全地形車車架結構設計優化研究現狀分析

尤海波，沈曉峰（通訊作者），徐偉勝，周 敏

（蘇州大學應用技術學院 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行駛。車架是整車平穩行駛，達到安全、可靠和舒適等各個方面要求的主要設計部件。車架的設計與改進方法的不同，所需要的模擬測試及實驗時間也大不相同，通過不同角度的分析可以大大減少研發時間，提高了研發效率。

全地形車最初被應用于外太空或極端氣候地區的勘探，無人全地形車的誕生奠定了現在市場上四輪驅動全地形車的基礎。北京航空航天大學機器人研究所的張韜懿等[1]研究分析了6X6驅動和滑移轉向模式，設計實現了一種全地形地盤，通過對基于UGV平臺結構及驅動方式的分析與測試，發現此種基于6X6獨立驅動模式結合差動轉向模式的UGV相比于傳統越野車輛具備更好的通過能力和地面適應性，同時具備了更高的機動性。哈爾濱工業大學的董玉紅等為實現新型六圓柱圓錐輪式月球探測原理車的運動控制，基于運動約束方程，建立了月球車的勞斯方程，基于模型的車輪計算力矩，通過MATLAB/Simulink對月球車的控制進行了仿真分析，得到了可以通過改變控制器的兩個參數來達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車架總質量變化影響不大，所以對其進行簡化，使用HyperMesh等軟件對車架進行有限元網格分化，各個連接點依舊使用殼單元處理，這樣可以更加接近車架受力的真實狀態。

在車架有限元模型建立方面，余烽等[2]利用ADAMS軟件對全地形車建立了剛柔耦合模型，通過對整車振動舒適性的仿真分析與試驗，確定了其建立的多體動力學模型基本正確，可在全地形車的改進階段預測整車的振動舒適性。常州工學院的陳陽利用ANSYS Workbench有限元平臺對重型汽車懸架承受最大載荷情況時應力應變場量進行了數值分析，所得到的重型汽車懸架應力場及模態可為懸架設計提供可靠的理論依據。對于減振的研究，上海交通大學的趙艷娥等，嘗試采用輪轂電機的多輪驅動方式，通過對其做垂向振動特性研究與減振機構彈簧剛度與阻尼的優化分析，改進輪轂電機結構，為輪轂電機驅動型電動汽車設計提供參考。

學者們不僅對振動舒適性進行了研究，還對車架的剛度和強度進行有限元分析和疲勞壽命測試。中北大學的趙耀虹等用Pro/E對全地形車的車架進行實體建模，應用其有限元模塊，對實體模型進行應力、變形分析和模態分析，為全地形車的優化設計和進一步研究提供了理論依據。最后驗證其設計滿足強度和剛度要求，但部分區域存在應力集中，工藝應作改進。重慶理工大學的明顯誠等對全地形車車架在ANSYS環境中建立了有限元模型，并進行了靜態工況下車架承載能力的應力應變分析，根據不同部分的受力特性及測試出現的斷裂、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構，對比后驗證其結構改進的有效性與實用性。

基于有限元模型的動態分析，張志飛等針對全地形車車體的結構動態特性進行分析，從有限元基本原理出發，通過模擬仿真將復雜形體簡化，利用該方法既能節約成本，又能改善產品的結構性能，為產品的設計或改進提供參考依據。江蘇大學的朱茂桃等通過對全地形車車架進行動態性能的研究和對其建立的模型進行有限元分析及模態分析，經過對比分析及道路試驗，結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 全地形車的改進與優化

全地形車的改進可以是結構上的，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省研發時間。重慶大學的徐中明[3]等通過實驗法和解析法，分析改型前后車架固有特性，結合全地形車所受激勵頻率范圍，避免共振，保證了全地形車改性后的性能要求，縮短了研發時間，提高了研發效率。江南大學的許佩霞等利用ANSYS軟件對全地形車車架結構進行了靜動態有限元分析，得到了車架應力分布情況。通過車架結構的優化設計，減輕了車架質量，提高了車架的可靠性。這是根據經驗選擇優化過程中的設計變量來實現的結構優化。

不僅是在全地形車車架結構上優化，全地形車的駐車鎖止機構的優化也是極為重要的。朱華[4]通過駐車鎖止原理，對全地形車的駐車鎖止機構進行研發與結構設計，在普通全地形車四個檔位的基礎上，增加了駐車檔。通過多次耐久試驗，證明該機構性能可靠，使用安全，當處于駐車狀態時發動機輸出軸被鎖止。王峰等[5]基于林海200ATV型號全地形車,為了避免駕駛時全地形車誤換擋造成發動機變速箱損傷而設計了一款外置式換擋鎖止機構，經過多次實驗和市場反饋，相較于傳統變速箱換擋限位機構，提高了駕駛的安全性。

4 全地形車的輕量化設計

隨著全地形車越來越受到人們的關注，對其車輛整體質量的減輕也越發關鍵。重慶理工大學的婁威振等利用HyperMesh對某全地形車車架結構建立有限元模型，并分析得到了其在多種工況下的應力分布和變形情況，校核車架強度、剛度均有富余后，對車架進行了自由無約束狀態下的模態分析，在保證車架安全性的前提下，達到了輕量化的目的，同時也驗證了尺寸優化在結構優化上的有效性。重慶交通大學的杜子學等利用CATIA建立了全地形車的車架三維模型，對其進行了應力和變形分析，以及模態分析，對全地形車車架的強度和剛度進行了有限元分析，車架存在的應力集中和剛度小，通過增加橫梁的橫截面面積和改進連接方式，增大橫梁與縱梁的接觸面積，保證了全地形車構建的使用壽命和操縱穩定性。

不僅從模態分析能達到輕量化的目的，根據經驗選擇優化過程中的設計變量也能來實現輕量化。蔡炳芳等人是根據經驗減小車架厚度從而達到輕量化的目的。還有根據不同的角度分析達到輕量化的目的，重慶理工大學的陳旭[6]等利用有限元處理軟件HyperMesh建立了全地形車車架結構的有限元模型，通過Optistruct分析車架多種工況下的應力分布和變形情況，在滿足強度和剛度條件下，利用靈敏度分析結果選擇設計變量可以提高優化設計效率。根據優化后車架的強度分析和疲勞壽命結果驗證了優化的有效性，靈敏度分析也被確定是優化設計過程中設計變量的一種有效方法。

5 結語

為了達到全地形車優化結構、輕量化的目的，方法眾多。文中介紹了學者們從全地形車的建模到實現結構優化的方法，均有各自的優勢或者是特點。就國內目前全地形車的市場而言，憑借全地形車自身的優勢，通過對其不斷地改進，在未來有很大的發展前景。還有很多有待改進的方式方法也會在未來不斷地優化，具有很高的研究價值。

[1]余烽,徐中明,張志飛.基于ADAMS的全地形車整車振動舒適性仿真分析[J].機械設計與研究, 2015,2（31）：160-163.

[2]余烽,徐中明,張志飛，等.全地形車車體結構動態特性有限元建模[J].機械設計與研究,2013,6（29）：125-127.

[3]王峰,黃濤,賈磊.全地形車外置式換擋鎖止機構設計[J].林業機械與木工設備,2016,10（44）：33-34.