全地形消防車雙橫臂懸架仿真分析與優化

魏 娟，王志雷，竇登科，楊廣元

（西安科技大學，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，能適應各種復雜地形，在農林、牧業、石油、電力、礦山、消防等眾多領域都能發揮十分重要作用[1,2]。雙橫臂懸架是全地形消防車的重要組成部分，影響著整車操縱穩定性以及安全性，懸架結構設計合理與否將直接影響前輪定位參數的變化，從而影響全地形消防車的性能。

對于懸架參數優化的研究，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進行靈敏度分析，之后通過混合多目標算法進行優化。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進行分析，完成懸架結構的多目標優化。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面法聯合MATLAB進行優化求解。

本文根據某公司生產的全地形消防車，對其懸架進行設計，并通過建立的三維模型獲取懸架動力學建模所需硬點坐標，在ADAMS/car中建立懸架參數化模型，并進行車輪平行跳動仿真試驗，之后根據獲得的定位參數隨輪跳變化曲線圖，找出變化不合理的參數，利用ADAMS/Insight優化對定位參數影響較大的懸架硬點坐標，使優化后的懸架定位參數在合理范圍內變化，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，根據懸架設計理論以及整車參數完成了懸架彈性元件、阻尼元件及導向機構的設計計算，建立了全地形消防車雙橫臂懸架三維模型，如圖1所示。其結構簡圖如圖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，轉向節臂鉸點為K，轉向梯形斷開點是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 雙橫臂懸架結構簡圖

1.2 全地形消防車懸架動力學模型建立

通過所建立的三維模型獲取懸架參數化模型所需的關鍵硬點坐標，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，之后在標準模式下調用之前所建立的模板創建懸架模型，并與試驗臺和轉向機構裝配后進行仿真試驗，ADAMS/Car標準模式中建立的裝配模型如圖3所示。

表1 左側懸架硬點坐標（mm）

表1（續）

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仿真分析

2.1 全地形消防車懸架運動學仿真

對懸架模型進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生跳動時懸架運動的實際工況[7]，在仿真結果的基礎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行靜載平衡的調整，目的是為了得到更為準確的仿真模型。調整后仿真工況設置步長為100，車輪上下跳動范圍為-50mm～50mm，仿真結束后各參數隨輪跳行程變化范圍如圖4所示。

圖4 定位參數隨輪胎跳動量變化曲線

2.2 仿真結果分析

車輪外傾角影響轉向時的輕便性以及車輛在直線行駛時的穩定性，而且合適的外傾角能夠減小輪胎磨損程度以及均勻度，同時為了補償側偏角傳遞側向力的能力，一般將車輪外傾角設計成當雙輪上跳時減小，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，在車輪跳動行程內外傾角變化范圍為-1.58°～0.32°，其變化值在理想變化范圍內，并且在上下跳動是其變化趨勢也符合設計要求，因此車輪外傾角設計符合要求。

主銷后傾角主要對汽車直線行駛時的穩定性及轉向后自動回正能力產生影響，過大的后傾角將造成轉向沉重，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范圍內主銷后傾角在0.9°～3.4°范圍內變化，基本符合設計要求。

主銷內傾角是為了保證低速行駛轉向的回正作用，使得低速轉向輕便，其合理的變化范圍為5°～15°[10]，設計初始值范圍一般為6°～9°。由圖4(c)可知，主銷內傾角在3.8°～5.7°范圍內變化，初始設計角度為4.5°，角度偏小，會造成低速轉向沉重，需要對其進一步優化。

車輪前束角在很大程度上對車輛的操穩性和輪胎磨損產生影響，前輪前束不宜過大，其變化規律應滿足前輪上跳為零至負前束，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計要求。

3 全地形消防車懸架模型優化設計

3.1 全地形消防車懸架模型優化

通過上述分析可知主銷內傾設計角度偏小，需要進一步優化，因此確定優化目標為主銷內傾角。在ADAMS/Car中是通過改變硬點坐標來實現定位參數優化的，由于懸架設計硬點坐標很多，考慮全部硬點坐標的話將影響優化速度，因此需通過ADAMS/insight軟件對硬點坐標進行靈敏度分析，根據影響程度，選取關鍵影響因子。本次選取上控制臂外點的x、y、z坐標（uca_out_x，uca_out_y，uca_out_z），下控制臂外點的x、y、z坐標（lca_out_x，lca_out_y，lca_out_z），上控制臂前后點的z坐標（uca_front_z，uca_rear_z），下控制臂前后點的z坐標（lca_front_z，lca_rear_z）共計10個坐標點進行靈敏度分析。靈敏度分析結果如圖5所示。

對實驗變量采用DOE Screening（2水平）線性部分因子設計，通過128次迭代，完成優化分析。查看擬合程度各項指標情況，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（uca_out_y，uca_out_z），下控制臂外點y，z坐標（lca_out_y，lca_out_z）這四點坐標對主銷內傾角影響最大，對其進行優化。優化前后硬點坐標值如表2所示。

圖5 各坐標點對主銷內傾角目標函數的影響

表2 懸架優化前后坐標值（mm）

3.2 全地形消防車懸架優化結果分析

對硬點坐標進行優化后，在原模型基礎上進行修改，修改后再次進行車輪平行輪跳動仿真，將優化后的結果與優化前結果進行對比分析，優化后的定位參數隨車輪變化曲線如圖6所示。

圖6 優化前后主銷內傾角在輪跳行程內變化對比曲線

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

4 結語

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

2）利用ADAMS/Insight對懸架硬點坐標進行靈敏度分析，篩選出對優化目標影響較大的坐標參數，減少了設計變量個數，簡化優化過程；

3）通過對主銷內傾角的優化，使其達到了合理變化范圍，同時其他的定位參數也得到了相應的改善，提升了全地形消防車懸架的性能，為后續研究奠定基礎。