全地形越野车多连杆式后悬架的研发与优化

刘浩宇，席红霞，严伟健，石南辉，李 添，陈栢全，农 宇，莫巍波

（北部湾大学机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535011）

0 引言

全地形四轮越野机车（简称全地形越野车）是一种全天候、全地形下使用的车辆，适合于各种复杂的工作环境。目前，由于市场需求不同，全地形越野车已经衍生出了许多不同类型车种，如实用型、运动型、休闲型等。我国全地形越野车发展依然处在起步阶段，而在欧美地区，全地形越野车正成为运动机械中的新宠，并呈增长趋势。人们对汽车的安全性、行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性的要求越来越高，而多连杆独立悬挂不仅可以保证拥有一定的舒适性，而且由于连杆较多，可以使车轮和地面尽最大可能保持垂直、减小车身的倾斜、维持轮胎的贴地性。本文阐述了一种自行设计的全地形越野车多连杆式独立后悬架，以满足不断发展的市场需求。

1 悬架基本参数的确定

1.1 悬架刚度

全地形越野车的前悬架刚度较大，车辆转弯时转向轮具有良好的抓地力，能及时响应驾驶员对方向的操控，以便顺利转弯。而后悬架选取较小的刚度，有利于减小车辆跳动时对后立柱的能量冲击。

1.2 悬架的基本尺寸

从结构上看，质量大的零部件应尽量往车辆中间靠拢，以减少车辆的转动惯量，提高车辆的运动性能，尤其是曲线运动能力[1]。在满足规则的情况下，设计应尽量使赛车更加紧凑，以减少车辆质量，同时也能降低制造成本。经过人机工程的研究和对整车主要部件的反复协调布置后，悬架的基本尺寸如表1所示。

表1 悬架基本尺寸参数表 （mm）

1.3 车轮外倾角

依据车轮在上下跳动过程中外倾角的变化，通过特定的悬架几何设计来保证赛车转弯时轮胎与地面保持良好的接触。由计算得知赛车在标准重力加速度的侧向加速情况下，车身侧倾角为1.63°。轮胎外倾角的变动量与主销内倾角的变动量一致，为了减小主销内倾角的变动量，外倾角预置为-1.5°。车轮跳动时的外倾角变化对车辆的稳态响应特性等有很大影响，所以应尽量减少车轮相对车身跳动时的外倾角变化，用Adams软件对外倾角进行优化，在轮跳30 mm 到-30 mm 时，外倾角由-2.1°变到-0.9°。

1.4 主销内倾角

主销内倾角的作用是抑制来自路面的作用力，防止方向盘失去控制，影响车辆直线行驶的稳定性，回正力矩和方向盘力。设计时预设主销内倾角为4°。内倾角影响转向盘手感和轮胎磨损速度[2]，变化不易过大。用Adams软件对内倾角进行优化，在轮跳30 mm到-30 mm时，内倾角由3.5°变到4.5°，同时随车轮上跳增加、下跳减少。

1.5 主销后倾角

主销后倾角的作用是抑制车轮横向震动，同时还能使车轮产生回正力矩。依据赛车的特点进行设计，主销后倾角一般在1°～3°。设计时将车辆的后轮主销后倾角预设为3°，对其进行调试后调整到最佳状态。用Adams软件对后倾角进行优化，在轮跳30 mm到-30 mm时，后倾角的变化范围尽可能小，且后倾角具有随车轮上跳而增加的趋势，可以抵消制动时后倾角减少的趋势[3]。

2 立柱和轮毂的设计

立柱与轮毂在设计过程中，必须符合易安装、高强度、轻量化的原则。根据选定的轮辋尺寸大小和轮辋内圈安装于立柱轮毂轮边的间隙大小，设计立柱的尺寸；根据立柱尺寸、轮辋规格和偏置距的大小，确定轮毂与轮辋的连接形式与大小尺寸。按照拟定的悬架横臂与车架连接使用的向心轴承规格大小、整车的基本载荷，选定轮毂与立柱连接所使用的深沟球轴承。按照拆装方便、安全可靠以及轻量化的设计理念，在三维建模软件中设计立柱和轮毂，如图1所示。把设计好的立柱与轮毂导入到有限元分析软件中进行静力学分析优化，零件材料选用45号钢与7075 T6铝合金，分别对立柱与轮毂进行静力学仿真。仿真结果显示，两种材料在使用条件上都符合设计的要求。由于7075 T6铝合金具有高强度、良好机械性能、易加工、耐磨性好、质量轻等特点，在立柱与轮毂的加工中选择7075 T6铝合金作为主要的加工材料。

