巴興強(qiáng) 糟文博

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (陜西重型汽車有限公司)

林區(qū)道路建設(shè)是實(shí)現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)條件，是促進(jìn)林業(yè)增效、增收的有效途徑，是森林經(jīng)營(yíng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著我國(guó)林區(qū)公路事業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)林區(qū)筑路施工車輛的性能要求越來(lái)越高，林區(qū)筑路施工車輛正朝著大功率、高速、輕量化、安全、舒適的方向發(fā)展［1］。

懸架是車輛的重要組成部分，其對(duì)整車的操縱穩(wěn)定性、平順性以及駕駛員乘坐舒適性有很大的影響。車輛懸架最主要的功能是傳遞作用在車輪和車架(或車身)之間的一切力和力矩，并緩和汽車駛過(guò)不平路面時(shí)所產(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，以保證車輛的行駛平順性［2］。因此，注重開(kāi)展林區(qū)筑路施工車輛懸架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究十分必要。

筆者利用機(jī)械系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，針對(duì)國(guó)產(chǎn)某筑路施工自卸車輛懸架(鋼板彈簧懸架)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真、試驗(yàn)分析及優(yōu)化，研究該筑路施工車輛懸架的系統(tǒng)幾何參數(shù)變化對(duì)車輛行駛平順性及操縱穩(wěn)定性的影響，揭示該林區(qū)筑路施工車輛懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，改善懸架的運(yùn)動(dòng)特性，提高懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精度與效率。

1 車輛懸架系統(tǒng)建模

1.1 車輛懸架系統(tǒng)參數(shù)

本研究中整車的相關(guān)特征參數(shù)均參照國(guó)產(chǎn)某重汽有限公司生產(chǎn)的ZZ3251系列自卸車。其主要參數(shù)如下：外形尺寸為8 400 mm(長(zhǎng))×2 490 mm(寬)×3 250 mm(高)，軸距為(3 750+1 350)mm，前輪距為1 995 mm，后輪距均為1 820 mm，整備質(zhì)量11 920 kg，前軸軸荷8 000 kg，中后軸軸荷均為18 000 kg，整車最大功率221 kg，扭矩1 500 N·m，滾動(dòng)半徑0.507 m。

1.2 前懸架建模與仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立

打開(kāi)Adams-Car MD 2010，選擇 file下的 open命令按鈕，選擇Assembly。單擊右鍵選擇Browse，接著選擇 MSC.Software/MD_Adams/2010/atrcck/shared_truck_database.cdb/assemblies.tbl/msc_susp_front_leafs.asy，系統(tǒng)彈出消息窗口。

當(dāng)Message Window提示Suspension assembly ready時(shí)，表示track里面的asy文件已被讀取。單擊close，就會(huì)顯示前懸架模型，此懸架模型中包括了輪胎和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等。如圖1所示。

1.3 后懸架建模與整車模型

與車輛前懸架一樣，后懸架也是鋼板彈簧懸架。簡(jiǎn)化后的后懸架虛擬樣機(jī)模型如圖2所示，整車模型如圖3所示。

圖1 前懸架模型

圖2 后懸架模型

圖3 整車模型

2 車輛懸架系統(tǒng)仿真試驗(yàn)與分析

為了保證林區(qū)筑路施工車輛正常直線行駛，車輛轉(zhuǎn)向輪均設(shè)計(jì)成具有自動(dòng)回正功能。這種自動(dòng)回正功能是由車輛轉(zhuǎn)向輪及其定位參數(shù)來(lái)保證的，也就是車輛轉(zhuǎn)向輪、主銷和軸之間在裝配時(shí)應(yīng)該具有一定的相對(duì)位置［3］。具體體現(xiàn)在車輛轉(zhuǎn)向輪主銷以及它的安裝相對(duì)位置上，即車輛前輪定位。前輪定位參數(shù)主要包括主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、前輪外傾角和前輪前束角等［4］。合理的車輛前輪定位參數(shù)值是避免輪胎過(guò)度磨損的重要保證。

