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履带车辆油气悬挂液压系统静、动态特性研究
开题要求：
本文以某履带车辆油气悬挂的液压系统为研究对象。对油气悬挂技术的发展状况及存在问题进行了讨论；
设计、改进了油气悬挂液压系统，配合控制系统及执行机构实现了车辆行驶过程中的车姿调节及悬挂闭锁功能等；
在计算、分析油气悬挂液压系统车姿调节过程中的影响因素、能量损失等基础上得到履带车辆在不同路况下行进间实现短停调节其液压系统的控制策略；
最后，建立仿真模型对油气悬挂液压系统动态特性进行仿真和优化设计。
研究内容：
1． 设计、改进油气悬挂液压控制系统油路，实现行进间不同路况下车体的升降、俯仰和侧倾的短停调节。
2． 建立数学模型，分析、研究系统调节过程中的影响因素。
3． 计算、分析车姿调节过程中系统各部分的能量损失及解决方法。
4． 计算、分析各动力缸在充油过程中其压力和位移的控制策略。
5． 建立系统模型，研究系统的静、动态特性。
考虑各种开口形式对阀的影响
研究方案：
分析油气悬挂液压系统控制实现车姿调节的工作状况，计算液压系统各部件及工作状态对车姿调平的影响，建立数学模型，用MATLAB编制程序进行计算、分析；
利用MATLAB/SIMULINK作为仿真平台，获得液压系统动态过程参数变化和车姿响应特性曲线。并通过分析动态特性仿真结果，得到提高系统动态性能的改进设计。
履带车辆油气悬挂液压系统静、动态特性研究
第一章 绪论
1.1 油气悬挂简介
1.2 油气悬挂的研究现状和发展状况
1.3 研究油气悬挂的意义
1.4 本文研究的主要内容和重点
第二章 油气悬挂液压系统的设计
2.1 油气悬挂系统的特性计算
2.2 短停调节液压系统工作压力的确定
2.3 液压系统原理图
2.4 主要元件设计，性能计算及系统分析
第三章 减振阀的设计计算(要考虑开口对各种阀的影响)
3.1 比例阀的设计计算
3.2 减振阀常通孔的设计计算
3.3 阀芯受力分析及计算
3.4 性能计算
3.5 电磁比例阀
第四章 液压系统仿真 – （动态过程参数变化和车姿响应特性曲线）
4.1 悬挂系统性能的评价指标
4.2 仿真模型的建立
4.3 仿真计算及分析 – （提高系统动态性能的改进设计）
4.4 液压系统动力学建模（建立方程）
4.5 计算分析（调节过程影响因素，各部分能量损失及解决方法，各动力缸冲油过程中其压力和位移的关系）
4.6 不同路况路面输入模型
第五章油气悬挂控制策略的研究 – （计算和分析各动力缸冲油过程中其压力和位移的控制策略）
5.1 （半）主动悬挂控制的理论研究现状
5.2 阻尼可控式油气悬挂的控制策略
5.3 控制策略的实
履带车辆油气悬挂液压系统静、动态特性研究
第一章 绪论
1.1 油气悬挂简介
悬挂（轮式车辆称为悬架，履带车辆称悬挂）系统是连接车体和负重轮的所有部件和零件的总称，包括弹性元件、阻尼元件、限制器、导向装置和其它辅助零件。其作用是将车体和负重轮弹性地连接起来，传递作用在负重轮和车体之间的力和力矩，缓和车辆在行驶时负重轮传递给车体的冲击力，并有效熄灭车体的振动，从而减少乘员的疲劳，保证车辆行驶的平顺性。悬挂系统的优良动态特性是履带式装甲车辆具有高机动性、高平顺性和乘员舒适性的重要保证。[1][2]
