第41卷第12期2020年12月兵工学报
ACTA ARMAMENTARII
Vol.41No.12
Dec.2020
王超1,2，汪国胜2，李睿1，刘青峰3，曹宇2
（1.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081；2.中国北方车辆研究所底盘部件技术部，北京100072；
3.92228部队，北京100071）
摘要：阐述了坦克装甲车辆主动悬挂的需求和技术进展，详细介绍了电力-液压（简称电液）主动悬挂和机械-电力（简称机电）主动悬挂的结构及特点；结合电液主动悬挂和机电主动悬挂两种典型主动悬挂的试验验证情况，分析了现有坦克装甲车辆主动悬挂结构技术的瓶颈问题；归纳了坦克装甲车辆主动悬挂
对结构性能的要求和关键技术，即高功率密度、高可靠性、低迟滞作动器技术；针对性地提出了新型主动悬挂结构研究思路：引入机电液复合作动器，规避了电液主动悬挂的时滞大和机电主动悬挂的惯性冲击问题，可实现悬挂的主动控制，为“十四五”坦克装甲车辆主动悬挂技术研究提供了方向性参考。
关键词：坦克装甲车辆；主动悬挂；高可靠性低迟滞悬挂结构；少齿差液压变速泵-马达机构中图分类号：TJ810.3+32文献标志码：A文章编号：1000-1093（2020）12-2579-14 DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2020.12.024
Review of State of the Art of Active Suspension Structure
Technology of Tank and Armored Vehicle
WANG Chao1'2,WANG Guosheng2,LI Rui1,LIU Qingfeng3,CAO Yu2
（1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China；
2.Department of Vehicle Chassis,China North Vehicle Research Institute,Beijing100072,China；
3.Unit92228of PLA,Beijing100071,China）
Abstract:The technical status and the lastest research progress of active suspension structure technology for military vehicles are introduced,and the structure and characteristics of electro-hydraulic and electromechanical active suspensions are introduced in detail.The bottleneck problems of active suspension structure for military vehicles are analyzed from the test results of electro-hydraulic and electromechainical active suspensions.The requirements of military vehicle active suspension for structural performance and the key bottleneck technologies are summarized,which are high power density,high reliability and low hysteresis actuator technology.A clear research idea of new active suspension structure is put forward：the innovative introduction of electro-hydraulic composite actuator can not only avoid the large time delay of electro-hydraulic active suspension and the inertial impact of electromechanical active suspension,but also realize the active suspension control.