在機(jī)械系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS/Car中打開(kāi)車輛前懸架模型，選擇仿真命令Simulate/Suspension Analysis/Parallel Wheel Travel，設(shè)置車輪跳動(dòng)量為-100～100 mm，可進(jìn)行車輛懸架系統(tǒng)雙輪同向跳動(dòng)虛擬仿真試驗(yàn)與分析［5］。

2.1 前輪外傾角

在車輛的橫向垂直平面內(nèi)，前輪中心平面向外傾斜一個(gè)角度，稱為前輪外傾角。車輛直線行駛時(shí)，由路面不平引起的車輪跳動(dòng)應(yīng)在一定的誤差范圍內(nèi)［6］，正是由于前輪外傾角的存在，前輪能夠自動(dòng)回位到中間向前的方向位置。通常在車輛設(shè)計(jì)時(shí)，車輛外傾角的變化范圍應(yīng)盡量小于-1°～1°。圖4是該筑路施工車輛懸架系統(tǒng)模型前輪外傾角隨車輪上下跳動(dòng)的變化曲線。由圖4可知，該車輛懸架總成的前輪外傾角的變化范圍在0.909 8°～1.014 7°，變化范圍較小，基本符合設(shè)計(jì)要求，能夠起到降低車輛輪胎磨損，增加輪胎壽命的作用，有利于車輛操縱穩(wěn)定性和車輛行駛平順性的提升。

圖4 前車輪外傾角隨車輪跳動(dòng)變化曲線

2.2 主銷內(nèi)傾角

在車輛的橫向垂直平面內(nèi)，主銷軸線與垂線之間的夾角稱為主銷內(nèi)傾角。車輪繞主銷偏轉(zhuǎn)的過(guò)程中，輪胎與路面間將會(huì)有較大的滑動(dòng)，因此會(huì)增加輪胎與路面間的摩擦阻力，這不僅會(huì)使車輛轉(zhuǎn)向變得沉重，而且還會(huì)加速輪胎的磨損，進(jìn)而容易引發(fā)交通事故，降低車輛行駛安全性。通常在車輛設(shè)計(jì)時(shí)，主銷內(nèi)傾角應(yīng)不大8°，一般要求載貨車輛主銷內(nèi)傾角在6°～8°。圖5是該筑路施工車輛懸架系統(tǒng)模型主銷內(nèi)傾角隨車輪上下跳動(dòng)的變化曲線。可知，該筑路施工車輛懸架系統(tǒng)的主銷內(nèi)傾角變化范圍在4.675 6°～4.696 5°，不符合車輛懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)允許變化范圍要求，需要進(jìn)一步改進(jìn)、優(yōu)化。

2.3 主銷后傾角

在車輛的側(cè)向垂直平面內(nèi)，主銷軸線從垂直方向向后或向前傾斜的角度稱為主銷后傾角。通常通過(guò)車輛的行駛狀況確定主銷后傾角的大小，一般要求主銷后傾角在-1°～4°［6］。圖6是該筑路施工車輛懸架系統(tǒng)模型主銷后傾角隨車輪上下跳動(dòng)的變化曲線。可知，該筑路施工車輛懸架系統(tǒng)的主銷后傾角的變化范圍在0.813°～3.445°，在允許變化范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動(dòng)變化曲線

圖6 主銷后傾角隨車輪跳動(dòng)變化曲線

2.4 前輪前束角

從車輛上方向下俯看輪胎時(shí)，左右兩個(gè)輪胎的中心線所構(gòu)成的夾角為前輪前束角。前輪前束角主要為消除車輪外傾角帶來(lái)的不良影響，它可使車輪在每一瞬時(shí)滾動(dòng)方向都接近于向著正前方，從而在很大程度上降低由于車輪外傾而產(chǎn)生的不良后果。前輪前束一般通過(guò)改變橫拉桿的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整。通常在車輛設(shè)計(jì)時(shí)，希望前束不變或變化較小，一般前束角在-2°～2°［7］。圖7是該筑路施工車輛懸架系統(tǒng)模型前輪前束角隨車輪上下跳動(dòng)的變化曲線。由圖7可知，該筑路施工車輛前輪前束角隨車輪上下跳動(dòng)的變化范圍在-0.191 9°～2.059 9°，變化范圍較小，基本符合設(shè)計(jì)要求。

