尤海波，沈曉峰（通訊作者），徐偉勝，周 敏

（蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215325）

1 引言

全地形車是一種全新概念的新車型，可以在各種地形下平穩(wěn)行駛。車架是整車平穩(wěn)行駛，達(dá)到安全、可靠和舒適等各個(gè)方面要求的主要設(shè)計(jì)部件。車架的設(shè)計(jì)與改進(jìn)方法的不同，所需要的模擬測(cè)試及實(shí)驗(yàn)時(shí)間也大不相同，通過不同角度的分析可以大大減少研發(fā)時(shí)間，提高了研發(fā)效率。

全地形車最初被應(yīng)用于外太空或極端氣候地區(qū)的勘探，無人全地形車的誕生奠定了現(xiàn)在市場(chǎng)上四輪驅(qū)動(dòng)全地形車的基礎(chǔ)。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所的張韜懿等[1]研究分析了6X6驅(qū)動(dòng)和滑移轉(zhuǎn)向模式，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種全地形地盤，通過對(duì)基于UGV平臺(tái)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式的分析與測(cè)試，發(fā)現(xiàn)此種基于6X6獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模式結(jié)合差動(dòng)轉(zhuǎn)向模式的UGV相比于傳統(tǒng)越野車輛具備更好的通過能力和地面適應(yīng)性，同時(shí)具備了更高的機(jī)動(dòng)性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的董玉紅等為實(shí)現(xiàn)新型六圓柱圓錐輪式月球探測(cè)原理車的運(yùn)動(dòng)控制，基于運(yùn)動(dòng)約束方程，建立了月球車的勞斯方程，基于模型的車輪計(jì)算力矩，通過MATLAB/Simulink對(duì)月球車的控制進(jìn)行了仿真分析，得到了可以通過改變控制器的兩個(gè)參數(shù)來達(dá)到較高精度的車輪位置與速度跟蹤。

2 全地形車車架有限元分析

全地形車車架模型的建立可以通過多種三維繪圖軟件繪制，但因其中部分部件對(duì)車架總質(zhì)量變化影響不大，所以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，使用HyperMesh等軟件對(duì)車架進(jìn)行有限元網(wǎng)格分化，各個(gè)連接點(diǎn)依舊使用殼單元處理，這樣可以更加接近車架受力的真實(shí)狀態(tài)。

在車架有限元模型建立方面，余烽等[2]利用ADAMS軟件對(duì)全地形車建立了剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過對(duì)整車振動(dòng)舒適性的仿真分析與試驗(yàn)，確定了其建立的多體動(dòng)力學(xué)模型基本正確，可在全地形車的改進(jìn)階段預(yù)測(cè)整車的振動(dòng)舒適性。常州工學(xué)院的陳陽利用ANSYS Workbench有限元平臺(tái)對(duì)重型汽車懸架承受最大載荷情況時(shí)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)量進(jìn)行了數(shù)值分析，所得到的重型汽車懸架應(yīng)力場(chǎng)及模態(tài)可為懸架設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。對(duì)于減振的研究，上海交通大學(xué)的趙艷娥等，嘗試采用輪轂電機(jī)的多輪驅(qū)動(dòng)方式，通過對(duì)其做垂向振動(dòng)特性研究與減振機(jī)構(gòu)彈簧剛度與阻尼的優(yōu)化分析，改進(jìn)輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)，為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)提供參考。

學(xué)者們不僅對(duì)振動(dòng)舒適性進(jìn)行了研究，還對(duì)車架的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析和疲勞壽命測(cè)試。中北大學(xué)的趙耀虹等用Pro/E對(duì)全地形車的車架進(jìn)行實(shí)體建模，應(yīng)用其有限元模塊，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行應(yīng)力、變形分析和模態(tài)分析，為全地形車的優(yōu)化設(shè)計(jì)和進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。最后驗(yàn)證其設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和剛度要求，但部分區(qū)域存在應(yīng)力集中，工藝應(yīng)作改進(jìn)。重慶理工大學(xué)的明顯誠(chéng)等對(duì)全地形車車架在ANSYS環(huán)境中建立了有限元模型，并進(jìn)行了靜態(tài)工況下車架承載能力的應(yīng)力應(yīng)變分析，根據(jù)不同部分的受力特性及測(cè)試出現(xiàn)的斷裂、裂紋問題，增大后減振器安裝位置管子厚度，通過增加彎梁支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)比后驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)改進(jìn)的有效性與實(shí)用性。

基于有限元模型的動(dòng)態(tài)分析，張志飛等針對(duì)全地形車車體的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，從有限元基本原理出發(fā)，通過模擬仿真將復(fù)雜形體簡(jiǎn)化，利用該方法既能節(jié)約成本，又能改善產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)或改進(jìn)提供參考依據(jù)。江蘇大學(xué)的朱茂桃等通過對(duì)全地形車車架進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能的研究和對(duì)其建立的模型進(jìn)行有限元分析及模態(tài)分析，經(jīng)過對(duì)比分析及道路試驗(yàn)，結(jié)果表明選擇橡膠減振可以大大提高行駛的安全性，有利于提高車架的疲勞壽命，具有較好的減震效果，具有可行性。

