，避開發(fā)動機的激勵頻率；2) 改善結(jié)構(gòu)的振型，降低振動的幅值。5.3車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計5.3.1車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型優(yōu)化設(shè)計是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。所謂“最優(yōu)設(shè)計”，指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計要求，而且所需的支出（如質(zhì)量、面積、體積、應(yīng)力、費用等）最小。ANSYS程序提供了兩種優(yōu)化的方法，這兩種方法可以處理絕大多數(shù)優(yōu)化問題。零階方法是一個很

45、完善的處理方法，可以很有效地處理大多數(shù)工程問題。一階方法基于目標函數(shù)對設(shè)計變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優(yōu)化分析。設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標函數(shù)總稱為優(yōu)化分析內(nèi)容。在ANSYS優(yōu)化中，這些變量是由用戶定義的參數(shù)來指定的，具體的數(shù)學(xué)模型表達式如下：設(shè)計變量(DVs)為自變量，優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過改變設(shè)計變量的數(shù)值來實現(xiàn)的。為了改進車架的質(zhì)量分布，可以通過改變車架各部位的尺寸來實現(xiàn)，在此選擇車架焊管、薄壁梁的壁厚作為設(shè)計變量狀態(tài)變量(SVs)是約束設(shè)計的數(shù)值。它們是“因變量”，是設(shè)計變量的函數(shù)。文中以減少車架后端的應(yīng)力集中為目的，使車架后端的最大應(yīng)力盡可能減小，因此選擇車架后端的最大應(yīng)力為狀

46、態(tài)變量。目標函數(shù)是要盡量減小的數(shù)值。它必須是設(shè)計變量的函數(shù)，也就是說，改變設(shè)計變量的數(shù)值將改變目標函數(shù)的數(shù)值。文中優(yōu)化設(shè)計的主要目的是使車架結(jié)構(gòu)輕量化，而且又能滿足安全性的要求，故選擇車架的總體積為目標函數(shù)。5.3.2車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在ANSYS軟件中，設(shè)置優(yōu)化參數(shù)后，進行優(yōu)化設(shè)計，得到相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計變量的優(yōu)化結(jié)果如表6所示。表 6 設(shè)計變量的參數(shù)選擇及優(yōu)化結(jié)果（mm）以車架后端貨箱支撐縱梁為例，其厚度在優(yōu)化過程中的變化情況如圖10所示。圖 10貨箱支撐縱梁厚度的變化曲線從圖10可知貨箱支撐縱梁的厚度在34mm之間變化，優(yōu)化過程中，軟件不斷調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，隨著迭代的不斷進行，厚度的變化范圍

47、越來越小，最終趨于平穩(wěn)狀態(tài)，在迭代次數(shù)為23時，達到最優(yōu)結(jié)果為3.9979mm。狀態(tài)變量為車架的最大應(yīng)力，在后減振器的安裝點位置，初始最大應(yīng)力為107.654MPa，優(yōu)化過程中，取最大的應(yīng)力上限值為95MPa，優(yōu)化后的最大應(yīng)力為94.786MPa。目標函數(shù)為車架的總體積，初始體積為0.185968×108mm3，優(yōu)化后的體積為0.1321×108mm3，目標函數(shù)的變化情況如圖11所示。從優(yōu)化的過程看，車架的最大應(yīng)力減少了11.95%，車架的質(zhì)量減少了28.97%，優(yōu)化的效果非常明顯，但是這只是理論上的結(jié)果，是優(yōu)化的最理想狀態(tài)，在實際生產(chǎn)過程中，受到車架材料規(guī)格的限制，車架生

48、產(chǎn)工藝的要求，理論和實際還存在一定的誤差，從優(yōu)化的結(jié)果看，已經(jīng)達到預(yù)期的目的，為車架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計提供借鑒。圖 11 目標函數(shù)的變化曲線5.3.3優(yōu)化設(shè)計前后對比分析按照優(yōu)化結(jié)果的車架尺寸參數(shù)，重新進行車架結(jié)構(gòu)的有限元建模，選擇和之前相同的工況，改進后的參數(shù)設(shè)定不同的實常數(shù)，進行模擬分析，對比改進前后的分析結(jié)果，如表7所示表 7改進前后各種工況下的最大應(yīng)力對比從表7的比較結(jié)果可以看出，車架結(jié)構(gòu)改進后，車架在各種工況下的最大應(yīng)力有明顯的降低，強度大大提高，特別是在極限扭轉(zhuǎn)工況下，最大應(yīng)力變化量最大，從應(yīng)力變化云圖上看，應(yīng)力分布相對改進前更均勻一些，應(yīng)力較大的部位在焊管接頭的焊縫位置，在實際的生

49、產(chǎn)過程中應(yīng)不斷改進焊接工藝，提高焊接質(zhì)量。通過對車架改進后的整車進行可靠性行駛試驗，可以發(fā)現(xiàn)車架并沒有發(fā)生變形、裂紋等失效模式，車架的強度有了較大的改善，達到了安全性和輕量化的統(tǒng)一。結(jié)果分析：根據(jù)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析確定優(yōu)化變量，對車架進行優(yōu)化設(shè)計，使車架的質(zhì)量大大減輕，同時又能使車架的可靠性得到提高，對后續(xù)車型的開發(fā)具有一定的工程意義和參考價值。6參考文獻1 金曉輝，高樹新，何建清等軍用輕型全地形車的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析專用汽車2005，042 張穎，瑞典Bv206履帶式全地形輸送車，現(xiàn)代兵器，2002，033 周麗萍瑞典改進型Bv206S全地形裝甲車，國外坦克，2004，12 4 高強，曹愛文編著

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