魏 娟，王志雷，竇登科，楊廣元

（西安科技大學(xué)，西安 710000）

0 引言

全地形車（UTV）是一種新型多功能非上路車輛，體型較小而且靈活，能適應(yīng)各種復(fù)雜地形，在農(nóng)林、牧業(yè)、石油、電力、礦山、消防等眾多領(lǐng)域都能發(fā)揮十分重要作用[1,2]。雙橫臂懸架是全地形消防車的重要組成部分，影響著整車操縱穩(wěn)定性以及安全性，懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計合理與否將直接影響前輪定位參數(shù)的變化，從而影響全地形消防車的性能。

對于懸架參數(shù)優(yōu)化的研究，胡艷云[3]等運用ADAMS/Car建立某轎車雙橫臂懸架模型，并通過Insight進(jìn)行靈敏度分析，之后通過混合多目標(biāo)算法進(jìn)行優(yōu)化。樊智敏[4]，黃文濤[5]等針對電動汽車懸架性能的問題，利用ADAMS對懸架車輪定位參數(shù)進(jìn)行分析，完成懸架結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化。鈕彥磊[6]等運用ADAMS/Car建立了某特種車的雙橫臂懸架，并通過靈敏度分析及響應(yīng)面法聯(lián)合MATLAB進(jìn)行優(yōu)化求解。

本文根據(jù)某公司生產(chǎn)的全地形消防車，對其懸架進(jìn)行設(shè)計，并通過建立的三維模型獲取懸架動力學(xué)建模所需硬點坐標(biāo)，在ADAMS/car中建立懸架參數(shù)化模型，并進(jìn)行車輪平行跳動仿真試驗，之后根據(jù)獲得的定位參數(shù)隨輪跳變化曲線圖，找出變化不合理的參數(shù)，利用ADAMS/Insight優(yōu)化對定位參數(shù)影響較大的懸架硬點坐標(biāo)，使優(yōu)化后的懸架定位參數(shù)在合理范圍內(nèi)變化，提高全地形消防車懸架性能。

1 全地形消防車懸架模型的建立

1.1 全地形消防車懸架模型分析

通過對比分析不同懸架的優(yōu)缺點，確定了全地形消防車懸架的類型為雙橫臂獨立懸架，根據(jù)懸架設(shè)計理論以及整車參數(shù)完成了懸架彈性元件、阻尼元件及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算，建立了全地形消防車雙橫臂懸架三維模型，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。在圖2中A、B、C點分別為懸架上控制臂前點、后點、外點，D、E、F點分別為懸架下控制臂外點、后點、前點，G為車輪軸線與主銷交點，K是車輪中心點，轉(zhuǎn)向節(jié)臂鉸點為K，轉(zhuǎn)向梯形斷開點是J，H為輪胎與地面的接觸點。

圖1 全地形消防車懸架三維模型

圖2 雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 全地形消防車懸架動力學(xué)模型建立

通過所建立的三維模型獲取懸架參數(shù)化模型所需的關(guān)鍵硬點坐標(biāo)，如表1所示。在ADAMS/Car軟件中的Template Builder模式下建立全地形消防車懸架模板模型，之后在標(biāo)準(zhǔn)模式下調(diào)用之前所建立的模板創(chuàng)建懸架模型，并與試驗臺和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)裝配后進(jìn)行仿真試驗，ADAMS/Car標(biāo)準(zhǔn)模式中建立的裝配模型如圖3所示。

表1 左側(cè)懸架硬點坐標(biāo)（mm）

表1（續(xù)）

圖3 全地形消防車雙橫臂懸架模型

2 全地形消防車懸架運動學(xué)仿真分析

2.1 全地形消防車懸架運動學(xué)仿真

對懸架模型進(jìn)行平行跳動仿真是模擬車輪在行駛過程中遇到障礙物或其他讓輪胎產(chǎn)生跳動時懸架運動的實際工況[7]，在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上綜合分析這些工況下懸架特性。在車輪平跳仿真之前需要對仿真模型進(jìn)行靜載平衡的調(diào)整，目的是為了得到更為準(zhǔn)確的仿真模型。調(diào)整后仿真工況設(shè)置步長為100，車輪上下跳動范圍為-50mm～50mm，仿真結(jié)束后各參數(shù)隨輪跳行程變化范圍如圖4所示。

圖4 定位參數(shù)隨輪胎跳動量變化曲線

2.2 仿真結(jié)果分析

車輪外傾角影響轉(zhuǎn)向時的輕便性以及車輛在直線行駛時的穩(wěn)定性，而且合適的外傾角能夠減小輪胎磨損程度以及均勻度，同時為了補償側(cè)偏角傳遞側(cè)向力的能力，一般將車輪外傾角設(shè)計成當(dāng)雙輪上跳時減小，下跳時增加的變化趨勢。理想的外傾角變化范圍一般為-2°～2°[8]。在圖4(a)中，在車輪跳動行程內(nèi)外傾角變化范圍為-1.58°～0.32°，其變化值在理想變化范圍內(nèi)，并且在上下跳動是其變化趨勢也符合設(shè)計要求，因此車輪外傾角設(shè)計符合要求。