3 懸架系統(tǒng)仿真試驗(yàn)及優(yōu)化

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

在重型卡車懸架系統(tǒng)分析、研究過(guò)程中，主銷偏距也是非常重要的參數(shù)之一。主銷偏距即是主銷與地面的交點(diǎn)到輪胎接地中心的距離。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，其轉(zhuǎn)向車輪是圍繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)的，地面對(duì)轉(zhuǎn)向輪的阻力力矩，與主銷偏距的大小成正比。主銷偏距越小，轉(zhuǎn)向阻力矩也越小，所以，一般希望主銷偏距小一些，以減小轉(zhuǎn)向操縱力以及地面對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖擊［8］。本研究以主銷偏距為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)改變?cè)撝肥┕ぼ囕v懸架系統(tǒng)車輪定位參數(shù)來(lái)謀求最優(yōu)解。在對(duì)該筑路施工車輛懸架系統(tǒng)進(jìn)行雙輪同向跳動(dòng)仿真試驗(yàn)時(shí)，選取車輪上、下跳動(dòng)量各為100 mm。利用Adams/Insight對(duì)車輛懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，力求減少主銷偏距。通過(guò)虛擬仿真試驗(yàn)，比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)林區(qū)筑路施工車輛懸架在各種工況下的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果提供專業(yè)化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖7 前輪前束角隨車輪跳動(dòng)變化曲線

設(shè)車輛車輪主銷偏距為目標(biāo)函數(shù)，輸入如下前輪定位參數(shù)：前輪外傾角1°、主銷內(nèi)傾角4.696 5°、主銷后傾角 2.0°、前輪前束角 0.53°。

影響車輛主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的主要因素是主銷x、y的坐標(biāo)值。現(xiàn)將主銷下點(diǎn)固定不動(dòng)，通過(guò)主銷上點(diǎn)的坐標(biāo)調(diào)整來(lái)改變主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角值。由于左、右車輪主銷上點(diǎn)的x坐標(biāo)值是對(duì)稱的，其絕對(duì)值及變化范圍相同，可將左、右車輪合并為一個(gè)因素來(lái)考慮。另外兩個(gè)設(shè)計(jì)因素是車輪外傾角和前輪前束角。根據(jù)前輪定位參數(shù)來(lái)確定各設(shè)計(jì)變量范圍，如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)變量設(shè)定范圍

3.2 仿真試驗(yàn)及優(yōu)化

確定優(yōu)化設(shè)計(jì)因素及目標(biāo)函數(shù)后，即可利用Adams/Insight模塊進(jìn)行車輛仿真試驗(yàn)。在針對(duì)林區(qū)筑路施工車輛懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，選擇線性模型創(chuàng)建的Work Space進(jìn)行仿真，得到迭代后的系統(tǒng)工作空間矩陣。如表2所示，它包括8個(gè)未知數(shù)，故需總共進(jìn)行8次試驗(yàn)。