Keywords:tank and armoured vehicle;active suspension；high reliability and low time-delay suspension structure；hydraulic pump-motor based on less tooth difference planetary gear transmission
收稿日期：2020-05-16
基金项目：装备发展领域基金项目（61402100203）
作者简介：王超（1989—），男，工程师，博士研究生。E-mail：****************
通信作者：汪国胜（1971—），男，研究员，博士。E-mail：*********************
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兵工学报第41卷
0引言
随着未来战争节奏的加快和对抗强度的加大，各国对坦克装甲车辆的机动性指标也随之提高，美军在《2010年联合作战构想》中论述坦克装甲车辆机动、防护、火力三大特性时，已经明显地向“机动性”倾斜，提出坦克装甲车辆最大速度应不小于100km/h，越野平均速度应达到55km/h［1.美军2014年发布了“GXV-T”新型装甲车项目设想，提出未来装甲车应满足“质量减小一半，行驶速度提升1倍，能够在95%的地域内通行”的高机动指标i3-5】。现有大量研究表明，车辆行驶过程中产生的底盘振动是制约坦克装甲车辆实现高越野机动性、高乘坐舒适性、高射击精度的主要因素，因此要同步提高坦克装甲车辆的越野机动性、乘坐舒适性与射击精度，必须首先解决坦克装甲车辆底盘的振动问题i6-9】。
福特f系列针对坦克装甲车辆行驶过程中产生的底盘振动问题，美国、俄罗斯等国家开展了多年主动悬挂技术研
究，但未见正式装备部队。
本文在分析国内外坦克装甲车辆主动悬挂技术研究现状与研究进展的基础上，结合国内外电力-液压（简称电液）主动悬挂与机械-电力（简称机电）主动悬挂两种典型主动悬挂的试验验证情况，分析电液主动悬挂与机电主动悬挂虽然性能优异但最终未正式装备部队的真正原因；对坦克装甲车辆主动悬挂的研究难点与瓶颈问题进行了梳理；提出了明晰的坦克装甲车辆机电液混合悬挂研究思路，为“十四五”坦克装甲车辆主动悬挂技术研究提供了方向性参考。
奇瑞大蚂蚁1主动悬挂结构方案研究概况
相对于传统悬挂，主动悬挂系统能根据车辆平台振动控制的需要实时输出主动控制力，进而将车辆平台的振动控制在理想范围内。自20世纪50年代Federspiel-Labrosse教授［10］提出主动悬挂概念后，主动悬挂技术一直是坦克装甲车辆悬挂技术研究的热点。美军早在《1995—2000年地面车辆科技发展规划》确定的7项关键技术中第4项机动车部件技术中，就对主动悬挂技术提出了明确的进度要求:2000—2005年演示全主动悬挂，越野速度提高1倍；美国在《陆军技术基础总体规划》中概要地列出了14项关键技术，第9项是先进推进技术，其中之一就是主动悬挂技术，提出的目标是使坦克的机动性提高50%，车身平稳性提高30%.多年来，世界各国均投入了大量人力与财力，对坦克装甲车辆主动悬挂技术开展深入研究，成果喜人，但最终正式装备部队的成果寥寥无几，其背后真正的原因值得
反思［11］。从国内外主动悬挂文献来看，技术成熟度高且开展过试验验证的主动悬挂主要有俄罗斯的电液主动悬挂与美国的机电主动悬挂。下面对俄罗斯电液主动悬挂与美国机电主动悬挂两种典型主动悬挂研究情况进行介绍。
根据主动悬挂能量传递介质的不同以及国外研究成果来看，在研的主动悬挂主要有电液主动悬挂和机电主动悬挂两种典型悬挂。如图1所示，电液主动悬挂就是利用液压油作为传递介质，将车辆的电能利用液压泵转化为液压能，利用伺服阀或者比例阀实现控制，通过作动器转化为机械能（主动力或力矩），作用于车体和轮系，进而将车辆的振动控制在理想范围内，具有功率密度高、作动力大等优点。
图1电液主动悬挂原理图[12]
Fig.1Schematic diagram of electrohydraulic active
-[12]
suspension
相对于电液主动悬挂，机电主动悬挂采用电能作为能量的传递环节。如图2所示，机电悬挂的电机将车辆的电能转化为动能，并通过机械部件（齿轮齿条或行星减速等）将电机输出的力或力矩传递至簧
上质量和簧下质量，进而实现对振动的主动控制；当能量反向流动时，可以通过调整能量回收效率或者制动电阻的大小实现半主动控制。由于未来车辆全电化的趋势明显，而且电机具备响应快、方便控制且易于实现能量回收等特点，机电主动悬挂成为主动悬挂研究的热门方向。
1.1国外主动悬挂研究概况
1.1.1国外电液主动悬挂研究概况
20世纪70年代，英国国防部坦克装甲车辆工程局在8t级“蝎”式轻型坦克上试验了英国AP液压公司的液压机械主动悬挂系统。