图1 后立柱和后轮芯三维图

3 多连杆式独立后悬架的设计

后悬架的设计参数见表2，几何结构如图2所示。从后悬架几何结构图中可以看出悬架横臂张角设计的大小，横臂内点吊耳与车架连接的安装位置，便于确定三维模型零件的装配位置；从悬架几何关系中确定悬架侧倾中心的高度，由主销后倾角与车轮接地点的距离确定主销后倾拖距。由于全地形越野车需要满足比较灵活且适用性强的行驶条件，设计的紧凑性就显得尤为重要。考虑到全地形越野车行驶的路面条件比较恶劣，过高的质心高度会使整车引起侧翻的可能性加大，在保证通过性的情况下，将质心高度设计为401.7mm，离地间隙为300 mm。全地形越野车悬架的横臂不仅要承受轮胎对路面撞击所承受的冲击载荷，还要承受减震器的线型冲击载荷，故横臂需达到足够的刚度，选择大小尺寸合适的4130无缝钢管刚好满足横臂承受的不同载荷工况的冲击。

表2 后悬架设计参数表

图2 后悬架几何结构图

4 横向稳定杆的计算与设计

全地形越野车在高速转弯时，会发生比较大的载荷转移。当行驶在路况比较复杂的弯道路面上时，因为载荷转移，车辆不仅会出现过度侧倾现象，还会由于轮胎抓地力的不足，导致一侧轮胎脱离地面，甚至出现侧翻的危险。出现严重的侧倾现象是由于悬架本身提供的侧倾刚度不足，这时就需要安装横向稳定杆，以防止车辆高速通过弯道时发生严重侧倾现象。横向稳定杆主要作用是增加车辆转弯时的侧倾角刚度，同时使两侧的悬架相关联，彼此相互跳动约束，以达到防止车辆高速转弯过程中可能发生的倾翻现象。

横向稳定杆侧倾刚度为：

式中：L为横向稳定杆长度；X为摇臂长度；Y为摇臂与稳定杆夹角；D为稳定杆直径；G为稳定杆切变模量。

根据上述稳定杆刚度计算公式，分别计算不同稳定杆摇臂长度的侧倾刚度，得出后稳定杆摇臂长度与稳定杆侧倾刚度的对应关系，如表3所示。

后悬侧倾角刚度为：

式中：Y为连杆角度；tR为后轮轮距；KWR为后悬架在车轮中心处刚度；KRR为后轴单侧悬架乘适刚度。

表3 不同摇臂长度下后稳定杆参数 （N·m／（°））

根据以上的理论计算，确定的后横向稳定杆参数如表4所示。

表4 后横向稳定杆参数表

5 减震系统的设计和布置

为了使车辆轻量化，减震系统采用多连杆独立后悬架的形式，减震器选用FOX016型空气减震器，200 mm的自由伸缩长度与可调内置气压方式改变减震器行程，满足全地形越野车悬架行程的需求。根据悬架的跳动方向与跳动需要达到的上跳和下跳行程，确定减震器与地面之间的倾斜角度。通过反复匹配调试选择合适的弹簧刚度，使车辆能够行驶在复杂地形环境中。通过整车260 kg的重量和401.7 mm的质心高度，计算出车子在横向加速度为标准重力加速度时下车身的侧倾角为1.86°，为了减小车身的侧倾，初定后悬架的减震器刚度为17.5 N／m。

6 对悬架主要零件有限元分析

6.1 后立柱

后立柱采用7075 T6铝合金材料，其材料属性如表5所示。

表5 7075 T6铝合金材料属性表

在260 kg的车从1 m高处腾空飞起落地的过程中，受标准重力加速度作用，且单侧轮胎先着地的受力情况如表6所示。

表6 单侧轮胎先着地的立柱受力情况

车辆以10 m／s的速度通过滚木路段，在0.4 s的时间内速度下降到2 m／s时纵向、横向以及侧向的受力如表7所示。

表7 纵向横向以及侧向立柱受力表

根据以上参数，后立柱分析云图如图3、图4所示。

6.2 后轮芯

后轮芯采用45号钢材料，其材料属性如表8所示。

在260 kg的车从1 m高处腾空飞起落地的过程中，受标准重力加速度作用，且单侧轮胎先着地的受力情况如表9所示。

根据以上参数，后轮芯应力分析云图如图5所示。

图3 后立柱应力分析云图

图4 后立柱安全系数分析云图

表8 45号钢材料属性表

表9 单侧轮胎先着地轮芯受力情况

在对零部件建模完成后，运用有限元分析软件对零部件的结构进行受力分析，对分析结果显示的应力比较集中的地方进行优化，减少应力集中的同时保证零件的刚度与强度满足使用条件；对应力和受力比较小的部位减少加工材料进行轻量化设计，在减重的同时保证安全性，且满足使用条件，零部件的有效安全系数都达到了1.5以上。

图5 后轮芯应力分析云图

7 结语

本文设计了一种全地形越野车多连杆式独立后悬架。利用有限元分析软件对设计的悬架主要零件进行了分析，通过分析合理地进行减重与加强。由于条件所限，所设计的后悬架仍有不足之处，如分析验证不足，没有进行实车验证，这些将在以后的工作中进一步研究。