4×4轮式车可升降独立悬架的方案设计和建模仿真

4×4轮式车可升降独立悬架的方案设计和建模仿真邢俊文贾小平北京装甲兵工程学院装甲车辆室摘要：本文对4×4的轮式车的可升降独立悬架进行了方案选择与具体设计；前悬架采用双横臂式扭杆弹簧带摩擦减振器的可提升悬架，后悬架采用肘内传动式单纵臂导向机构的可提升悬架；并在此基础上用ADAMS软件建立了整车三维实体参数化模型，在该模型下对方案进行了动态仿真研究。最终确定出该悬架方案形式是一种可行方案。在方案验证时，本文采用了虚拟样机设计技术和动态仿真研究手段，利用轮式整车模型，在ADAMS/View环境下，以操纵稳定性分析为重点，进行了车轮提升、通过性、稳态转向特性、瞬态横摆响应以及回正能力等的仿真分析；同时，建立了八级路面谱的生成模块，在通过性仿真中建立了斜坡路和梯形路障的路面模型。关键词：轮式车独立悬架升降方案设计仿真1前言采用可升降的独立悬架结构形式可有效提高轮式车辆的越野及通过性能。特别是军用和两栖车辆。本文以4×4的轮式车为对象，对可升降独立悬架进行了方案选择与具体设计，并利用ADAMS软件进行了建模和仿真。2可升降独立悬架的方案设计依据轮式车的设计原则和设计指标，参照汉马车的底盘型式采用可升降式滑行车体。车重以5吨为例进行分析研究。其中，发动机采用前纵置后驱动的短轴四轮驱动，这种布置可便于悬架系统的设计和布置；并采用主副式车架结构，副车架随悬架结构而进行具体设计。转向系采用断开式梯形机构，同时要满足车轮提升的需要。依据各类汽车轴距值的选用范围和车辆设计要求选取轴距L为3300mm;轮距B为1800mm。外廓尺寸以不超出设计指标为前提，不作具体的定义。由于作通用型底盘，通过定义质心位置和转动惯量进行分析。轮胎的型号选取10.00R20规格的无内胎防弹安全轮胎。本文仅对具有总质量的轮式车进行分析。轴荷分配空载取各占50%，质心在两轴中心处，并位于纵向中心线上。满载时前轮占48%，后轮占52%。性能参数主要对轮式车的操纵稳定性、平顺性、通过性进行研究。对于越野车辆，因为独立悬架能保持车轮与不平路面的接地性和提高离地间隙，从而提高了通过性。因此，轮式车的前、后悬架均采用独立悬架。综合考虑各种独立悬架形式及特点并参考现有车型和车轮提升的要求认为：前悬架采用双横臂式扭杆弹簧独立悬架具有良好的操纵稳定性，便于转向机构、提升结构、前横向稳定杆的布置，技术成熟可靠。后悬架采用单纵臂式并具有肘内传动的独立悬架，它便于车轮提升，免除了使用万向节的弊端。最终确定轮式车的前悬架为上、下臂不等长的双横臂式独立悬架，并采用扭杆弹簧和盘式摩擦减振器；后悬架为单纵臂式并具有肘内传动的独立悬架，采用螺旋弹簧内套双向作用的筒式减振器。经过参考和比较，并根据轮式车的实际结构，初步确定了前轮定位参数以及导向机构的几何参数。并采用断开式转向梯形机构。后悬架肘内传动采用两组锥齿轮传动，为使摆臂上下摆动不影响动力轴的转速，取各齿轮的齿数相等。后悬架考虑车轮提升和车轮行程的需要，初步确定了其结构参数。为了保证汽车有不足转向趋势，经校核前悬架必须设计横向稳定杆。3建立悬架的整车参数化模型本文利用ADAMS／View的建模功能(零件库、约束库和力库)直接进行交互式图形建模,这种方法建立的模型虽然无法追求每个物体的真实外形，但是它们的特征点、质心位置、转动惯量等要素均可以在模型上体现出来，不影响运动学和动力学分析的准确性，并且运算速度快；另外，由于ADAMS软件强大的建模功能，很容易建立参数化系统模型，便于优化设计。图1可提升悬架的整车参数化模型前悬架为双横臂式可提升独立悬架，转向型式为断开式前置转向梯形机构；另外，本模型考虑进一步的分析，编制了前悬架参数修改对话框。同时取原始参数值，对悬架的运动学进行了仿真分析。其中，左车轮转向节上绕主销轴线的回转力驱动的作为转向输入角，右车轮转角（VARVAL(.model_1.STATE_VARIABLE_zzxj)）由函数关系确定。而状态函数（.model_1.STATE_VARIABLE_zzxj）是左车轮转向输入角（.model_1.zzxj_MEA_bz）的时间函数。即：.model_1.STATE_VARIABLE_zzxj=-(ATAN((sin(.model_1.zzxj_MEA_bz×PI/180))/(cos(.model_1.zzxj_MEA_bz×PI/180)-sin(.model_1.zzxj_MEA_bz×PI/180)×1600/3300)))（3-1）图2修改前后悬架参数对话框后悬架为具有肘内传动的单纵臂式独立悬架，后轮采用单纵臂式机构其定位参数在车轮跳动时不变。后悬架模型也进行了参数化。它包括十四个变量参数，根据需要还可对模型作进一步的参数化。本模型为仿真分析的需要，编制了后悬架参数修改对话框。根据实际情况，本文选用UA轮胎模型，模型所需的轮胎特性参数选取见表3-1(满载工况，胎压6.7MPa，载荷1600kg)。表3-1轮胎(10.00R20子午线轮胎)特性参数表模型类型Model自由半径R1(mm)胎冠半径R2(mm)径向刚度Cz(N／mm)Analytical508127941纵向滑移刚度Cs(N/rad)侧偏刚度Ca(N/rad)外倾刚度Cγ(N/rad)滚动阻力矩系数Crr(mm)108000165600144000．