坦克懸掛其實就是連線車體和負重輪所有零部件的總稱,所有車輛(包括坦克)在行駛過程中,車輪(或負重輪)會因為路面的崎嶇不平而承受著強烈的衝擊,在車輪和車體剛性連線的車輛上這些衝擊則會完全作用於車體,導致內部成員的舒適性極差,時間一長容易引發疲勞降低工作效率,再者巨大的衝擊也會伴隨著巨大的載荷,對車體的部件儀表等造成損傷,增加維修負擔,對於在平整公里上行駛的汽車來說懸掛系統對速度的影響還沒有那麼大,但是對於常年行駛在野外崎嶇路面上的坦克來說,懸掛直接限制著坦克的最大行進速度,如果沒有一個好的懸掛,發動機功率再大,傳動效率再高,坦克的速度照樣提不上去。
▲M48主戰坦克的懸掛系統,1、2、6負重輪平衡軸臂上安裝有雙向液壓減振器,每個負重輪安裝有限位器,第6個負重輪和主動輪之間安裝有調節履帶鬆緊的調節環
一般來說一輛坦克的懸掛部分通常由彈性元件、減振器、限位器、平衡肘和其它連線部件組成。彈性元件能起到衝擊能量的儲存和釋放,也可以看作是整個懸掛系統的核心元件,彈性元件能夠變形吸收衝擊動能,這個能量反過來又能變成車體振動的動能,這樣一來就能避免平衡軸和車體的剛性衝擊,但是彈性元件的形變程度不能太大,不然會造成彈性元件的損傷,於是人們就加了一個限位器,限位器能夠限制彈性元件的形變程度從而限制負重輪的行程和車體的擺動幅度,此外為了避免限位器和平衡軸直接剛性衝擊,限位器也裝有彈性元件來吸收部分的衝擊能量。常用的彈性元件有扭杆,彈簧,油氣等,下文我在細講現在最比較常見的扭杆懸掛和油氣懸掛。
▲上圖為德國豹二坦克的液壓限位器、平衡軸和扭杆彈性元件,看不到減振器是因為豹二坦克採用的是同軸摩擦式減振器,該結構在平衡軸軸承裡面,這種減振器比較簡單,但是對材料要求較高,不適合使用在高速坦克上
值得一提的是扭杆只是能量的一個儲存釋放裝置,能量轉化是個可逆過程,所以坦克都安裝有減振器,減振器能將一部分衝擊動能以熱能的形式散發(能量轉化是個不可逆過程),從而吸收動能衰減坦克的振動幅度和頻率,一般來說減振器大都安裝在坦克前後兩側的負重輪處(可參考下圖三號坦克的減振器),這是因為坦克前後的俯仰振動最為顯著,能極大地影響坦克的射擊精度和通過性,而這種振動在前後幾個負重輪處最為激烈,此外減振器還能有效地緩解彈性元件的壓力,增加彈性元件的壽命。一般來說減振器可分為液壓減振器和摩擦減振器:以筒式液壓式減振器為例,油液會在缸筒活塞內孔中來回流動,利用節流壓降產生阻力來吸收衝擊力達到緩衝的作用;摩擦式減振器就是利用外部摩擦來產生阻力吸收衝擊力達到緩衝的作用,這就非常的考驗材料的耐磨性,導致其效能很不穩定,不過隨著材料技術的發展,這種摩擦減振器到近些年以流行開來,德國的豹二和美國的M1均採用摩擦減振器。
▲三號坦克的懸掛,可以看到前後兩個大大的筒式減振器,下圖是虎式坦克的限位器,該限位器和三號坦克的差不多,只不過該限位器相較於豹二比較簡單,緩衝元件是橡膠
最後就是平衡軸,該結構能夠連線負重輪和彈性元件或減振器,在整個懸掛過程中起到導向的作用,決定著負重輪的位移軌跡。此外平衡軸的強度極大而且不會發生彈性形變,因為在專業術語中有個“懸掛擊穿”,就是指平衡軸和限位器剛性撞擊在一起,這時候平衡軸收到的壓力極大,而且平衡軸的品質也應該控制在一定範圍內,除此之外就是用於各個零部件連線的連線杆了。坦克的懸掛裝置發展至今已經逐漸趨於統一了,主要有扭杆懸掛和液氣懸掛兩種,其基本要求主要有四點:
通過性高且行駛平穩可靠性和壽命都比較高結構簡便易於日常維護修理重量輕且不佔用坦克較大的內部空間扭杆懸掛扭杆懸掛最大的特點就是利用扭杆的扭矩產生彈性形變,扭杆的一端連線在平衡軸上,另一端通過花鍵(就是多邊形或細齒狀的卡槽)連線在車體上,當負重輪向上擺動時帶動平衡軸轉動,從而使扭杆發生扭轉將衝擊能量轉換為成體的振動。常見的扭杆懸掛配製主要有三種:
▲單扭杆式懸掛,這種懸掛每個平衡軸連線著單根扭杆,除了上圖三號E坦克這種不同心的結構外(兩個負重輪都有自己獨立的扭杆),還有一種不常見的同心結構,就是每根扭杆兩端直接連線著兩個平衡軸(兩個負重輪公用一根扭杆),這類懸掛佔用的內部空間較少,坦克的振動幅度較小,使得其可操作性較高,缺點就是行程較小,容易載荷過大導致花鍵損壞
▲雙扭杆式懸掛,該懸掛每次都有兩根扭杆依次或同時扭轉,依次扭轉時能提高負重輪行程,同時扭轉時能增加扭杆的剛性,上圖是黑豹坦克的雙扭杆懸掛,其中一根直接連線平衡軸,另一根從對側返回連線在車體上,兩根扭杆依次扭轉就相當於將扭杆的長度延長了一倍,所以黑豹坦克的懸掛行程高達驚人的51釐米,但這種懸掛的缺點就是結構複雜,佔用的車體內部空間較大,而且底盤距地面必須要高
▲最後不常見的一種就是束狀式扭杆懸掛,這種懸掛的扭杆又細又多,一般在三根以上,這類懸掛的行程較大,而且由於蓄能能力強,所以長度沒必要橫貫整個車寬,著名的T-10重型坦克採用的就是這種懸掛,該懸掛和雙扭杆懸掛一樣,都存在結構複雜且可靠性差,佔用空間多,底盤距地面不宜過低的缺點
此外還有一種複式扭杆懸掛,該懸掛的彈性元件由一根實心的扭杆和數根空心的管狀扭杆組成,蘇聯戰後的ASU-57空降坦克殲擊車採用的就是這種懸掛,這種扭杆懸掛最大的特點就是他的非線性特徵,說到這裡就要提一下扭杆懸掛的線性特徵,金屬扭杆的載荷變化是線性的,懸掛剛性基本不變。舉個具體的例子,在崎嶇路面上行駛時由於坦克的剛性基本固定,受到的地面衝擊較大,車體振動幅度較大,這時候懸掛的剛性應該足夠大來吸收衝擊力,如果剛性較小則會出現平衡軸直接撞擊限位器的情況。按照上述的理論懸掛的剛性應該越大越好,但是在平坦路面上行駛時剛性太大的懸掛振動頻率較高,這樣一來乘員舒適性極差,就是俗話說的懸掛太硬,乘員容易疲勞,這時候懸掛的剛性就顯得過大,於是矛盾就出現了,而具備非線性特徵的油氣懸掛就能解決這個問題。
▲常見的筒式油氣懸掛裝置,此外還有一種葉片式油氣懸掛裝置,該裝置採用的是同軸葉片液壓機構,液壓系統的液體輸送十分的簡單,缺點就是很難密封或者說密封結構複雜
油氣懸掛最大的特點就是以油氣彈簧作為彈性元件,這是一種非常理想的彈性元件,油氣懸掛具備非線性特徵,也就是說整個懸掛的剛度不是固定的,在平坦路面上行駛時隨著負重輪擺動幅度較小,懸掛剛性也會變小,車體振動頻率較低,舒適性極佳,在高速行駛的情況下特別的平穩,也就是俗話說的懸掛比較軟。在崎嶇路面上行駛時隨著負重輪的擺動幅度變大,懸掛剛性也會變大,這時候車體的振幅較小,平衡軸和限位器不容易撞擊,通過性極強,也就是俗話說的懸掛比較硬。此外油氣懸掛能有效的降低車體的振動頻率,增加振動幅度,行駛穩定性也會提高,這樣一來對火炮穩定系統的效能要求就會降低,而且人員舒適性進一步提升,精密儀器也不容易損壞。此外油氣懸掛通過閉鎖可以將彈性懸掛變成剛性懸掛,可在此期間消除車體的振動,提高射擊精度或者是在緊急制動時防止側滑,最後一點就是油氣懸掛裝置能夠省去獨立的減振器。
▲世界上第一輛採用可調式油氣懸掛裝置的瑞典S型主戰坦克,該坦克就是通過調節縱向的傾角來獲得俯仰角
當然油氣懸掛也分為可調式(比如S型主戰坦克和日本的74式坦克)和不可調式(法國的勒克萊爾主戰坦克),可調式的油氣懸掛擁有極強的地形適應能力,能夠調節底盤高度和姿態,使得坦克具備了戰術上的優勢。可調式油氣懸掛能夠改變坦克的三種姿態:
▲中國新型坦克在運輸過程中就能通過調節車體高度來提升運輸便利性
但是可調式油氣懸掛缺點也是顯然易見,首先就是成本的大幅提升和結構的愈加複雜,可靠性和壽命也會隨之下降。而且由於油液有可能發生洩漏或者是容易受溫度的影響,有調節裝置時還能及時的補正(該過程同樣複雜),沒有調節裝置時坦克的懸掛穩定性和可靠性就會大幅下降,此外油氣懸掛一般佈置在車體外側,很容易被擊中損毀,而且該懸掛對油壓、環境溫度也有著要求,特別矯情。但是油氣懸掛在提升坦克技術性和使用效能方面還是比較明顯的,隨著科學技術的發展,說不定在未來的某天,油氣懸掛終將取代扭杆懸掛。