3 全地形車的改進(jìn)與優(yōu)化

全地形車的改進(jìn)可以是結(jié)構(gòu)上的，也可以是材料上的重新選擇，甚至可以是通過不同的分析角度來節(jié)省研發(fā)時(shí)間。重慶大學(xué)的徐中明[3]等通過實(shí)驗(yàn)法和解析法，分析改型前后車架固有特性，結(jié)合全地形車所受激勵(lì)頻率范圍，避免共振，保證了全地形車改性后的性能要求，縮短了研發(fā)時(shí)間，提高了研發(fā)效率。江南大學(xué)的許佩霞等利用ANSYS軟件對(duì)全地形車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜動(dòng)態(tài)有限元分析，得到了車架應(yīng)力分布情況。通過車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕了車架質(zhì)量，提高了車架的可靠性。這是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇優(yōu)化過程中的設(shè)計(jì)變量來實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

不僅是在全地形車車架結(jié)構(gòu)上優(yōu)化，全地形車的駐車鎖止機(jī)構(gòu)的優(yōu)化也是極為重要的。朱華[4]通過駐車鎖止原理，對(duì)全地形車的駐車鎖止機(jī)構(gòu)進(jìn)行研發(fā)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在普通全地形車四個(gè)檔位的基礎(chǔ)上，增加了駐車檔。通過多次耐久試驗(yàn)，證明該機(jī)構(gòu)性能可靠，使用安全，當(dāng)處于駐車狀態(tài)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸被鎖止。王峰等[5]基于林海200ATV型號(hào)全地形車,為了避免駕駛時(shí)全地形車誤換擋造成發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱損傷而設(shè)計(jì)了一款外置式換擋鎖止機(jī)構(gòu)，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和市場(chǎng)反饋，相較于傳統(tǒng)變速箱換擋限位機(jī)構(gòu)，提高了駕駛的安全性。

4 全地形車的輕量化設(shè)計(jì)

隨著全地形車越來越受到人們的關(guān)注，對(duì)其車輛整體質(zhì)量的減輕也越發(fā)關(guān)鍵。重慶理工大學(xué)的婁威振等利用HyperMesh對(duì)某全地形車車架結(jié)構(gòu)建立有限元模型，并分析得到了其在多種工況下的應(yīng)力分布和變形情況，校核車架強(qiáng)度、剛度均有富余后，對(duì)車架進(jìn)行了自由無約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，在保證車架安全性的前提下，達(dá)到了輕量化的目的，同時(shí)也驗(yàn)證了尺寸優(yōu)化在結(jié)構(gòu)優(yōu)化上的有效性。重慶交通大學(xué)的杜子學(xué)等利用CATIA建立了全地形車的車架三維模型，對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)力和變形分析，以及模態(tài)分析，對(duì)全地形車車架的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了有限元分析，車架存在的應(yīng)力集中和剛度小，通過增加橫梁的橫截面面積和改進(jìn)連接方式，增大橫梁與縱梁的接觸面積，保證了全地形車構(gòu)建的使用壽命和操縱穩(wěn)定性。

不僅從模態(tài)分析能達(dá)到輕量化的目的，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇優(yōu)化過程中的設(shè)計(jì)變量也能來實(shí)現(xiàn)輕量化。蔡炳芳等人是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)減小車架厚度從而達(dá)到輕量化的目的。還有根據(jù)不同的角度分析達(dá)到輕量化的目的，重慶理工大學(xué)的陳旭[6]等利用有限元處理軟件HyperMesh建立了全地形車車架結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過Optistruct分析車架多種工況下的應(yīng)力分布和變形情況，在滿足強(qiáng)度和剛度條件下，利用靈敏度分析結(jié)果選擇設(shè)計(jì)變量可以提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。根據(jù)優(yōu)化后車架的強(qiáng)度分析和疲勞壽命結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化的有效性，靈敏度分析也被確定是優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)變量的一種有效方法。

5 結(jié)語

為了達(dá)到全地形車優(yōu)化結(jié)構(gòu)、輕量化的目的，方法眾多。文中介紹了學(xué)者們從全地形車的建模到實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，均有各自的優(yōu)勢(shì)或者是特點(diǎn)。就國(guó)內(nèi)目前全地形車的市場(chǎng)而言，憑借全地形車自身的優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)其不斷地改進(jìn)，在未來有很大的發(fā)展前景。還有很多有待改進(jìn)的方式方法也會(huì)在未來不斷地優(yōu)化，具有很高的研究?jī)r(jià)值。

[1]余烽,徐中明,張志飛.基于ADAMS的全地形車整車振動(dòng)舒適性仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2015,2（31）：160-163.

[2]余烽,徐中明,張志飛，等.全地形車車體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性有限元建模[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2013,6（29）：125-127.

[3]王峰,黃濤,賈磊.全地形車外置式換擋鎖止機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2016,10（44）：33-34.