油气悬挂技术的研究始于60年代后期，D.C.Karnopp发明的油气减振器首先在赛车和轿车上得到应用[3]。70年代后期出现了集减振器与支承弹簧于一体的油气悬挂系统，国外（如德国、美国、英国、日本等）对油气弹簧的结构、油气悬挂的高度调节技术、平衡技术的研究已经成熟，且在工程车辆上已得到广泛的应用。油气悬挂最早应用于重型矿用自卸汽车的后悬架以及坦克的首尾两处，以后逐渐扩展应用到重型越野车和多轴重型吊车上。目前，国外使用油气悬架的车辆有高级轿车、工矿自卸汽车、越野车、坦克等。油气悬挂在国外的履带式车辆上应用可分为
1) 固定式悬挂系统安装的车型：M60系列、梅卡瓦、HIMAG、M48系列、逊邱纶坦克。
2) 肘内式油气悬挂应用于以下车型：25吨测试车、M113装甲运输车、美国轻型高生存实验车。
油气悬挂是以油液传递压力，气体作为弹性介质的一种悬挂装置，由贮能器、动力缸和减振阀三部分组成。其中油液除传递压力外，还具有调节车体高度、车体减振、悬挂刚性闭锁，辅助密封气体及润滑零件，调节气室容积等多种功能。贮能器是高压惰性气体的密闭气室，用管道通过减振阀与动力缸相连，向气室充、排液体，改变贮能器中气体占有的容积，气体压力随之变化，起到贮存与释放能量的作用，液体是气体的密封和传力介质。动力缸是把气体传给液体的压能转变为传递外力的执行机构。
1. 油气悬挂的基本形式及特点
1) 筒式油气悬挂根据工作原理可分为：
a. 单气室油气悬挂：气室容积不大，随着负重轮行程的增大，气体压力急剧上升，使密封困难，但结构简单、工作可靠、加工要求低，因此应用最多。
b. 双气室油气悬挂：有低压气室和高压气室两个压力腔，当负重轮行程不大时，动力缸顶部油腔压力不大，此时仅低压气室工作。当负重轮行程增大时，动力缸顶部油腔压力增大，此时低压气室和高压气室同时工作，改善了单气室油气悬挂的性能。
c. 有反压气室的油气悬挂：正反压力气室同时工作，起弹性缓冲作用，并且无需设置下行程限制器。也可改善单气室油气悬挂的性能。
2) 油气悬挂按缸筒的固定与否可分为
a. 固定缸筒式：采用该种悬挂散热好、防护好。目前采用固定缸筒式是油气悬挂的发展方向。
b. 摆动缸筒式：摆动缸筒式又分为整体式和分置式。摆动缸筒式油气悬挂的工作原理和筒式减振器较为相似。这种油气悬挂必须布置在车外，且要求较大的布置空间，防护性差。并且在运动中产生的热量只能通过大气散热，因此散热性不好。
3) 按车体高度调节可分为
a. 可调式：利用油液的充入与放出可使车体上下升降，前后俯仰，左右倾斜及车体调平，同时可使车体在空载和满载时保持一定的高度。
b. 不可调式。
4) 从控制力的角度可分为被动油气悬挂、半主动油气悬挂和全主动油气悬挂。本课题所要研究的阻尼可控式油气悬挂就属于半主动油气悬挂。
2. 油气悬挂优缺点
油气悬挂的优点
1) 油气悬挂具有非线性变刚性、渐增性的特性，较好的满足了车辆行驶平稳性和缓冲可靠性的要求，并能提高车辆的行驶速度，改善了机动性。例如：装油气悬挂的与装扭杆悬挂的M60坦克在美国阿波丁试验场第三号越野跑道上作对比试验，前者平均时速为38.62km/h，后者仅14.48km/h，前者负重轮动行程为342.9mm，后者仅163.1mm[2]。
2) 油气悬挂车辆振动周期较大，振动频率较低，有较好的行驶平稳性，因而搜索目标和跟踪目标平顺，它减少火炮稳定系统所要求的功率并减少稳定火炮所需的时间，从而提高了行进间射击的首发命中率。在长为1000m越野跑道上实验表明，装油气悬挂的M60坦克以28.96km/h速度行驶比装扭杆的M60坦克以19.3km/h速度行驶时的射击精度还要高。