它采用液压执行
第12期坦克装甲车辆主动悬挂结构技术发展综述2581
图2机电主动悬挂原理图
Fig.2Schematic diagram of electromechanical
active suspension
器取代原车的叶片减振器，并保留了原车的弹性元件，以支撑悬挂静载，降低液压主动悬挂装置执行器的体积和对功率的需求。通过对比试验发现：该悬挂系统可以使在越野路面行驶时的车辆振动加速度均方根值较装有传统被动悬挂的车辆降低25%，并可以在7m波长的正弦路面上获得34km/h的行驶速度〔13-15］。原联邦德国在豹I坦克上试验了一款电液主动悬挂系统，取得了较好的效果。韩国也针对K1坦克开发了基于肘内式油气弹簧的主动悬挂系统，但未见实车试验的报道［16］。
电液主动悬挂系统中最典型的是俄罗斯全俄运输车辆研究所研制的一款基于伺服阀和叶片执行器的主动悬挂系统。用该悬挂改造的T-72坦克与采用传统悬挂的T-80坦克进行对比试验时发现：在同样路面条件和行驶速度时,T-80车体的最大纵向角振动为14。，车体的垂向振动加速度超过30m/s2；改装电液主动悬挂后的T-72车体纵向角振动、垂向振动加速度较T-80分别降低了78.6%和60%.除此之外，改
装后T-72坦克在行进间射击时的火控系统稳像环境大幅度改善。从英国和俄罗斯等国电液主动悬挂的研究情况与试验结果来看，安装电液主动悬挂的坦克装甲车辆，机动性和平顺性明显提高，但是至今未见其批量装备部队，个中原因值得深究〔山。
1.1.2国外机电主动悬挂研究概况
国外对于机电悬挂的研究较早，有相对成熟样机的主要是日本日立制作所、美国博士（BOSE）公司、美国哈里斯技术公司（简称L3公司）等企业。
日本日立制作所的机电主动悬挂（见图3）采用 螺旋弹簧支撑车体，降低了悬挂功耗，在保留传统车辆液压减振器的基础上增加了筒形直线电机作为作动器。通过与传统悬挂（弹簧+液压减振器）的对比试验，发现机电主动悬挂可以有效地降低簧载质量加速度P-18】。
道线电机控制器
液压减振器
螺旋弹簧
直线电机
图3日本日立制作所生产的机电主动悬挂
Fig.3Hitachi electromechanical active suspension
BOSE公司耗费30年时间研制的一款基于直线电机的机电主动悬挂（见图4），其悬架采用直线电机作为执行器和传感器，当簧下质量受路面激励而上下运动时，电机就会向悬挂控制系统反馈悬挂动行程等信息，悬挂控制系统则根据传感器信息和悬挂控制律向各个电机提供适当的电流，以控制悬挂输出主动力。实车试验证明该悬挂系统可以大幅度提高车辆平顺性，而且具备能量回收潜力，但受制于成本和功耗，至今未能量产［'川。
图4美国BOSE公司生产的机电悬挂
Fig.4BOSE electromechanical active suspension
租车一天要多少钱L3公司和德克萨斯大学机电中心为不同吨位的坦克装甲车辆研发了3类机电悬架（见表1），分别用于3.5t级悍马车（电机+齿轮齿条式作动器）、8t级中型战术车辆卡车（电机+泵式作动器）、20t级骑兵（电机+行星减速式作动器），上述悬挂均进行了实车试验，获得了良好效果，技术成熟度达到5~6级，
是目前坦克装甲车辆用机电主动
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兵工学报
第41卷
表1 L3公司研发的三类机电悬架
Tab. 1 Three kinds of L3 electromechanical active suspensions
悬挂
外观及其车型
悍马车
中型战术车骑兵
车体外观
采用的 机电悬挂
悬架的代表［22一旳。
其中最为典型是为20 t 级骑兵混合电驱动
履带式装甲车研制的机电主动悬挂，其结构如
图5（a ）所示。该悬挂采用小刚度的空气弹簧
（40 N/mm 左右）作为弹性元件，以降低悬挂系统
的能耗；作动器与平衡肘同轴布置，采用电机+行 星传动（为3Z （ I ）型行星齿轮传动结构，见 图5（b ））传递力矩，通过平衡肘将主动力作用于
负重轮上，并通过传感器采集悬挂动行程（平衡肘
转角）、负重轮载荷（通过测量空气弹簧气压反向 计算得到）和簧上质量振动加速度。2005年该悬
挂进行了大量实车对比试验，结果表明，在同等车
速条件下，装备机电主动悬挂系统的车辆平顺性
较未装备机电主动悬挂系统的车辆稳定性提高
30%以上，车辆乘员吸收功率由原来的7 W 以上
降低到6 W 以下，证明了该机电悬挂控制方法的
有效性。但是从相关报道来看，该机电悬挂尽管
性能优越，却也没有正式装备部队，其没有进入实
车应用的原因也值得深究［25 -26］。