主銷后傾角主要對汽車直線行駛時的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)向后自動回正能力產(chǎn)生影響，過大的后傾角將造成轉(zhuǎn)向沉重，其值一般不超過2°～3°[9]，且變化范圍不超過（0.8°～3.4°）/50mm。在圖4(b)中，在輪跳上下行程-50～50mm范圍內(nèi)主銷后傾角在0.9°～3.4°范圍內(nèi)變化，基本符合設(shè)計要求。

主銷內(nèi)傾角是為了保證低速行駛轉(zhuǎn)向的回正作用，使得低速轉(zhuǎn)向輕便，其合理的變化范圍為5°～15°[10]，設(shè)計初始值范圍一般為6°～9°。由圖4(c)可知，主銷內(nèi)傾角在3.8°～5.7°范圍內(nèi)變化，初始設(shè)計角度為4.5°，角度偏小，會造成低速轉(zhuǎn)向沉重，需要對其進(jìn)一步優(yōu)化。

車輪前束角在很大程度上對車輛的操穩(wěn)性和輪胎磨損產(chǎn)生影響，前輪前束不宜過大，其變化規(guī)律應(yīng)滿足前輪上跳為零至負(fù)前束，下跳時零至正前束，其變化范圍在車輪上下跳動50mm范圍內(nèi)為±1°[11,12]由圖4(d)可知，前束角變化值范圍為-0.22°～0.67°，變化范圍相對較小且變化趨勢符合設(shè)計要求。

3 全地形消防車懸架模型優(yōu)化設(shè)計

3.1 全地形消防車懸架模型優(yōu)化

通過上述分析可知主銷內(nèi)傾設(shè)計角度偏小，需要進(jìn)一步優(yōu)化，因此確定優(yōu)化目標(biāo)為主銷內(nèi)傾角。在ADAMS/Car中是通過改變硬點坐標(biāo)來實現(xiàn)定位參數(shù)優(yōu)化的，由于懸架設(shè)計硬點坐標(biāo)很多，考慮全部硬點坐標(biāo)的話將影響優(yōu)化速度，因此需通過ADAMS/insight軟件對硬點坐標(biāo)進(jìn)行靈敏度分析，根據(jù)影響程度，選取關(guān)鍵影響因子。本次選取上控制臂外點的x、y、z坐標(biāo)（uca_out_x，uca_out_y，uca_out_z），下控制臂外點的x、y、z坐標(biāo)（lca_out_x，lca_out_y，lca_out_z），上控制臂前后點的z坐標(biāo)（uca_front_z，uca_rear_z），下控制臂前后點的z坐標(biāo)（lca_front_z，lca_rear_z）共計10個坐標(biāo)點進(jìn)行靈敏度分析。靈敏度分析結(jié)果如圖5所示。

對實驗變量采用DOE Screening（2水平）線性部分因子設(shè)計，通過128次迭代，完成優(yōu)化分析。查看擬合程度各項指標(biāo)情況，R2=0.999，R2adj=0.997，接近于1，模型可靠度高。通過圖5可知上控制臂外點y，z坐標(biāo)（uca_out_y，uca_out_z），下控制臂外點y，z坐標(biāo)（lca_out_y，lca_out_z）這四點坐標(biāo)對主銷內(nèi)傾角影響最大，對其進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化前后硬點坐標(biāo)值如表2所示。

圖5 各坐標(biāo)點對主銷內(nèi)傾角目標(biāo)函數(shù)的影響

表2 懸架優(yōu)化前后坐標(biāo)值（mm）

3.2 全地形消防車懸架優(yōu)化結(jié)果分析

對硬點坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化后，在原模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，修改后再次進(jìn)行車輪平行輪跳動仿真，將優(yōu)化后的結(jié)果與優(yōu)化前結(jié)果進(jìn)行對比分析，優(yōu)化后的定位參數(shù)隨車輪變化曲線如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后主銷內(nèi)傾角在輪跳行程內(nèi)變化對比曲線

由圖6可知，優(yōu)化后的主銷內(nèi)傾角變化范圍從3.8°～5.7°變化為7.02°～8.23°，達(dá)到了設(shè)計要求的合理變化范圍，同時變化量相對減少了36.3%，達(dá)到了優(yōu)化目的。主銷內(nèi)傾角的增加可提高低速轉(zhuǎn)向能力，使轉(zhuǎn)向更加輕便。

4 結(jié)語

1）通過設(shè)計的全地形消防車懸架三維模型和相應(yīng)參數(shù)，應(yīng)用ADAMS/Car建立了全地形消防車懸架動力學(xué)模型并進(jìn)行平行輪跳動仿真試驗，驗證設(shè)計的合理性。通過虛擬仿真試驗可以減少試驗成本以及研發(fā)周期；

2）利用ADAMS/Insight對懸架硬點坐標(biāo)進(jìn)行靈敏度分析，篩選出對優(yōu)化目標(biāo)影響較大的坐標(biāo)參數(shù)，減少了設(shè)計變量個數(shù)，簡化優(yōu)化過程；

3）通過對主銷內(nèi)傾角的優(yōu)化，使其達(dá)到了合理變化范圍，同時其他的定位參數(shù)也得到了相應(yīng)的改善，提升了全地形消防車懸架的性能，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。