3) 油气悬挂还可以实现悬挂闭锁及车体调平。液压闭锁可使弹性悬挂变成刚性悬挂，可消除射击时车体的振动，提高射击精度。在车辆爬坡和紧急制动时还可以防止横向侧滑。
4) 可调式油气悬挂车体可以上、下升降及前后俯仰而后左右倾斜，因之可提高车辆的通过性，并扩大火炮的射角范围且有利于车辆隐蔽。
5) 油气悬挂改善了乘员的舒适性，能防止精密电子仪器因振动加速度过大而损坏、失效。装油气悬挂的车辆在起伏地行驶，振动频率较小，振动周期较大，振动加速度较小，提高了乘员持续工作的能力。
6) 与扭杆悬挂相比，油气悬挂在回复行程终点前段有较大的弹力。如回复行程阻尼力较小，则负重轮对履带压紧作用力较大，每个负重轮犹如有源的履带张紧器，在动态情况下可使履带的松弛度减小到最小，改善了对履带的诱导作用，使履带不易脱落。
7) 油气悬挂可省去单独的减振器。在油气弹簧内部油液往返流动的通道上设置阻尼阀和限压阀，就具有减振器的功能。
8) 油气悬挂只要改变油气弹簧气室的充气压力，在不同负载的变型车辆上就可以应用，故部件的通用性好。
9) 可调式油气悬挂可使行驶维修方便，如车辆在野外需要拆卸负重轮时，只需使该负重轮处的油气悬挂处于放油位置，无需液压千斤顶即可拆装负重轮。
油气悬挂的缺点
1) 油气悬挂布置在车外，防护性较差。如其外有负重轮及屏蔽装甲，防护就有所改善。
2) 成本一般较扭杆悬挂要高，据国外资料统计，其成本约高20%~30%。
3) 油气弹簧压力较高，对油气密封装置要求较高，零部件加工精度要求较严，否则会漏油、漏气不能使用。
4) 油气悬挂一般较难在-40 oC气温下正常工作，它对油液和橡胶低温性能要求较高。
1.2 油气悬挂的研究现状和发展状况
油气悬挂起源于20世纪50年代，它的出现主要是解决以往悬挂系统中变刚度和变阻尼难的问题。而我们国内油气悬挂的应用则晚了近30年。为了提高车辆行驶平顺性，国外小客车、载重卡车以及工程机械上早已采用了油气悬挂，特别是在矿山自卸载重卡车上用的更为普遍。由于空载和满载载荷变化幅度大，车身高度变化较大，此时如装有能随载荷变化可自行调节车身高度的油气悬挂，则可以获得理想的弹性特性而使车辆具有良好的平顺性，从而改善驾驶员的劳动条件，提高车辆的平均行驶速度和车辆的运输生产率。我国自行设计的矿山载重汽车SH380，采用了油气悬挂，美国WABCO公司生产的矿山载重汽车35C、75B、120，前苏联别拉斯540，日本小松HD-320，法国TX-40，意大利伯里尼公司生产的矿山载重汽车等也都采用了油气悬挂。油气悬挂最初应用在工程机械上则是美国的UET-A和UETE2万能工程履带牵引车。
油气悬挂在军用履带车辆上应用比较晚。瑞典的STRV103B坦克(即S坦克，于1963年研制)装有油气悬挂，并已经正式装备部队；日本于1973年研制的74式主战坦克也装有油气悬挂，且已装备部队；前苏联的BMⅡ空降坦克也装有油气悬挂；1985年英国研制的、在“奇伏坦”坦克基础上改进的“挑战者”主战坦克装有固定缸筒、单气室油气悬挂，该坦克已经定型装备部队；法国的AMX-40坦克也装有油气悬挂；前苏联的T-80坦克则装有可调式油气悬挂；美国曾在T-95坦克及M48、M46坦克系列上进行改装油气悬挂的试验和研究；美国还和西德合作研制过装备油气悬挂的坦克MBT-70/KPZ70。