全地形消防車雙橫臂懸架仿真分析與優(yōu)化

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(jì)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(duì)于懸架參數(shù)優(yōu)化的研究，胡艷云[3]等運(yùn)用ADAMS/Car建立某轎車雙橫臂懸架模型，并通過(guò)Insight進(jìn)行靈敏度分析，之后通過(guò)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(duì)電動(dòng)汽車懸架性能的問(wèn)題，利用ADAMS對(duì)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(yùn)用ADAMS/Car建立了某特種車的雙橫臂懸架，并通過(guò)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(duì)其懸架進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)建立的三維模型獲取懸架動(dòng)力學(xué)建模所需硬點(diǎn)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(dòng)仿真試驗(yàn)，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(duì)定位參數(shù)影響較大的懸架硬點(diǎn)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(guò)對(duì)比分析不同懸架的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了全地形消防車懸架的類型為雙橫臂獨(dú)立懸架，根據(jù)懸架設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)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(jiǎn)圖如圖2所示。在圖2中A、B、C點(diǎn)分別為懸架上控制臂前點(diǎn)、后點(diǎn)、外點(diǎn)，D、E、F點(diǎn)分別為懸架下控制臂外點(diǎn)、后點(diǎn)、前點(diǎn)，G為車輪軸線與主銷交點(diǎn)，K是車輪中心點(diǎn)，轉(zhuǎn)向節(jié)臂鉸點(diǎn)為K，轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)是J，H為輪胎與地面的接觸點(diǎn)。

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(jiǎn)圖

1.2 全地形消防車懸架動(dòng)力學(xué)模型建立

通過(guò)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(diǎn)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(yàn)臺(tái)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)裝配后進(jìn)行仿真試驗(yàn)，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(diǎn)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(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

2.1 全地形消防車懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

對(duì)懸架模型進(jìn)行平行跳動(dòng)仿真是模擬車輪在行駛過(guò)程中遇到障礙物或其他讓輪胎產(chǎn)生跳動(dòng)時(shí)懸架運(yùn)動(dòng)的實(shí)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(duì)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(zhǎng)為100，車輪上下跳動(dòng)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(dòng)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(shí)的輕便性以及車輛在直線行駛時(shí)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(shí)為了補(bǔ)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(jì)成當(dāng)雙輪上跳時(shí)減小，下跳時(shí)增加的變化趨勢(shì)。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(dòng)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(dòng)是其變化趨勢(shì)也符合設(shè)計(jì)要求，因此車輪外傾角設(shè)計(jì)符合要求。

主銷后傾角主要對(duì)汽車直線行駛時(shí)的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)向后自動(dòng)回正能力產(chǎn)生影響，過(guò)大的后傾角將造成轉(zhuǎn)向沉重，其值一般不超過(guò)2°～3°[9]，且變化范圍不超過(guò)（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(jì)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(jì)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(jì)角度為4.5°，角度偏小，會(huì)造成低速轉(zhuǎn)向沉重，需要對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化。

車輪前束角在很大程度上對(duì)車輛的操穩(wěn)性和輪胎磨損產(chǎn)生影響，前輪前束不宜過(guò)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(shí)零至正前束，其變化范圍在車輪上下跳動(dòng)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(duì)較小且變化趨勢(shì)符合設(shè)計(jì)要求。

3 全地形消防車懸架模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 全地形消防車懸架模型優(yōu)化

通過(guò)上述分析可知主銷內(nèi)傾設(shè)計(jì)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(guò)改變硬點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位參數(shù)優(yōu)化的，由于懸架設(shè)計(jì)硬點(diǎn)坐標(biāo)很多，考慮全部硬點(diǎn)坐標(biāo)的話將影響優(yōu)化速度，因此需通過(guò)ADAMS/insight軟件對(duì)硬點(diǎn)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(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)（uca_out_x，uca_out_y，uca_out_z），下控制臂外點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)（lca_out_x，lca_out_y，lca_out_z），上控制臂前后點(diǎn)的z坐標(biāo)（uca_front_z，uca_rear_z），下控制臂前后點(diǎn)的z坐標(biāo)（lca_front_z，lca_rear_z）共計(jì)10個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行靈敏度分析。靈敏度分析結(jié)果如圖5所示。

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

圖5 各坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)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(duì)硬點(diǎn)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(dòng)仿真，將優(yōu)化后的結(jié)果與優(yōu)化前結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(duì)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(jì)要求的合理變化范圍，同時(shí)變化量相對(duì)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(yǔ)

1）通過(guò)設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行平行輪跳動(dòng)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)虛擬仿真試驗(yàn)可以減少試驗(yàn)成本以及研發(fā)周期；

2）利用ADAMS/Insight對(duì)懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行靈敏度分析，篩選出對(duì)優(yōu)化目標(biāo)影響較大的坐標(biāo)參數(shù)，減少了設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)化優(yōu)化過(guò)程；

3）通過(guò)對(duì)主銷內(nèi)傾角的優(yōu)化，使其達(dá)到了合理變化范圍，同時(shí)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)。