劉浩宇，席紅霞，嚴(yán)偉健，石南輝，李 添，陳栢全，農(nóng) 宇，莫巍波

（北部灣大學(xué)機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535011）

0 引言

全地形四輪越野機(jī)車（簡(jiǎn)稱全地形越野車）是一種全天候、全地形下使用的車輛，適合于各種復(fù)雜的工作環(huán)境。目前，由于市場(chǎng)需求不同，全地形越野車已經(jīng)衍生出了許多不同類型車種，如實(shí)用型、運(yùn)動(dòng)型、休閑型等。我國(guó)全地形越野車發(fā)展依然處在起步階段，而在歐美地區(qū)，全地形越野車正成為運(yùn)動(dòng)機(jī)械中的新寵，并呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。人們對(duì)汽車的安全性、行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性的要求越來(lái)越高，而多連桿獨(dú)立懸掛不僅可以保證擁有一定的舒適性，而且由于連桿較多，可以使車輪和地面盡最大可能保持垂直、減小車身的傾斜、維持輪胎的貼地性。本文闡述了一種自行設(shè)計(jì)的全地形越野車多連桿式獨(dú)立后懸架，以滿足不斷發(fā)展的市場(chǎng)需求。

1 懸架基本參數(shù)的確定

1.1 懸架剛度

全地形越野車的前懸架剛度較大，車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)向輪具有良好的抓地力，能及時(shí)響應(yīng)駕駛員對(duì)方向的操控，以便順利轉(zhuǎn)彎。而后懸架選取較小的剛度，有利于減小車輛跳動(dòng)時(shí)對(duì)后立柱的能量沖擊。

1.2 懸架的基本尺寸

從結(jié)構(gòu)上看，質(zhì)量大的零部件應(yīng)盡量往車輛中間靠攏，以減少車輛的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高車輛的運(yùn)動(dòng)性能，尤其是曲線運(yùn)動(dòng)能力[1]。在滿足規(guī)則的情況下，設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使賽車更加緊湊，以減少車輛質(zhì)量，同時(shí)也能降低制造成本。經(jīng)過人機(jī)工程的研究和對(duì)整車主要部件的反復(fù)協(xié)調(diào)布置后，懸架的基本尺寸如表1所示。

表1 懸架基本尺寸參數(shù)表 （mm）

1.3 車輪外傾角

依據(jù)車輪在上下跳動(dòng)過程中外傾角的變化，通過特定的懸架幾何設(shè)計(jì)來(lái)保證賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)輪胎與地面保持良好的接觸。由計(jì)算得知賽車在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度的側(cè)向加速情況下，車身側(cè)傾角為1.63°。輪胎外傾角的變動(dòng)量與主銷內(nèi)傾角的變動(dòng)量一致，為了減小主銷內(nèi)傾角的變動(dòng)量，外傾角預(yù)置為-1.5°。車輪跳動(dòng)時(shí)的外傾角變化對(duì)車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性等有很大影響，所以應(yīng)盡量減少車輪相對(duì)車身跳動(dòng)時(shí)的外傾角變化，用Adams軟件對(duì)外傾角進(jìn)行優(yōu)化，在輪跳30 mm 到-30 mm 時(shí)，外傾角由-2.1°變到-0.9°。

1.4 主銷內(nèi)傾角

主銷內(nèi)傾角的作用是抑制來(lái)自路面的作用力，防止方向盤失去控制，影響車輛直線行駛的穩(wěn)定性，回正力矩和方向盤力。設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)設(shè)主銷內(nèi)傾角為4°。內(nèi)傾角影響轉(zhuǎn)向盤手感和輪胎磨損速度[2]，變化不易過大。用Adams軟件對(duì)內(nèi)傾角進(jìn)行優(yōu)化，在輪跳30 mm到-30 mm時(shí)，內(nèi)傾角由3.5°變到4.5°，同時(shí)隨車輪上跳增加、下跳減少。

1.5 主銷后傾角

主銷后傾角的作用是抑制車輪橫向震動(dòng)，同時(shí)還能使車輪產(chǎn)生回正力矩。依據(jù)賽車的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主銷后傾角一般在1°～3°。設(shè)計(jì)時(shí)將車輛的后輪主銷后傾角預(yù)設(shè)為3°，對(duì)其進(jìn)行調(diào)試后調(diào)整到最佳狀態(tài)。用Adams軟件對(duì)后傾角進(jìn)行優(yōu)化，在輪跳30 mm到-30 mm時(shí)，后傾角的變化范圍盡可能小，且后傾角具有隨車輪上跳而增加的趨勢(shì)，可以抵消制動(dòng)時(shí)后傾角減少的趨勢(shì)[3]。