中国从20世纪50年代末开始着手研究油气悬挂，经多年试验探索，并对油气悬挂在坦克和导弹发射车上的应用进行了研制和试验。北京理工大学车辆工程学院振动与噪声实验室从理论上开展了油气悬挂的研究工作并进行了实验室台架试验。这些年来，某些军工厂和研究所，或进行了台架试验，或进行了实车试验和装车考核。目前，这一方面的研究工作正在不断完善之中。
1.3 研究油气悬挂的意义
现代高速履带车辆的发动机和传动系统性能与过去相比有了较大的提高，我国新一代主战坦克发动机功率 1100KW，最大时速约80km/h，越野平均时速约50km/h，比现有主战坦克速度更快、机动性更强，除了必须有先进的动力—传动系统外，还必须具备与之匹配的行动系统[1]。
为了保证履带式装甲车辆动力—传动系统改进后可以高速行驶，必须增强悬挂系统的缓冲与减振性能。目前，我国履带式装甲车辆悬挂装置使用的是扭杆弹簧，其悬挂特性基本上是线性的，悬挂刚度基本上是不变的。具有这种悬挂的车辆在平坦的路面行驶时，悬挂的刚性就显得较大，振动频率较高，行驶平稳性差，持续行驶时乘员容易疲劳。在凹凸不平的路面行驶时，来自地面的冲击很大，车体振动猛烈，要求有足够大的悬挂刚性和动行程来吸收能量，而此时悬挂刚性又显得太小，吸收振动能量不大，缓冲性能太差，因此经常发生平衡肘撞击限制器的现象，此时振动加速度很大，影响了行驶速度的提高。
理想的履带式车辆的悬挂系统应当在较好的路面行驶时，负重轮动行程较小，悬挂刚度和阻尼较小，此时行驶平稳性较好。而当车辆在较坏的越野路面行驶时，负重轮的动行程较大，悬挂刚度和阻尼应较大，这样其吸振缓冲能力较强，允许高速行驶。这种悬挂装置其刚性和阻尼应该是可变的，悬挂特性是非线性的。而油气悬挂就具有这种特性[2]。因此，油气悬挂必将会在越野车、重型车辆及履带车辆上得到越来越广泛的应用，对油气悬挂的研究具有理论意义和工程应用价值。
1.4 本文研究的主要内容和重点
本文针对某装甲输送车的带反压气室摆动缸筒式油气悬挂系统进行了研究。主要内容如下：
对油气悬挂技术的发展状况及存在问题进行了讨论；设计、改进了油气悬挂液压系统，配合控制系统及执行机构实现了车辆行驶过程中的车姿调节及悬挂闭锁功能等；在计算、分析油气悬挂液压系统车姿调节过程中的影响因素、能量损失等基础上得到履带车辆在不同路况下行进间实现短停调节其液压系统的控制策略；最后，建立仿真模型对油气悬挂液压系统动态特性进行仿真和优化设计。
第二章 油气悬挂液压系统的设计
2.1 设计要求-地位
1． 悬挂系统的设计与计算以WZ534试验车为依据，全车各轮均采用油气悬挂，整个系统应能实现车体的升降、俯仰调节和悬挂闭锁功能。
2． 车底距地高的调节范围为200mm~480mm。并可根据路况和隐蔽性要求，在车底距地高360mm~480mm间实现所需的行进间短停调节，起、落时间均不大于30s。
3． 履带调整器采用液压张紧装置，配合车体升降，改变诱导轮位置，保证履带张紧。
2.2 液压系统设计所需参数
表2.1：WZ534装甲输送车试验车原始参数
序号 参数名称 单 位 符 号 数 值
1 整车质量 kg M 17275
2 悬置质量 kg mxj 15108
3 车底距地高 mm H 480
4 每一侧负重轮个数 n 6