車輛左、右車輪主銷偏距隨試驗(yàn)次數(shù)變化曲線如圖8和圖9所示，模型擬合精度評(píng)價(jià)分析如圖10所示。

表2 迭代后的系統(tǒng)工作空間

圖8 左側(cè)車輪主銷偏距隨試驗(yàn)次數(shù)變化曲線

圖9 右側(cè)車輪主銷偏距隨試驗(yàn)次數(shù)變化曲線

圖10 優(yōu)化前后主銷偏置距隨車輪跳動(dòng)變化對(duì)比

3.3 仿真試驗(yàn)的擬合精度

應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，進(jìn)行車輛虛擬仿真試驗(yàn)分析，已成為車輛懸架系統(tǒng)分析的有力工具，它已被廣泛地應(yīng)用于車輛性能評(píng)估、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。復(fù)雜系統(tǒng)(特別是高分辨率的)仿真一般需要較大的計(jì)算量，仿真數(shù)據(jù)的產(chǎn)生代價(jià)很高?；诜抡嬖囼?yàn)數(shù)據(jù)擬合的方法能有效利用仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，支持復(fù)雜系統(tǒng)分析以及仿真應(yīng)用，它已成為近年來(lái)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域新興的一個(gè)熱點(diǎn)［9］。

從表3可以看出，R2為擬合優(yōu)度，它指樣本回歸直線與樣本觀測(cè)值之間的擬合程度，也稱作判定系數(shù)。R2須介于0～1之間，越大越好，通常應(yīng)R2＞0.9。

R/V表明模型的計(jì)算值和原始數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的關(guān)系，當(dāng)其R/V＞10時(shí)，表示較好地完成了模型的預(yù)期，該值R/V＜4時(shí)，情況剛好相反。

鑒于以上準(zhǔn)則，從圖10中可以觀察到本次擬合結(jié)果：R2=1;=1;R/V=9.09e+008。可見(jiàn)，擬合效果良好。

從表4可以看出，曲線擬合后，可根據(jù)曲線獲得各設(shè)計(jì)函數(shù)最優(yōu)解，即當(dāng)目標(biāo)值(車輪主銷偏距)最小時(shí)，可確定各設(shè)計(jì)因素的值，即主銷上點(diǎn)y軸的坐標(biāo)為-820 mm，前輪外傾角為1°，前輪前束角為0.33°。

表3 擬合精度

表4 設(shè)計(jì)函數(shù)最優(yōu)解

從圖10優(yōu)化前后主銷偏置距對(duì)比中可以看出，主銷偏置距從優(yōu)化前(實(shí)線)的118.99 mm降到了優(yōu)化后(虛線)的83.69 mm，主銷偏置距的減小值為35.3 mm，優(yōu)化效果令人滿意。

4 結(jié)論

優(yōu)化前主銷偏置距為118.99 mm，優(yōu)化之后主銷偏置距為83.69 mm，較優(yōu)化前減小了35.3 mm，優(yōu)化效果明顯。有效地減小車輛的轉(zhuǎn)向阻力矩及路面對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖擊，減少輪胎的磨損，提高懸架及整車性能。

優(yōu)化前前輪前束角為 0.53°，優(yōu)化后為 0.33°，更加接近理想值，從而能保證車輪與路面之間的運(yùn)動(dòng)為純滾動(dòng)，確保車輛輪胎內(nèi)、外偏磨的現(xiàn)象減小。

主銷上點(diǎn)y軸的坐標(biāo)為優(yōu)化前為-835 mm，優(yōu)化后為-820mm，相應(yīng)的主銷內(nèi)傾角由優(yōu)化前的4.695°變?yōu)閮?yōu)化后的 7.52°。優(yōu)化前主銷內(nèi)傾角不在理想值6°～8°范圍內(nèi)，優(yōu)化后主銷內(nèi)傾角落在最優(yōu)區(qū)間內(nèi)，可使車輪在受外力而偏離直線行駛時(shí)，前輪自動(dòng)回正;減少車輛前輪傳至轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上的沖擊，使轉(zhuǎn)向更輕便。

通過(guò)對(duì)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得擬合優(yōu)度R2=1;校正判定系數(shù)=1;模型計(jì)算值和原始數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的關(guān)系 R/V=9.09×108，可見(jiàn)，擬合效果良好。

［1］巴興強(qiáng)，于建國(guó).林火巡護(hù)與撲救車輛懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性仿真及優(yōu)化［J］.林業(yè)科技，2009，34(2)：31-34.

［2］臧杰，閻巖.汽車構(gòu)造：下冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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