2 立柱和輪轂的設(shè)計(jì)

立柱與輪轂在設(shè)計(jì)過程中，必須符合易安裝、高強(qiáng)度、輕量化的原則。根據(jù)選定的輪輞尺寸大小和輪輞內(nèi)圈安裝于立柱輪轂輪邊的間隙大小，設(shè)計(jì)立柱的尺寸；根據(jù)立柱尺寸、輪輞規(guī)格和偏置距的大小，確定輪轂與輪輞的連接形式與大小尺寸。按照擬定的懸架橫臂與車架連接使用的向心軸承規(guī)格大小、整車的基本載荷，選定輪轂與立柱連接所使用的深溝球軸承。按照拆裝方便、安全可靠以及輕量化的設(shè)計(jì)理念，在三維建模軟件中設(shè)計(jì)立柱和輪轂，如圖1所示。把設(shè)計(jì)好的立柱與輪轂導(dǎo)入到有限元分析軟件中進(jìn)行靜力學(xué)分析優(yōu)化，零件材料選用45號(hào)鋼與7075 T6鋁合金，分別對(duì)立柱與輪轂進(jìn)行靜力學(xué)仿真。仿真結(jié)果顯示，兩種材料在使用條件上都符合設(shè)計(jì)的要求。由于7075 T6鋁合金具有高強(qiáng)度、良好機(jī)械性能、易加工、耐磨性好、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，在立柱與輪轂的加工中選擇7075 T6鋁合金作為主要的加工材料。

圖1 后立柱和后輪芯三維圖

3 多連桿式獨(dú)立后懸架的設(shè)計(jì)

后懸架的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。從后懸架幾何結(jié)構(gòu)圖中可以看出懸架橫臂張角設(shè)計(jì)的大小，橫臂內(nèi)點(diǎn)吊耳與車架連接的安裝位置，便于確定三維模型零件的裝配位置；從懸架幾何關(guān)系中確定懸架側(cè)傾中心的高度，由主銷后傾角與車輪接地點(diǎn)的距離確定主銷后傾拖距。由于全地形越野車需要滿足比較靈活且適用性強(qiáng)的行駛條件，設(shè)計(jì)的緊湊性就顯得尤為重要。考慮到全地形越野車行駛的路面條件比較惡劣，過高的質(zhì)心高度會(huì)使整車引起側(cè)翻的可能性加大，在保證通過性的情況下，將質(zhì)心高度設(shè)計(jì)為401.7mm，離地間隙為300 mm。全地形越野車懸架的橫臂不僅要承受輪胎對(duì)路面撞擊所承受的沖擊載荷，還要承受減震器的線型沖擊載荷，故橫臂需達(dá)到足夠的剛度，選擇大小尺寸合適的4130無(wú)縫鋼管剛好滿足橫臂承受的不同載荷工況的沖擊。

表2 后懸架設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖2 后懸架幾何結(jié)構(gòu)圖

4 橫向穩(wěn)定桿的計(jì)算與設(shè)計(jì)

全地形越野車在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)發(fā)生比較大的載荷轉(zhuǎn)移。當(dāng)行駛在路況比較復(fù)雜的彎道路面上時(shí)，因?yàn)檩d荷轉(zhuǎn)移，車輛不僅會(huì)出現(xiàn)過度側(cè)傾現(xiàn)象，還會(huì)由于輪胎抓地力的不足，導(dǎo)致一側(cè)輪胎脫離地面，甚至出現(xiàn)側(cè)翻的危險(xiǎn)。出現(xiàn)嚴(yán)重的側(cè)傾現(xiàn)象是由于懸架本身提供的側(cè)傾剛度不足，這時(shí)就需要安裝橫向穩(wěn)定桿，以防止車輛高速通過彎道時(shí)發(fā)生嚴(yán)重側(cè)傾現(xiàn)象。橫向穩(wěn)定桿主要作用是增加車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的側(cè)傾角剛度，同時(shí)使兩側(cè)的懸架相關(guān)聯(lián)，彼此相互跳動(dòng)約束，以達(dá)到防止車輛高速轉(zhuǎn)彎過程中可能發(fā)生的傾翻現(xiàn)象。

橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度為：

式中：L為橫向穩(wěn)定桿長(zhǎng)度；X為搖臂長(zhǎng)度；Y為搖臂與穩(wěn)定桿夾角；D為穩(wěn)定桿直徑；G為穩(wěn)定桿切變模量。

根據(jù)上述穩(wěn)定桿剛度計(jì)算公式，分別計(jì)算不同穩(wěn)定桿搖臂長(zhǎng)度的側(cè)傾剛度，得出后穩(wěn)定桿搖臂長(zhǎng)度與穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表3所示。

后懸側(cè)傾角剛度為：

式中：Y為連桿角度；tR為后輪輪距；KWR為后懸架在車輪中心處剛度；KRR為后軸單側(cè)懸架乘適剛度。

表3 不同搖臂長(zhǎng)度下后穩(wěn)定桿參數(shù) （N·m／（°））

根據(jù)以上的理論計(jì)算，確定的后橫向穩(wěn)定桿參數(shù)如表4所示。

表4 后橫向穩(wěn)定桿參數(shù)表

5 減震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布置

為了使車輛輕量化，減震系統(tǒng)采用多連桿獨(dú)立后懸架的形式，減震器選用FOX016型空氣減震器，200 mm的自由伸縮長(zhǎng)度與可調(diào)內(nèi)置氣壓方式改變減震器行程，滿足全地形越野車懸架行程的需求。根據(jù)懸架的跳動(dòng)方向與跳動(dòng)需要達(dá)到的上跳和下跳行程，確定減震器與地面之間的傾斜角度。通過反復(fù)匹配調(diào)試選擇合適的彈簧剛度，使車輛能夠行駛在復(fù)雜地形環(huán)境中。通過整車260 kg的重量和401.7 mm的質(zhì)心高度，計(jì)算出車子在橫向加速度為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度時(shí)下車身的側(cè)傾角為1.86°，為了減小車身的側(cè)傾，初定后懸架的減震器剛度為17.5 N／m。

6 對(duì)懸架主要零件有限元分析

6.1 后立柱

后立柱采用7075 T6鋁合金材料，其材料屬性如表5所示。

表5 7075 T6鋁合金材料屬性表

在260 kg的車從1 m高處騰空飛起落地的過程中，受標(biāo)準(zhǔn)重力加速度作用，且單側(cè)輪胎先著地的受力情況如表6所示。

表6 單側(cè)輪胎先著地的立柱受力情況

車輛以10 m／s的速度通過滾木路段，在0.4 s的時(shí)間內(nèi)速度下降到2 m／s時(shí)縱向、橫向以及側(cè)向的受力如表7所示。

表7 縱向橫向以及側(cè)向立柱受力表

根據(jù)以上參數(shù)，后立柱分析云圖如圖3、圖4所示。

6.2 后輪芯

后輪芯采用45號(hào)鋼材料，其材料屬性如表8所示。

在260 kg的車從1 m高處騰空飛起落地的過程中，受標(biāo)準(zhǔn)重力加速度作用，且單側(cè)輪胎先著地的受力情況如表9所示。

根據(jù)以上參數(shù)，后輪芯應(yīng)力分析云圖如圖5所示。

圖3 后立柱應(yīng)力分析云圖

圖4 后立柱安全系數(shù)分析云圖

表8 45號(hào)鋼材料屬性表

表9 單側(cè)輪胎先著地輪芯受力情況

在對(duì)零部件建模完成后，運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，對(duì)分析結(jié)果顯示的應(yīng)力比較集中的地方進(jìn)行優(yōu)化，減少應(yīng)力集中的同時(shí)保證零件的剛度與強(qiáng)度滿足使用條件；對(duì)應(yīng)力和受力比較小的部位減少加工材料進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在減重的同時(shí)保證安全性，且滿足使用條件，零部件的有效安全系數(shù)都達(dá)到了1.5以上。

圖5 后輪芯應(yīng)力分析云圖

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種全地形越野車多連桿式獨(dú)立后懸架。利用有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的懸架主要零件進(jìn)行了分析，通過分析合理地進(jìn)行減重與加強(qiáng)。由于條件所限，所設(shè)計(jì)的后懸架仍有不足之處，如分析驗(yàn)證不足，沒有進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，這些將在以后的工作中進(jìn)一步研究。