马自达产地1.2国内主动悬挂研究概况
1. 2. 1国内电液主动悬挂研究概况
鉴于国外研制的电液主动悬挂的优越性能，国 内装甲兵工程学院、北京理工大学、中国北方车辆研
究所等单位对坦克装甲车辆电液主动悬挂也进行了
深入研究。其中装甲兵学院王良曦等WO ］开发的
电液主动悬挂，在保留传统悬挂（螺旋弹簧+减振
器）的基础上，通过伺服阀控制新增的液压缸实现
(a)机电主动悬挂结构示意图
(a) Schematic diagram of electromechanical active suspension
(b)机电主动悬挂传动简图
(b) Transmission of electromechanical active suspension
图5 20 t 级骑兵用机电主动悬挂及其传动简图Fig. 5 Electromechanical active suspension for Lancer
and its transmission diagram
了主动作动力的输出，其原理图如图6所示。图6 中,Z r 为地面激励,Z u 为车轮垂直位移,Z s 为车体垂
直位移,F 为作动器主动力，C 为减振器阻尼,K u 为
螺旋弹簧刚度,K s 为轮胎等效刚度,m .为车轮部分 等效质量,m s 为车体部分等效质量。经试验验证,
第12期坦克装甲车辆主动悬挂结构技术发展综述
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在1 ~10 Hz 频率范围内（尤其是在1 Hz 左右车体
共振频率附近），该主动悬挂能够有效地衰减车体
的垂向振动囚一30］。
倾角
F
c
滤波卜
Z
Z
车轮部分（叫）U
滤波
，姿态
伺服阀
功率
放大器位移
传感
给定
位移I 整车* —控制器Z 车体部分（m ） j 相对位移厶 8 Z -Z ,
<——哭*«----控制器
应变片〕
图6装甲兵工程学院电液主动悬挂原理图[31]
Fig. 6 Schematic diagram of electrohydraulic active
-[31]suspension
北京理工大学顾亮等^一35］针对履带车辆研制 的肘内式电液主动悬挂采用肘内式油气弹簧作为弹
成都限行时间新规2020年5月性元件（见图7（a ）），同时在肘内式油气弹簧的回
转中心同轴布置了一个叶片式作动器（见
图7（b ）），通过叶片式作动器上的电液比例阀调节 作动力大小。 经过试验验证发现， 进行主动控制后，
簧载质量加速度均方根值能够降低20%以 卜［32 -35］上
。中国北方车辆研究所从2000年前后开始进行
主动悬挂技术开发，经过20余年的持续研究和试
验，研制了适合高速履带车辆的电液主动悬挂样
机I 36 -37】。该电液主动悬挂系统同样是在传统叶片
式减振器的基础上开发，主动控制时根据控制系统
采集和处理的信息，通过伺服阀将液压泵产生的高
压油输入到叶片式作动器的指定腔，进而输出主动 力矩。在不进行主动控制时，可以作为被动式叶片
减振器使用。为了进一步验证该悬挂性能，将该悬
挂系统适配于某型履带车辆上，原位替换原车的 4个叶片减振器，如图8所示。经过正弦路面及典
型越野路面试验后发现：主动悬挂介入后车辆的俯 仰角速度明显降低，越野平均速度也显著提 升叫37】。
但不管是装甲兵工程学院、北京理工大学，还是
中国北方车辆研究所，都在研究中发现如下4个问悬挂回转中心
(a)肘内式油气弹簧
(a) In-arm hydro-pneumatic spring
(b)叶片式作动器结构
(b) Vane actuator
图7北京理工大学肘内式电液主动悬挂[34] Fig. 7 In-arm electrohydraulic active suspension [34]
平衡肘拉臂及连厂囂聶
液压张紧器扭杆液压油源悬挂控制器
及控月阀组叶片式作动器
图8电液王动悬挂整车布置方案
Fig. 8 Layout plan of electrohydraulic active suspension
题:1）电液主动悬挂系统复杂，体积与质量较大，装
汉兰达爬坡门视频
车适应性差;2）作为系统核心部件的若干伺服阀,
抗污染能力较差，执行器运动期间产生的碎铁屑极
易导致阀芯卡滞，影响悬挂可靠性;3）油液流动作
功过程中易产生大量热量并导致油液温升大，严重
影响密封件寿命，导致油液泄漏、效率降低；4）较长
的液压管路导致控制时滞较大，极大地影响了主动
控制功能的发挥E ，36-43］。分析认为这可能正是俄
罗斯等国性能优异的电液主动悬挂未成功走向应用
的真正原因
。
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