02径向相对阻尼系数ζ静摩擦系数Uo动摩擦系数U0.750.940.74轮式车的整车多刚体系统模型，是在前悬架模型、后悬架模型的基础上建立的。它引入了ADAMS中的轮胎模型，加入了地面谱，去除了与车轮连接的支承台，并把车身从大地中分离出来。如图1所示，取原始参数值，提升轮加驱动，转向节上绕主销轴线的回转力驱动为零，即前轮转角为零，单侧车轮上、下跳动100mm过程中，对悬架的运动学仿真分析结果如下：图3前轮定位参数随车轮跳动的变化曲线图4前轮接地点侧向滑移随车轮跳动的变化曲线其中，前、后悬架模型经测试成功，可以进行运动学仿真分析及优化设计；整车模型为14个自由度，用于进行整车动力学的仿真分析及优化设计。4仿真验证由于车轮提升的需要，对悬架结构，特别是导向机构进行了较大的改变；再加上肘内传动对车辆振动的影响。因此，操纵稳定性和平顺性成为该车的主要分析对象。本文利用建立的14自由度整车参数化模型，进行了汽车稳态转向特性、瞬态横摆响应以及回正能力的仿真分析，并且根据实际情况对这些参数进行优化，以使整车具有满意的操纵稳定性。在本文对该车模型的车轮提升、肘内传动轴对车体振动的影响以及通过性进行了仿真分析。图5车轮提升后姿态图图6原始参数下等速圆周运动和连续加速实验的车辆质心运动轨迹图图7原始参数下稳态响应的转向半径比值R／R0随ay变化曲线图8车辆瞬态横摆角速度、侧向加速度响应曲线图9车辆回正能力的质心仿真轨迹图10生成单侧或双侧八级路面空间曲线对话框图11车辆上斜坡和过梯形障碍的仿真试验为仿真需要，编制了可生成单侧或双侧八级路面空间曲线的路面谱对话框。车轮采用实体模型，由车轮上外廓圆弧与路面谱曲线建立碰撞力关系，当车辆在路面谱曲线上直线行进时，可测定车体振动的响应。路面模型还可以由轮胎模型的路面文件生成。在仿真时，模型中可直接调用弹性阻尼元件以力的形式产生作用。也可任意修改或设置弹性阻尼元件的特性参数。车体上任一点的振动都可以通过仿真进行测量并以此来评价车辆的平顺性。经过整车的动力学仿真分析，该车悬架的结构参数基本满足设计要求,方案可行.并可作进一步的优化设计。总之，本文进行的轮式车动力学仿真分析是整个车辆系统CAD／CAM中的一个环节，它可以在车辆的设计阶段对车辆的动力学性能进行预测，以提高车辆的设计水平，并且降低试制费用和缩短开发周期，它与其它软件(如Pro／E三维实体建模软件、MALAB、ANSYS有限元分析软件等)组合使用，可以构成—个有机的软件开发环境，进一步提高我国车辆工业的设计开发能力。Abstract:Thispaperintroducestheprojectselectionandconcretedesignforunaidedliftsuspensionof4´4wheeledvehicle.Itadoptstheliftsuspensionofdouble-wishbonetorsionspringaxeswithfrictiontrayabsorberasitsfrontsuspensionsystem,andtherearsuspensionsystemistheliftsuspensionofguidedrivewithsingle-longitudinalaxesinsideelbow.Onthebaseofthisdesignmentioned,acompletevehicle3-DphysicalparameterizationmodelhasbeenbuiltbymakinguseofmechanicalsystemsimulationsoftwareADAMS.Throughdynamicsimulationtest,theprojectdesignofthissuspensionisconsidereddoable.Inthecourseofsimulationtest,thevirtualprototypedesigningtechniqueandtheartificeofdynamicsimulationareadopted.Takingtheoperationstabilityanalysisastheemphasis,thesimulation-analyzingtestforwheellifting,trafficability,steadystatesteering,transientstatetransverseswingingresponseanddirectionrestoringabilityetc.,undertheconditionofADAMS/View,isconducted.Meanwhileagenerativemodelwith8-graderoadconditionisbuilt,andaroadmodelwithslopeandladder-shapedobstacleisalsobuiltinthesimulationoftrafficability.Keywords:WheeledVehicleUnaidedSuspensionLiftProjectDesignSimulation