5 平衡肘回转半径 mm R 320
6 曲臂半径 mm rs 140
7 负重轮静行程 mm fj 100
8 负重轮动行程 mm fd 320
表2.2：设计参数
序号 参数名称 单 位 符 号 数 值
1 车底距地高调节范围 mm ΔH 280
2 短停调节车底距地高调节量 mm ΔH1 120
3 短停起（或落）调节时间 s T ≤30
4 动力缸全行程 mm Sm 186
5 动力缸静行程 mm Sj 48.2
6 动力缸活塞直径 mm Dh 75
7 贮能器活塞直径 mm Dx 75
8 悬挂基本传动比（拉臂/平衡肘） i 140/320
9 液压张紧装置全行程 mm Smz 200
10 安装时液压张紧装置行程 mm Soz 10
11 短停调节时液压张紧装置行程 mm Stz 90
12 液压张紧装置活塞直径 mm Dhz 75
13 液压张紧装置活塞杆直径 mm ｄgz 50
14 液压张紧装置活塞杆内腔直径 mm ｄnz 36
液压系统
2.1 油气悬挂系统的特性计算
2.3 短停调节液压系统工作压力的确定
2.3液压系统原理图
2．3．1悬挂控制油路
根据设计要求，本文所研究的履带车辆各轮均采用油气悬挂。油气悬挂系统主要由一单作用缸、减振阀及作为弹性元件的蓄能器组成。通过三位四通阀及液控单向阀向动力缸充放油实现车底距地高的短停调节；考虑车辆振动主要为俯仰振动，在第一、二、六悬挂中，安装减振阀，减振阀由节流装置和两个溢流阀组成，工作液在动力缸和贮能器之间流动时，减振阀产生阻尼力，衰减车体的振动；同时，在第一、六悬挂中安装一个常开型二位二通电磁换向阀，当电磁铁通电时，可以断开动力缸和贮能器之间的油路，以实现悬挂闭锁的功能。第一、六悬挂控制油路原理如图2.2所示。
第二悬挂控制油路除无图2.2中所示二位二通电磁阀外其余同，第三、四、五悬挂控制油路无减振阀及二位二通电磁阀其余同，这里不再详述。
2．3．2履带调整器控制油路
如图2.3所示，履带调整器液压张紧装置为一双作用液压缸，动力源通过三位四通阀及液控单向阀向液压缸无杆腔充放油即可实现履带的张紧和放松。在油路中安装一双向节流阀，这样就可以根据需要调节向履带调整器液压缸充油时的油液流量，从而控制履带张紧及放松的速度；三位四通阀与液控单向阀之间并联一个溢流阀，通过调整溢流压力控制履带的张紧力。
2．3．3液压系统原理图
车辆两侧液压系统相同，以左侧为例，原理图如图2.4所示。/ 所有悬挂及履带调整器共用一个动力源，第一、二、三悬挂共用一个三位四通阀，四、五、六悬挂共用一个三位四通阀。
2．3．4液压系统工作原理
根据设计要求，本悬挂系统实现车辆行进间对车高进行停车短停调节，调节时间不超过30秒。控制系统设计中，忽略了油路和机械部分的滞后影响，有两种调节方式。
1．控制系统中通过相应传感器的反馈信号实现车姿的自动调节；
2． 过控制充、放油时间实现人工手动调节。
车姿调节：驾驶员根据车姿调节的需要，通过控制系统根据悬挂动力缸内的压力的变化控制液压系统中三位四通阀，接通动力源与悬挂动力缸间的控制油路，向动力缸中充放油，从而实现车体升降、车体调平的功能，与此同时，控制履带调整器液压缸的充放油使车姿调节过程中履带保持持续张紧。
悬挂闭锁：当悬挂需要闭锁时，通过控制系统控制第一、六悬挂动力缸与蓄能器间的二位二通阀的通断，即可切断蓄能器回路，使得悬挂变为刚性悬挂。